新的研究表明，在犹他州和科罗拉多州的煤层上方和下方，这些稀土金属的含量都有所上升，而这些金属是能源转型所需的。
具有讽刺意味的是，将世界能源系统从化石燃料转型所需的指定关键矿物的矿床，可能与用于生产与气候变化最相关的化石燃料的煤炭矿床共存。
现在，由犹他大学（University of Utah）领导的一项研究发现，在科罗拉多州和犹他州的尤塔煤带（Unta coal belt）周围的活跃矿井中，一种关键矿物的关键组成部分 —— 稀土元素（REE）的浓度有所升高。
地质学和地球物理学副教授劳伦·伯根海尔（Lauren Birgenheier）表示，这些发现开启了一种可能性，即这些矿山可能会看到二次资源流，其形式是用于可再生能源和许多其他高科技应用的金属。
伯根海尔表示：“我们的模式是，如果你已经在移动岩石，你能不能再移动一点岩石，让资源转向能源转型？在这些地区，我们发现稀土元素集中在细粒页岩单元中，即煤层上下的泥质页岩。”
寻找稀土的替代来源
这项研究是与犹他州地质调查局和科罗拉多州地质调查局合作进行的，作为能源部资助的碳矿石、稀土和关键矿物项目（CORE-CM）的一部分。这些新的发现将成为继续这项研究的额外940万美元联邦资金申请的基础。
虽然，这些金属对美国制造业至关重要，尤其是在高端技术领域，但它们主要来自海外。
冶金工程教授、美国能源部资助项目的首席研究员迈克尔·弗里（Michael Free）说：“当我们把它们称为‘关键矿物’时，很多关键因素都与供应链和加工有关，这个项目旨在寻找这些材料的一些替代的非常规国内来源。”
这项由美国领导的研究上个月发表在《地球科学前沿》杂志上。团队成员包括研究生哈利·科（Haley Coe）和迭戈·费尔南德斯（Diego Fernandez），他是负责测试样本的实验室的研究教授。
什么是稀土元素？
尽管有这个名字，稀土元素（REE）在地壳中并不罕见，但它们的浓度很少高到足以使开采它们变得经济，根据数据统计，全球近90%的稀土供应是在中国加工的。
这些金属元素包括镧系元素系列中的15个元素，以及钪（Sc）和钇（Y），它们都位于元素周期表的第三列。
这些元素通常以氧化物形式存在。因为这些矿物的浓度很低，所以很难从矿石中分离出来，也很难相互分离。
稀土具有特殊的性质，使其成为与高科技应用相关的材料的必要成分。
犹他大学冶金工程教授迈克尔·弗里说：“它真正植根于你可以与这些稀有元素或这些关键矿物形成的化合物种类，这些化合物使它们更有吸引力和效率。当你观察更稀有的元素，钕（Nd）、镨（Pr）和镝（Dy）时，它们可以与其他元素结合形成高功率磁体。”
许多镧系化合物用于玻璃和催化剂，以及磁铁、超导体、荧光粉、激光器和发光材料。稀土也用于日常技术，如电视和智能手机屏幕、医疗设备、汽车和流体催化剂。碳中和能源技术，包括风力涡轮机、太阳能电池板、电动汽车、可充电电池和节能照明，也需要这些元素。
“以风力发电机的叶片为例，你需要使用更高功率的磁铁来提高它们的效率。它基本上帮助我们进行一些能量转换。这关乎能源效率，关乎存储的能量密度，”弗里说。“有很多战略性的东西，其中一些元素是至关重要的，用于高端电子设备、卫星技术和国防应用。这些元素比我们熟悉的常见元素表现得更好。”
美国地质调查局（U.S. Geological Survey）的数据显示，美国每年平均使用8300吨稀土氧化物。位于加州莫哈韦沙漠的帕斯山（Mountain Pass）稀土矿是美国最大的稀土产地，但其大部分产量都被送往海外进行加工。
“在某些情况下，这里的供应不是很稳定。它在某种程度上是建立起来的，但后来它被运往海外，因为我们不想在这里进行采购。我们不想在这里开发新的矿山，”弗里说。“因此，这让我们在很多高端技术和清洁能源技术方面处于弱势，而我们正试图更多地投入这些技术。”
煤炭和稀土储量之间的联系在其他地方已经有了很好的记录，但之前几乎没有分析过与犹他州和科罗拉多州曾经繁忙的煤田有关的数据，随着国内煤炭需求的萎缩，这些煤田陷入了困境。然而，在长期煤炭产量下降的情况下，犹他州和科罗拉多州仍在开采的煤矿报告称，近年来它们的开采速度无法满足需求和高企的煤炭价格。
“这个第一阶段项目的目标是收集更多的数据，试图了解这是否值得在西方进行，”犹他州地质调查局能源和矿产项目经理迈克尔范登伯格说。“这些岩石中是否富含稀土元素，可以为煤炭采矿业提供某种副产品或附加值？”
这项研究的目标是产煤地区，从犹他州的瓦萨奇高原向东穿过书崖，深入科罗拉多州。研究人员分析了来自10个矿井、4个矿井废渣堆、7个地层完整的岩心，甚至是发电厂附近的一些煤灰堆的3500个样本。
该研究包括犹他州活跃的Skyline、Gentry、Emery和Sufco矿山，最近闲置的Dugout和Lila Canyon矿山，以及历史悠久的Star Point和Beaver Creek 8号矿山。科罗拉多的研究对象是塞拉多和西麋鹿矿。
分析成千上万的岩石样本
“煤炭本身并不富含稀土元素，”范登伯格说。“开采煤炭不会产生副产品，但对于一家开采煤层的公司来说，他们能同时开采几英尺的地板吗？他们能开采几英尺高的天花板吗？那里有潜力吗？这就是数据引导我们的方向。”
为了收集样本，研究小组直接与煤矿经营者合作，检查了煤层露头和处理废料堆。在某些情况下，他们分析了钻探岩心，包括存档的岩心和最近在矿山钻探的岩心。该小组进入犹他州的矿井，从连接煤层的地下斜坡上收集岩石样本。
研究人员采用了两种不同的方法来记录样本中REE的含量，以百万分之一或ppm表示。一个是用于现场快速读数的手持设备，另一个是在费尔南德斯监督的校内实验室中使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）。
伯根海尔说：“我们主要使用这种便携式X射线荧光设备，这是一种分析枪，我们把它放在岩石上两分钟，它只能给我们17种稀土元素中的5到6种。如果样品的浓度高于百万分之200（ppm），他们就会使用校园里的质谱分析设备进行更全面的分析。”
美国能源部将开采稀土的最低浓度设定为百万分之300，以达到潜在的经济可行性。然而，在这项研究中，研究人员认为浓度超过200 ppm被认为是“稀土富集”。
研究发现，在与煤炭相邻的粉砂岩和页岩地层中，稀土含量最高，而砂岩和煤炭本身大多不含稀土。
到目前为止，该团队已经分析了11000个样本，远远超过了发表的研究中使用的样本。接下来的步骤包括确定存在多少稀土矿石，可能会与怀俄明大学和新墨西哥矿业与技术研究所的同事一起完成。
伯根海尔说：“我们的研究结果仍在进行中，相关论文也将很快发表。我们现在正在为第二阶段撰写提案。我们还不能估计资源总量，因为我们还没有数据。下一阶段将推动我们回答，‘我们如何实际计算这些矿床中的稀土储量?’”
元素是如何形成的？
这项研究并没有确定使毗邻煤的地层富集的地质过程，但是伯根海尔有一些理论。犹他州的许多含煤岩层是在白垩纪时期沉积的，白垩纪结束于6600万年前，当时美国西部的火山活动非常活跃。
“有两种模式。一种可能是火山灰将稀土带入了古老的泥炭沼泽。另一个是有证据表明泥炭沼泽中的陆生有机物质实际上吸收了重稀土。”
然后，经过时间、热量和埋藏，富含稀土的泥炭沼泽变成了犹他州和科罗拉多州的煤矿。
伯根海尔解释说：“我们认为稀土存在于煤中，并且已经迁移到煤上下邻近的泥岩或粉砂岩中，这可能是通过一个被称为成岩作用的过程，基本上是岩石沉积后发生的任何流体运动。”
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