España tiene los recursos mineros y las capacidades técnicas y de desarrollo para reducir el actual riesgo de suministro de tierras raras en el entorno europeo

Tierras raras: Trabajos de investigación en el yacimiento de monacitas de Matamulas

Raquel Vergara Espuelas. Ingeniero de Minas. Quantum Minería S.L.13/07/2015

En un lugar de La Mancha, en la provincia de Ciudad Real, entre los términos municipales de Torrenueva y Torre de Juan Abad y de cuyos nombres esperamos acordarnos durante años, no ha mucho tiempo que se descubrieron fosfatos de tierras raras, comúnmente conocidos como monacitas. Este descubrimiento tuvo lugar gracias a la campaña de investigación minera sobre metareniscas de rutilo-zircón que llevó a cabo la empresa nacional Adaro en colaboración con el Imgre, ‘Institute of Mineralogy, Geochemistry and Crystal Chemistry of Rare Elements’, de la Academia Rusa de Ciencias, en la zona de Despeñaperros en los años 90.

Tras la campaña regional mineralométrica por batea ejecutada, se localizó un valor extremadamente alto de este fosfato de tierras raras de origen diagenético-metamórfico, en la Sierra de Cabeza de Buey, donde se manifestaba disperso en un depósito eluvionar en forma de nódulos redondeados y de pequeñas y variadas dimensiones. Esta monacita toma la denominación de monacita gris al caracterizarse, entre otras peculiaridades, por los bajos contenidos en elementos radiactivos tales como el torio y el uranio.

Hoy en día, esta zona es conocida como el yacimiento Matamulas, cuyo único mineral de valor comerciable es la monacita gris que en esta zona destaca por su alto contenido en praseodimio, neodimio, europio, y prácticamente la inexistencia de elementos radioactivos.

Figura 1: Mapa de situación de los permisos de investigación Matamulas, Mulas y Rematamulas.

Geología regional y local

El reconocimiento geológico determinó un yacimiento tipo placer donde la meteorización físico-química liberó nódulos de monacita de la roca primitiva, concentrándose el mineral a lo largo de una cuenca somera encajada entre dos relieves, depositándose como unidades detríticas cuaternarias. El depósito eluvionar de época plio-cuaternaria descansa sobre pizarras aflorantes marginales del paleozoico al norte y al oeste de la Sierra de Cabeza de Buey, cuya altitud se encuentra en torno a los 800 m. El depósito económico se adapta a un antiguo cauce extendiéndose a lo largo del valle norte durante 9 km, con una anchura variable entre 500 m y 2 km, con una potencia media de 2,7 metros de profundidad.

El depósito detrítico actual procede de las Alternancias de Pochico y de las Pizarras Negras de Llanvirn (Ordovícico), encontrándose las monacitas en forma de nódulos en las capas pizarrosas más superiores de las Alternancias de Pochico y en los primeros niveles más enriquecidos de las Pizarras Negras. Estos niveles tienen una concentración primaria de 250-300 g/m³ de monacita.

Trabajos realizados, antiguos y modernos

En 1991, la empresa nacional Adaro realizó una campaña de 467 pocillos en la parte norte del yacimiento, de los cuales, y tras haber sido analizadas las muestras resultantes, se obtuvieron unos recursos inferidos de 46.000 t de óxidos de tierras raras totales (TREO) con una ley media de monacita de 2,25 kg/m³ o, lo que es lo mismo, 24.000 t de TREO como recursos indicados con una ley media de monacita de 3,66 kg/m³.

En 2014 es Quantum Minería (QM) quien retoma la investigación minera sobre dos de los tres permisos de investigación otorgados, con una superficie total de 182 cuadrículas mineras, mediante la realización de una primera campaña de 29 pocillos en el extremo suroeste de la zona norte, con un mallado regular de 150 m, tal y como se muestra en el detalle de la figura 2, donde las manchas de color rojo revelan valores mayores en ley mineral, decreciendo según la gama de colores hasta llegar hasta las manchas de azul oscuro cuyas leyes tienen valores más bajos en ley mineral.

Figura 2: Mapa geoquímico del depósito mineral incorporando la cruz de desmuestre para la fase segunda de exploración-valoración.

Como los resultados de las muestras obtenidas en esta primera labor de campo fueron positivos y entraban dentro de los valores determinados en los años 90 por Adaro/Imgre, QM decidió posteriormente, y finalizando en octubre de 2014, realizar otra campaña de 438 pocillos en la zona norte del yacimiento, cubriendo la totalidad de la longitud del antiguo cauce, focalizándose sobre las áreas más favorables identificadas en las campañas anteriores. El objetivo de esta fase fue el de comprobar, delimitar y calificar los recursos/reservas de zona. En la figura 2 se muestra la zona norte del yacimiento encajada entre los dos relieves, donde en rojo se han representado los 467 pocillos realizados por Adaro en 1991, y en azul y negro los 438 pocillos realizados por QM en 2014 en dos fases: primeramente se perforaron 29 pocillos a lo largo de una cruz dentro de la zona más mineralizada que sirvieron como base de la segunda campaña de pocillos al determinar geoestadísitcamente las dimensiones de la malla de perforación más conveniente. Gracias a ella se diseñó una segunda campaña con un total de 438 pocillos, tal y como se muestra en la figura 3, donde los puntos rojos representan los pocillos realizados por Adaro, mientras que los puntos azules y negros muestran los pocillos ejecutados por QM, habiendo obtenido los resultados de los primeros y estando a la espera de los resultados de los segundos.

Figura 3: Representación de las dos campañas de exploración-valoración ejecutadas por Adaro en los años 90 y por QM en 2014.

En la imagen anterior las zonas de la cumbre de las montañas coloreadas en blanco tienen una altitud aproximada de 1.150 m, mientras que las zonas verde claro tienen una altitud máxima de 700 metros.

Las labores realizadas hasta marzo de 2015, donde se incluye la obtención del material, su cuarteo y reducción hasta su envío al laboratorio, su preparación y posterior análisis, constituyen la base para la estimación de los recursos minerales del yacimiento Matamulas y la caracterización del concentrado mineralúrgico.

Obtención, preparación y análisis de las muestras

Los pozos de desmuestre se abrieron con una profundidad variable atravesando la totalidad del sedimento mediante retroexcavadora. A continuación, con otra retroexcavadora de 20 cm de cazo y sin dientes, se realizó una roza sobre una de las paredes del hueco de donde se tomaron las muestras. El desmuestre se efectuó metro a metro desde el fondo de la calicata hasta la superficie, guardando el material en sacos bien identificados de aproximadamente 20 kg. Dependiendo de la profundidad de la calicata se obtuvieron varios sacos de material del mismo hueco, con una media de tres sacos por calicata.

Una vez trasladados los sacos del campo al laboratorio, éstos fueron pesados y registrados individualmente para proceder a su secado por separado, comprobando el porcentaje de humedad que se perdía y asegurando que el material no se contaminaba con el entorno. Fue aquí cuando se disgregó el material compacto y se extrajeron manualmente los fragmentos de tamaño superior a 5 cm, registrando el peso para determinar con exactitud qué material pasaría posteriormente a la siguiente etapa de cuarteo.

Cada saco se cuarteó primeramente en dos partes obteniendo dos submuestras con las que se procedió de manera diferente. Una de ellas (denominada ‘réplica’) se almacenó para posibles trabajos futuros, y la otra se mezcló y homogeneizó con el resto de las partes resultantes de este primer cuarteo de cada una de las calicatas, formándose así una muestra equivalente a todo el material perteneciente a la misma calicata. Tras la mezcla y homogeneización, se realizó un segundo cuarteo de las muestras, procediendo de la misma manera: almacenando una de las partes resultantes y homogenizando la otra para ser utilizada en la tercera etapa de cribado en seco con tamiz de 20 mm de mallado. Del material pasante de cada muestra, se tomó una cantidad de 2 kg para analizar mediante XRMF-30, y se analizaron todos los rechazos superiores a 20 mm para asegurarse de que no se perdía mineral durante este proceso.

Para garantizar la no alteración de los análisis de las muestras se envió una muestra de contenido conocido o estándares certificados (en blanco o duplicadas), dentro de cada lote de 50 muestras; verificando así el correcto procedimiento de análisis por parte de los laboratorios homologados escogidos.

Finalmente se analizaron todas las ‘réplicas’ a fin de obtener un segundo valor, habiendo sido solamente cuarteadas. Comparando los resultados analíticos de ambos análisis, más los resultados de otros trabajos realizados, tales como ensayos por líquidos densos o mesas de concentración, se concluye que el procedimiento inicial de preparación de muestras con sus cuarteos y cribado correspondientes es correcto, y por ello, se puede decir que la monacita no solo se encuentra en forma de nódulos liberados y adherida a la arcilla de fondo, sino que también se encuentra formando conglomerados en fragmentos de roca.

A partir del material representativo del primer cuarteo, se compusieron dos muestras de gran tamaño o ‘composites’ para ensayos mineralúrgicos, de una representatividad asegurada. Es decir, que los ensayos de concentración se han realizado sobre muestras obtenidas a partir de todos los pozos de reconocimiento del depósito mineral. Lógicamente, se escogieron aquellos que sobrepasaban la concentración suficiente para ser explotados.

En la figura 4 se muestran las áreas con leyes superiores a los 3.250 g/m³ de monacita que se inscriben dentro de la línea roja. Por otra parte, los colores existentes en el modelo digital describen el contenido en ley de monacita por g/m³, siendo el azul las zonas con contenidos menores de monacita (valores comprendidos entre los 310-1.500 g/m³) y el rojo las zonas con mayores contenidos (valores entre 7.000 – 15.000 g/m³). Los colores intermedios que unen ambos extremos comprenden una escala de valores empezando por los 1.501 g/m³ y terminando en los 6.999 g/m³ de monacita pura.

Figura 4: Mapa de delimitación de zonas de interés económico del yacimiento de Matamulas.

Mineralurgia e hidrometalurgia de la monacita

El proceso de recuperación de las tierras raras consiste en tres etapas:

1.- Beneficio: concentración física

Mediante procesos de concentración (gravimetría, flotación, etc.) se tratan los minerales que contienen cantidades limitadas de tierras raras, transformándolos en concentrados de mucha mayor riqueza. Así se reduce directamente el tamaño de las plantas de ataque ácido o caustico, lo que significa una reducción importante en los costes operativos y de capital. En el caso del yacimiento Matamulas se alcanzaron valores de hasta el 55% de óxidos de tierras raras (REO) en esta etapa de preconcentración.

2.- Recuperación: concentración química a través de la lixiviación ácida o cáustica

Los concentrados de monacita del yacimiento Matamulas se han ensayado en dos ocasiones, la primera en Rusia en los años 90, y la segunda en Alemania en 2014. En este último caso, se probaron los dos sistemas fundamentales de tratamiento, vía ácida y caustica, llegando a la conclusión que ambos eran viables y dejando la decisión final ligada a otros condicionantes de orden económico o tecnológico.

Por vía ácida, y siguiendo el esquema mostrado en la figura 5, se obtuvieron valores de recuperación en tierras raras superiores al 90%.

Figura 5: Esquema de tratamiento de concentrados de monacita por vía ácida.

3.- Separación: individual a través de la extracción con solventes

Se realiza con tecnologías de extracción por solventes específicos para cada elemento o para cada conjunto de elementos puestos en solución en la etapa anterior. Actualmente se investigan otras alternativas.

Fuera de China en muy pocos lugares del mundo existen plantas de separación de tierras raras individuales, y dentro de Europa solo la planta de la Rochelle, en Francia, perteneciente a la empresa Solvay tiene capacidad para separar HREE.

¿Qué son las tierras raras?

Las tierras raras son los elementos del bloque ‘f’ de la tabla periódica, además del ytrio y el escandio, con radios iónicos muy parecidos y comportamientos físico-químicos muy semejantes que hacen muy difícil la separación entre ellos. Son muy buenos conductores de electricidad y destacan por sus propiedades magnéticas, pudiendo ‘personalizar’ su magnetismo mediante la variación de sus aleaciones con el fin de crear imanes con comportamientos específicos según su uso final. Son elementos críticos porque son únicos e insustituibles, siendo vulnerables a las restricciones de suministro y su uso esencial.

Los principales minerales de las tierras raras son la bastnasita, la monacita y la loparita; separándose en tres grupos: tierras raras ligeras (Lantano, Cerio, etc.), intermedias (Europio, Samario, etc.) y pesadas (Terbio, Disprosio, etc.).

Relacionando estos minerales con el depósito que nos incumbe, hay que decir que los nódulos monacíticos presentes en el Permiso de Investigación Matamulas tienen un contenido en óxidos de tierras raras totales (TREO) del 60%.

La monacita gris (fosfato de tierras raras) tiene una densidad de 4,65 kg/l y una dureza de entre 5 y 5,5 según la escala Mohs. El tamaño de los nódulos oscila entre 0,1 mm y 2 mm, mostrando una forma redondeada y un color similar que se asocia a un leve transporte y a la homogeneidad del mineral, encontrándose en una pequeña franja de la potencia total del depósito. Estas características se pueden apreciar en la imagen siguiente obtenida mediante lupa binocular en el Laboratorio de Microscopía Aplicada y Análisis de Imagen del Departamento de Ingeniería Geológica y Minera de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Madrid, dirigido por el profesor Ricardo Castroviejo.

Figura 6 (izq): nódulos de monacita de entre 0,1 y 2 mm, con formas redondeadas y colores similares que muestran la homogeneidad del fosfato de tierras raras. Figura 7 (dcha): detalle de un nódulo monacítico con recubrimiento micáceo que indica poco transporte antes de la deposición.

En España existen arenas monacíticas en el norte de la Península, fundamentalmente en Galicia, en la región Centroibérica y en las zonas de Valdepeñas y Despeñaperros, donde se inscribe el proyecto Matamulas. La mayoría de las áreas reconocidas han sido investigadas en los años 70 y 80 por el Instituto Geológico y Minero de España (IGME) o empresas privadas tales como Río Tinto (Monte Galiñeiro), sin que los resultados fueran satisfactorios.

Radioactividad

Los elementos radioactivos que normalmente contienen la monacita son el uranio y el torio, siendo sus contenidos típicos de entre el 6% al 12%, pudiendo alcanzar en ocasiones valores de hasta el 25%. Entre los diferentes tipos de monacita, la denominada amarilla es la que tiene mayor contenido en elementos radiactivos, y la gris es la que presenta los menores valores de elementos radiactivos.

Por otra parte, y para la medición de dosis de radioactividad, se escogieron 45 muestras al azar cubriendo la totalidad de la zona norte muestreada y se analizó su contenido, obteniendo una radioactividad media de 0,066 µSv/hr. Considerando que las muestras analizadas tienen una concentración en monacita del 1% y que se espera un 50% de monacita en el concentrado a obtener, la dosis de radiación emitida por el concentrado es de 0,0264 mSv/día (0,000528 mSv/día x 50). Si esta cantidad se multiplicase por los días de trabajo anuales en mina, se tiene una radiación anual de 7,92 mSv/año, que comparándola con actividades cotidianas de nuestro día a día como, por ejemplo, la realización de una tomografía (6,9 mSv), es prácticamente la misma.

Con este valor medio de radioactividad, obtenido por escintilómetro, y los resultados analíticos tan bajos en elementos radiactivos (0,2% en contenido radiactivo, de cual el 0,18% pertenece al torio y el 0,02% al contenido en uranio), se puede concluir que el yacimiento Matamulas no presenta un riego ambiental debido a sus prácticamente inexistentes contenidos radioactivos a la hora de ponerlo en explotación.

Demanda, producción y futuro de las tierras raras

Históricamente, la demanda de estos materiales ha sido relativamente pequeña y fácilmente cubierta por sólo unas pocas explotaciones, siendo China el mayor país productor, consumidor y exportador. Esto es debido a que la producción de tierras raras se encuentra muy concentrada en muy pocos lugares del mundo, destacando China con el 85%, que en valor absolutos son unas 120.000 t/año.

Apenas ha existido una investigación geológica básica en la extracción y refino, como en la exploración de nuevos recursos, ya que la exportación a bajo coste por parte de China realizada durante los últimos 15 a 20 años, eliminó el poco desarrollo de los recursos que se llevaba a cabo en los EE UU y en otras partes del mundo. Además, hasta hace menos de cinco años no se había sentido la necesidad de competir con el mercado chino que, al no tener restricciones medioambientales, tenía unos costes de producción muy bajos. Por eso, fuera de China, tan solo unos pocos científicos de la industria minera tienen algún tipo de formación especializada o experiencia en el campo de recursos de tierras raras.

Los yacimientos de bastnasita en China (con un 40% de las reservas mundiales de tierras raras) y Estados Unidos, constituyen el mayor porcentaje de los recursos económicos de tierras raras, mientras que los depósitos de monacita constituyen el segundo segmento más importante.

La demanda mundial de tierras raras se encuentra programada para aumentar drásticamente en los próximos años, según analistas de mercado. Por ello, otros países han tomado la batuta y han empezado a poner en marcha diferentes proyectos a lo largo del mundo, existiendo minas en una fase muy avanzada de investigación. Otras han comenzado ya la producción y, en concreto, la mina de Mountain Pass (reabierta en 2010 en California por Molycorp) y la mina de Mount Weld Ore (reabierta en 2012 por Lynas Corporación en Australia) han planificado aumentar su producción en una segunda fase.

Las tierras raras están ligadas a nuestros bienes industriales más preciados como la electrónica de última generación, los superconductores, los instrumentos LED, fabricación de láseres, etc.; es decir, a muchas tecnologías que dependen de manera crítica de estos elementos de producción no asegurados. Los usos en rápida expansión de estos materiales han creado inesperados aumentos de la demanda, ya que se han convertido en el pilar fundamental de las macro-iniciativas adoptadas a nivel mundial encaminadas a:

Mejorar la eficiencia energética.
Aumentar la capacidad de generación de energía renovable.
Reducir emisiones de gases efecto invernadero.

Su producción se encuentra muy concentrada, y poseen barreras de entrada de tipo tecnológico. Alrededor de 200 compañías involucradas en más de 20 países. Los esfuerzos de exploración para desarrollar proyectos de TR han continuado en muchos países, tales como: Australia, Brasil, Canadá, Groenlandia, India, Mozambique, Sudáfrica, Suecia, etc.

Puesta en explotación del Permiso de Investigación Matamulas

QM pretende solicitar la concesión de explotación a finales de 2015. Para ello se está trabajando en la preparación de toda la documentación necesaria. Además se ha considerado fundamental la compatibilidad de la explotación minera con la vocación agrícola del territorio, por lo que se está realizando un estudio edafológico completo del suelo y su interpretación agronómica. Este trabajo incluye el pronóstico de afección por extracción y reposición del suelo, la elección de la mejor secuencia de deposición del material extraído según su granulometría, así como el estudio de posibles enmiendas u otros aditivos que optimicen el crecimiento del cultivo. El estudio se realiza sobre una parcela experimental, propiedad de la empresa, con objeto de mejorar rendimientos de producción y otros aspectos que afectan a la propiedad.

En el proyecto a presentar para la solicitud de concesión de explotación, se contemplan los siguientes aspectos:

Mina a cielo abierto con una generación prácticamente inexistente de residuos.
Una vida útil de la mina de 10 años.
Las principales labores que se realizarán serán de arranque y transporte, llevando el l material extraído a la planta de clasificación y concentración gravimétrica.
Los terrenos a afectar son agrícolas, y su restauración y rehabilitación se realizará mediante ‘minería de transferencia’ por ser la alternativa más sostenible.

Conclusiones

En los años 90, los técnicos de Adaro descubrieron recursos inferidos de 46.000 t de óxidos de tierras raras totales que hay en el Campo de Montiel, y QM los confirmó tras los trabajos realizados y los análisis de las muestras obtenidas hasta el momento, lo que apunta a una apertura del proyecto en la valoración de nuevos recursos en diferentes áreas de los permisos de investigación otorgados.

La ventura va guiando los pasos de QM, quien puede decir que tras una clasificación previa del mineral, su ley es comparable a la de un yacimiento de tipo primario, con una operación extractiva de bajo coste.

Según los análisis químicos existentes, el yacimiento Matamulas es a nivel mundial competitivo, en cuanto al valor de composición en óxidos de tierras raras, siendo su contenido en neodimio, praseodimio y europio superior a otras minas en Australia o China, por ejemplo.

Por tanto, dando crédito a las obras y no a las palabras, se puede decir que en España tenemos los recursos mineros y las capacidades técnicas y de desarrollo para reducir el actual riesgo de suministro de tierras raras en el entorno europeo.

Agradecimientos: Agradezco al Dr. José Antonio Espí Rodríguez su dedicación, diligencia e importante aporte en el desarrollo del proyecto, así como al Dr. Miguel Ángel Remón por su apoyo y confianza en mi trabajo; y sobre todo, agradecer a ambos su generosidad para compartir su experiencia y amplio conocimiento en el sector energético.

Bibliografía:

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Dpto. de Yacimientos Ígneos y Metamórficos de la Empresa Nacional Adaro, (1992). Programa de Investigación Sistemática de Recursos Minerales, Proyecto: Zona Centro; Actuación en Cabeza de Buey (Fase II. Monacitas). Informe de trabajos de 1991.
EcoNatura S.L., (2014). Proyecto de Investigación Matamulas. Fase I.
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Matich, Teresa (2015). ‘Rare Earths in Chile: The Next Big Thing?’ en Rare Earth Investing News.http://rareearthinvestingnews.com/23150-rare-earths-chile-biolantanidos-mineria-activa.htm
Castilloux, Ryan (2014). ‘Magnet Rare Earths Prices Moving Higher on Increased Demand’ en Rare Earths Investing News.http://rareearthinvestingnews.com/22735-ryan-castilloux-heavy-rare-earths-prices-rising-increased-demand-medallion-resources-mdl.html