Ny utfordring for bergindustrien

Metallene som tilhører sekkebetegnelsen sjeldne jordarter har en rekke fellestrekk som gjør at de er svært interessante for framtidens teknologisamfunn. Det gjenstår å se om fjellgrunnen i Norge kan ha drivbare forekomster.
De 17 grunnstoffene som faller inn under begrepet sjeldne jordarter har fått mye oppmerksomhet den siste tiden. Vi har lært at de har viktige funksjoner i moderne teknologi, og at etterspørselen er større enn tilbudet. Det siste har ført til at prisene på verdensmarkedet har gått ”til himmels”.

På engelsk faller de under betegnelsen ”Rare Earth Elements” (REE). Navnet stammer fra det franske ”terra rare” og henviser til eksotiske bergarter og mineraler, hvorfra noen av disse grunnstoffene ble separert.

Navnet er imidlertid misvisende. Slett ikke alle metallene er ”sjeldne”. Noen av dem opptrer i forholdsvis høye gehalter i jordskorpen. Cerium er for eksempel mer utbredt enn både kobber og bly. Det er også galt å klassifisere dem som ”jordarter”. De er metaller gode nok. At de flere steder graves frem fra kvartære avsetninger er en annen sak.

Under begrepet sjeldne jordarter skjuler det seg 17 grunnstoffer. De er alle metaller, og 15 av dem grupperes under de såkalte lantanoidene med atomnummer fra 57 til 71. Betegnelsen ”sjeldne jordarter” skyldes at man lenge trodde at disse grunnstoffene kun finnes i små mengder i naturen. For de fleste har dette fremdeles gyldighet, men noen av dem, for eksempel yttrium, cerium, lantan og neodym, opptrer i større mengde i jordskorpen enn flere av våre vanligste metaller. De sjeldne jordartene har mange felles egenskaper, og de finnes derfor gjerne innenfor en og samme forekomst.

Under begrepet sjeldne jordarter skjuler det seg 17 grunnstoffer. De er alle metaller, og 15 av dem grupperes under de såkalte lantanoidene med atomnummer fra 57 til 71. Betegnelsen ”sjeldne jordarter” skyldes at man lenge trodde at disse grunnstoffene kun finnes i små mengder i naturen. For de fleste har dette fremdeles gyldighet, men noen av dem, for eksempel yttrium, cerium, lantan og neodym, opptrer i større mengde i jordskorpen enn flere av våre vanligste metaller. De sjeldne jordartene har mange felles egenskaper, og de finnes derfor gjerne innenfor en og samme forekomst.

Svenskene først ute

Det er svenske kjemikere som skal ha æren for å ha oppdaget minst syv av disse grunnstoffene. Det begynte med Carl Axel Arrhenius (1757–1824), en artillerioffiser som også interesserte seg for mineralogi. I 1787 fant han et mørkt mineral i en pegmatittgruve ved den lille byen Ytterby på øya Resarø utenfor Vaxholm, noen mil nord for Stockholm. Både kvarts og feltspat hadde blitt utvunnet her fra 1600-tallet.

Arrhenius sendte prøver av mineralet til sin venn Johan Gadolin som var professor i kjemi ved det kongelige akademiet ved Turku i Finland. I 1789 greide Gadolin å skille ut et metallisk oksid – yttriumoksid – og gjorde derved den første beskrivelsen av et sjeldne jordarters oksid. Selve mineralet ble kalt gadolinitt, mens grunnstoffet gadolinium fikk navn etter Gadolin av senere forskere.

Utover 1800-tall ble en lange rekke grunnstoffer isolert. Jons Jacob Berzelius og Wilhelm Hisinger i Stockholm er kreditert med oppdagelsen av cerium i 1803. I perioden 1839-1843 ble lantan, terbium, yttrium, erbium, praseodym og neodym isolert av Carl Gustaf Mosander, igjen i Stockholm. Fram til 1886 ble ytterbium, holmium, gadolinium, scandium, dysprosium, samarium og thulium oppdaget av svenske og andre europeiske kjemikere. Mange har navn med tilknytning til Ytterby-distriktet eller Skandinavia.

Etter at Ytterby-gruven ble nedlagt i 1933, ble den i perioden etter andre verdenskrig brukt som oljelager. I dag er området under rehabilitering, og det er håp om at gruven en gang vil stå frem som et unikt geologisk funnsted. Nylig ble gruven besøkt av Nobel-prisvinneren i kjemi, japanske Ei-ichi Negishi.

Prishopp gir fornyet interesse

Den økende interesse for de sjeldne jordartene skyldes to forhold.

For det første har de unike optiske, magnetiske og elektriske egenskaper som bidrar til at de kan anvendes i den såkalte grønne industrien. Årsaken er at atomstrukturen i sjeldne jordarter karakteriseres ved indre ringer av elektroner som har tomrom, samt ytre skall hvor elektronene sitter løst.

Den andre grunnen til dagens fokus på disse metallene er markedet. Pr i dag står Kina for 97 prosent av verdens årlige produksjon av sjeldne jordarter (124.000 tonn). Den økte etterspørselen gjør at det nå forventes en årlig økning i etterspørselen på sjeldne jordarter på 10-11 % frem til 2014. Etter det forventes det at veksten går enda raskere, i hht. lagleder Ron Boyd ved Norges geologiske undersøkelse (NGU). Kina har også innført strenge restriksjoner på eksporten. Årsaken er at de ønsker størst mulig verdiskapning i sitt eget land. Flere utenlandske selskaper har derfor flyttet produksjon som er avhengig av sjeldne jordarter til dit råvarene kommer fra.

Dette grepet fra kinesernes side utløste umiddelbart et prishopp på verdensmarkedet, og en storstilt jakt på alternative kilder. Gruver som ble stengt da Kina senket prisen på metallene i 1990-tallet er planlagt gjenåpnet. Blant disse er den store Mountain Pass gruve i California, Hoidas Lake i Saskatchewan, Canada og Mount Weld i Vest-Australia.

I følge Boyd vil det imidlertid kunne ta 10-15 år, minst, før produksjonen utenfor Kina blir så stor at det blir balanse i markedet.

Ifølge USAs energidepartement er det særlig grunnstoffene dysprosium, terbium, europium, neodym og yttrium som kan bli mangelvare i fremtiden.

yttrium, scandium, lantan, cerium, praseodym, neodym, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, lutetium.

Ny teknologi utvider bruksområdene

De sjeldne jordartene har en rekke bruksområder. Den økende interessen de siste årene har imidlertid sammenheng med at det er moderne teknologi som trenger dem spesielt.

Sjeldne jordarter anvendes i ultrasterke magneter i vindturbiner, elbiler og harddisker. Magneter laget av en legering av neodym (ca. 29 %), bor og jern gir en betydelig vektreduksjon. Dysprosium og samarium (i legering med andre metaller) gir også unike magnetiske egenskaper. En vindturbin krever 150-300 hundre kg/MW med NdBFe magneter.

Oppladbare batterier i bl.a. elbiler og hybridbiler er også storforbrukere av sjeldne jordarter. Disse anvender et nickel-metall-hybrid-batteri hvor katoden er laget av hovedsakelig lantan. En Toyota Prius trenger 10 – 15 kg med lantan for batteriet og det elektriske drivsystemet.

”Fosforer” anvendes bl.a. i moderne lyskilder (fluorescerende og LED), TV-skjermer, mobiltelefoner og datamaskiner. Europium og yttrium gir for eksempel rød farge, mens terbium gir grønn farge og cerium blå farge i forskjellige kjemiske forbindelser.

Sammen med andre metaller benyttes cerium i eksoskatalysatorene i moderne biler for å redusere utslipp av skadelige gasser som CO og NO. Katalysatorer spiller også en viktig funksjon innen “cracking”-prosessen i oljeraffinering for å bryte ned de langkjedete hydrokarboner til kortere enheter. Her er det lantan som inngår.

Endelig anvendes sjeldne jordarter i stadig større utstrekning i den moderne forsvarsindustrien. Nattkikkerter, laserstyrte våpen, pansrete kjøretøy, klasebomber og “stealth” bombefly – alle bruker mer eller mindre mengder sjeldne jordarter som lantan, neodym og samarium.

Prisutviklingen på utvalget sjeldne jordarters metalloksider. Den kraftige økningen skyldes bl.a. at de benyttes i moderne teknologi som mobiltelefoner, dataskjermer, TV-apparater og solceller. Prisene er i USD/kg. Grafikk: SGU

Prisutviklingen på utvalget sjeldne jordarters metalloksider. Den kraftige økningen skyldes bl.a. at de benyttes i moderne teknologi som mobiltelefoner, dataskjermer, TV-apparater og solceller. Prisene er i USD/kg. Grafikk: SGU

Tre typer forekomster

Produksjon av sjeldne jordarter skjer i dag fra tre typer forekomster: 1) fra fast fjell, dypbergarter som nefelinsyenitt, karbonatitter og phoscoritt (ultramafiske bergarter som opptrer sammen med karbonatitt) samt deres pegmatitter, 2) fra anrikninger i laterittiske jordsmonn. Og 3) fra tungmetallsandavsetninger (”placer deposits”).

Fast fjell

Verdens største reserver av sjeldne jordarter finnes som et biprodukt fra Kinas gigantiske jerngruve Bayan Obo 570 km vest for Beijing. Malmen skal være dannet ved hydrotermal omvandling av dolomitt og innholder først og fremst jern og niob, men også betydelig mengder sjeldne jordarter som yttrium, dysprosium og neodym. Bastnæsitt og monazitter de viktigste malmmineraler for sjeldne jordarter i Bayan Obo.

Sjeldne jordarter, sammen med tantal og niob, blir også produsert fra gruver i Khibny-Lovozero massivet på Kolahalvøya, Russland. Malm mineralene består bl.a. av loparitt og eudialitt som opptrer i peralkalinsk nefelinsyenitter, ultrabasiske bergarter og karbonatitter. Intrusjonen er av kaledonsk alder.

Ron Boyd forteller at BHP Billitons enorme kobber-gull gruve i Australia, Olympic Dam, også kan ha et potensial for utvinning av sjeldne jordarter fra fast fjell.

Laterittisk jordsmonn

Lateritter er produkter av dypforvitring av fjellgrunnen i tropiske strøk (GEO 01/2011) og kan gi avsetninger som er flere titalls meter tykke. Avsetningene er rike på jern- og aluminiumoksider, og kan, avhengig av den underliggende fjellgrunnen, danne viktige kilder til sjeldne jordarter.

Gruvedrift på sjeldne jordarter fra lateritt finner sted i to distrikter i Sør-Kina og står for en betydelig andel av Kinas produksjon. Lateritten er her omdannet fra granittiske og syenittiske bergarter.

Bedre kjent er Mount Weld gruven i Australia som regnes som en av verdens største forekomster av sjeldne jordarter utenfor Kina. Her opptrer metallene i fosfatforbindelser i jordsmonnet og forvitringssonen over en karbonatittisk vulkan fra proterozoikum.

Tungsandavsetninger

Dette er avsetninger i gamle elveleier og standsoner. Avhengig av kildebergarten kan enkelte mineraler som fører sjeldne jordarter, for eksempel monazitt, bli avsatt sammen med andre tungmetaller som ilmenitt og kassiteritt.

Fram til 1960-tallet skjedde mesteparten av produksjonen av sjeldne jordarter fra tungsandavsetninger. For en stor del var dette monazitt, og med Sør-Afrika som det viktigste produsentlandet på 1950-tallet.

Monazitt innholder de radioaktive stoffene thorium og radium, og på grunn av problemene med å bli kvitt radioaktivt avfall er det nå en tendens til i stedet å fokusere på malm med lave radioaktive mineraler, for eksempel bastnæsitt. Allikevel skal utvinning av sjeldne jordarter som et biprodukt fra gruvedrift på tungsandavsetninger ha stått for omtrent fem prosent av produksjonen i 2009, vesentlig fra India, Brasil og Malaysia. Betydelige reserver har blitt kartlagt i USA, Kina, Russland og Australia.

Komplisert utvinning

Fordi forsjellige metaller ofte opptrer i den samme forekomsten, må en rekke kjemiske prosesser anvendes for å skille ute de enkelte metallene og fjerne urenheter. Blant sistnevnte er det radioaktive grunnstoffet thorium et av de viktigste. Som kjent er det ikke helt enkelt å bli kvitt radioaktive substanser, i alle fall ikke her i vesten. Spesielle tillatelser og anordninger kreves. Konsentrering av sjeldne jordarter er derfor en kompleks og kostbar affære.

Med stigende priser på de sjeldne jordartene kan vi vente at utvinning av sjeldne jordarter fra avfallsprodukter fra annen gruvedrift kan bli lønnsomt. Estland starter nå for eksempel eksport av ca. 3000 tonn sjeldne jordarter basert på utvinning av avfall fra Sillamae urangruver.

Sjeldne jordarter er en viktig bestanddel i fremtidsbilden. Dette er en Toyota Prius, en såkalt hybridbil som kombinerer bensinmotor med elektriske motorer. Grafikk: GeoPublishing AS

Sjeldne jordarter er en viktig bestanddel i fremtidsbilden. Dette er en Toyota Prius, en såkalt hybridbil som kombinerer bensinmotor med elektriske motorer. Grafikk: GeoPublishing AS

EKSOTISKE MINERALER

Blant de vanligste mineraler som fører sjeldne jordarter kan nevnes bastnæsitt, monazitt og loparitt.Bastnæsitt er et sjeldent mineral med formelen (Ce,La)CO3F, (La,Ce)CO3F eller (Y,CE)CO3F. Mineralet ble første gang beskrevet fra Bastnæs gruve i Sverige hvor det opptrer i granittiske syenitter, assosierte pegmatitter og karbonatitter.Monazitt er et thoriumførende mineral med formelen (Ce,La,Pr,Nd,Th,Y)PO4. Det inneholder normalt ca 60 % sjeldne jordarters oksider. Monazitt har høy egenvekt, er resistent mot kjemisk forvitring og opptrer ofte sammen med andre tunge mineraler.

Loparitt er et cerium og titanium–førende mineral med formelen (Ce,Na,Ca)(Ti,Nb)O3. Den forekommer i nefelinsyenittintrusjoner og pegmatitter på Kolahalvøya i Russland og står for mesteparten av Russlands produksjon av sjeldne jordarter.

Framtidige produksjonsområder

Mountain Pass dagbrudd i det sørøstre California eies av Molycorp Minerals og er mest sannsynlig den gruven som først vil kun ta opp kampen mot Kinas dominans. Malmen inneholder mellom åtte og tolv prosent sjeldne jordartoksider og ligger i en prekambrisk karbonatitt. Grunnstoffene cerium, neodym, lantan og europium ble utvunnet fra gruven i perioden 1965 til 1995. Mountain Pass stod da for mesteparten av verdensproduksjonen av disse metallene.

Gruven ble stengt i 2002 etter påtrykk fra myndighetene (en serie lekkasjer fra installasjonen i 1998 slapp ut radioaktivt spillevann) og fallende priser. Molycorp har nå fått de nødvendige tillatelser for å gjenåpne gruven og prosesseringsanlegget, og produksjonstart er planlagt senere i år.

I Sverige er det canadiske gruveselskapet Tasman Metals Ltd. i ferd med å avslutte et boreprogram på Norra Kärr i nefelinsyenitt og beslektede dypbergarter. Norra Kärr ligger i Sør-Sverige omtrent 300 km sørvest for Stockholm.

Tasman Metals Ltd. er også i gang med geologiske undersøkelser av en forekomst av gull og sjeldne jordarter assosiert med jernmalm i Bastnæs. Området ligger i Bergslagen-distriktet, omkring 150 km vest for Stockholm. Stedet har en historie med kobber- og jernutvinning som strekker seg over 1000 år tilbake i tid.

Mineralet bastnæsitt og grunnstoffene cerium og lantan ble første gang beskrevet i prøver fra Bastnæs. Fra 1860 til 1919 ble cerium og lantan utvunnet, mens cerium ble ekstrahert fra gruveavfall under andre verdenskrigen. Mineralene med sjeldne jordarter opptrer først og fremst i en sone rikt på amfibol som ligger perifert til jernmineraliseringen. De er assosiert med kobber, vismut og lokalt gull.

Mineralisering i Kvanefjeld zink- og uranforekomster i Sør-Grønland opptrer hovedsakelig i nefelinsyenitt i den såkalte Ilimaussag kompleks. Mineralrettighetene eies av det australske selskapet Greenland Minerals and Energy som har lansert forekomsten som en av verdens største avsetninger av sjeldne jordarter utenom Kina, med potensial til å dekke 25 prosent av verdens behov. Samlet verdi skal være ca. 500 milliarder kroner. På Kvanefjeld vil sjeldne jordarter evt. bli utvunnet som et hovedprodukt med uran og zink som biprodukter. Det gjenstår å se om myndighetene i Grønland vil tillate drift i dette området. Utfordringen ligger i den sårbare naturen.

Adm.dir. Ivar Fossum i Nordic Mining opplyser at selskapet sitter på en mulig ressurs av niob i lithiumgruven det utvikler i Finland (Keliber).

Umoden leting i Norge

Ved NGU har de merket at oppmerksomheten omkring sjeldne jordarter har tatt seg kraftig opp. Ron Boyd referer til en rekke selskaper som har vist interesse ved å ta undersøkelsestillatelser på steder som disse metallene kan finnes i større konsentrasjoner. Mange henvender seg også til NGU for å få informasjon og kunnskap. Både norske og utenlandske selskaper har tatt kontakt.

Fensfeltet i Telemark, nordvest for Skien, er ett område som tiltrekker flere. Fensfeltet er en gammel vulkan som er velkjent for mange sjeldne bergarter, og det har i flere perioder vært gruvedrift her. Søve niobgruver ved Ulefoss var i produksjon i perioden 1953-1965. Det ble utvunnet ca. 100.000 tonn/år med 0,36 % nioboksid.

I det siste har feltet kommet i fokus som en mulig kilde for thorium så vel som sjeldne jordarter. Thorium Norway AS hartatt ut mutinger med utgangspunkt i NGUs databaser. Selskapet antar at forekomsten rommer over én million tonn thorium med en markedsverdi av 140 milliarder dollar. På ytterkanten av forekomsten finnes rike malmer med sjeldne jordarter.Fen Minerals AS er en del av Scatec-gruppen som har teknologi som testes for å foredle sjeldne jordarter og andre spesialmetaller. Fen Minerals har rettighetene til betydelige deler av Fensfeltet.

Niobium-tantal-mineraliseringer er også kjent fra Sæteråsen ved Holmestrand i Vestfold. Vertsbergarten her er svært finkornet. Dersom den skal være aktuell for drift i fremtiden er utfordringen derfor å finne en egnet prosesseringsteknologi slik at det er mulig å lage salgbare konsentrater.

NGU’s malmdatabase lister også interessante forekomster av sjeldne jordarter i Høgtuva berylliumforekomst i Nordland og Biggejavri karbonatitt i Kautokeino, Finnmark. Forekomsten ved Biggejavri nord for Kautokeino på Finnmarksvidda ble undersøkt på 1980-tallet. Den inneholder i gjennomsnitt 130 g/tonn scandium i en albititt-bergart. I følge Boyd er forekomsten for liten, men den vitner om at det her er rett type mineralisering.

Huskeregelen for lantanoidene:

Ladies Can’t Put Nickels Properly into Slot-machines. Every Girl Tries Daily, However, Every Time You Look.

Upløyd mark

På grunn av manglende fokus på landbaserte mineralressurser de siste tiårene har vi ikke godt dokumenterte kunnskaper om sjeldne jordarter her i landet. Vi har riktig nok indikasjoner på at det kan finnes flere gode forekomster, men vi må også forvente å finne helt nye forekomsttyper, som for eksempel mineraler som er lettere å utvinne enn dem vi vet om i dag.

Ron Boyd mener at det både på global basis og i Norge har vært brukt lite ressurser på leting etter sjeldne jordarters metaller. Leting og produksjon av slike metaller er derfor langt på vei upløyd mark. Han føler seg sikker på at det vil bli funnet nye typer forekomster – gitt at vi leter.

Lite visste Arrhenius, Gadolin, Berzelius, Mosander og alle de andre kjemikerne – mens de å forsket på disse rare steinene i sine primitive laboratorier– at om et par hundre år vil deres oppdagelser danne grunnlaget for teknologien som kjennetegner vår tidsalder. Og at disse samme mineralene ville bli gjenstand for intens letevirksomhet verden over. Her ser vi nok et glimrende eksempel på verdien av såkalte “unyttig” forskning.

Det viktigste fra de siste dagene

58 millioner kroner i støtte

Slipper ut lokale mineraler

Oljen er uerstattelig


geo365 Nyhetsbrev

* = required field

0 Comments