新的研究記錄了猶他州和科羅拉多州煤層上方和下方這些能源轉型所需的金屬含量升高的情況。諷刺的是，世界能源系統從化石燃料轉型所需的指定關鍵礦藏可能與煤炭礦藏位於同一地點，而這些煤炭礦藏是為了生產與氣候變遷關係最大的化石燃料而被開採的。

猶他州地質調查局的地質學家邁克爾-范登伯格（Michael Vanden Berg）正在檢查猶他州老星點煤礦附近的煤礦露頭。圖片來源：猶他大學Lauren Birgenheier

現在，猶他大學領導的研究記錄表明，在科羅拉多州和猶他州烏因塔煤礦帶附近的活躍礦井中，關鍵礦物（稀土元素或REEs）的關鍵子集濃度升高。

這項研究的合著者、地質學和地球物理學副教授勞倫-比爾根海爾（Lauren Birgenheier）說，這些發現為這些礦山提供了一種可能性，即以可再生能源和許多其他高科技應用中使用的金屬形式出現的二次資源流：”這種模式是，如果已經在移動岩石，那麼你是否可以移動更多的岩石來換取能源轉型所需的資源？這些地區，我們發現稀土元素集中在細粒頁岩單元，即煤層上下的泥質頁岩中。

猶他大學地質學家Lauren Birgenheier 在煤炭加工廢料堆檢查樣本。圖片來源：猶他州地質調查局Michael Vanden Berg

尋找稀土的替代來源

這項研究是與猶他州地質調查局和科羅拉多州地質調查局合作進行的，是美國能源部資助的碳礦、稀土和關鍵礦物計畫（CORE-CM）的一部分。這些新發現將成為申請額外940 萬美元聯邦資金以繼續研究的基礎。

雖然這些金屬對美國製造業，尤其是高端技術製造業至關重要，但它們大多來自海外。

「冶金工程教授、能源部資助計畫的首席研究員邁克爾-弗里說：『當我們說它們是『關鍵礦物』時，很多關鍵性都與供應鍊和加工有關。 “這個項目旨在尋找這些材料的一些替代性非常規國內來源”。

這項由加州大學領導的研究上個月發表在《地球科學前沿》（Frontiers in Earth Science）雜誌上。研究小組成員包括第一作者哈莉-科（Haley Coe）研究生和負責測試樣本實驗室的研究教授迭戈-費爾南德斯（Diego Fernandez）。

什麼是稀土元素？

根據兩黨政策中心（Bipartisan Policy Center）的數據，全球近90% 的稀土供應都是在中國加工的。

這些金屬元素包括鑭系元素中的15 種，以及鈧（Sc）和釔（Y），它們都位於元素週期表的第三列。

這些元素通常以氧化物的形式存在。由於存在的濃度很低，這些礦物很難從礦石中分離出來，也很難相互分離。

稀土具有特殊性質，是高科技應用材料的重要成分。

猶他大學冶金工程學教授麥可-弗里說：「它的真正根源在於，可以用這些稀有元素或這些關鍵礦物形成各種化合物，使它們更具吸引力和更有效率。當觀察釹（Nd）當镨（Pr）和鏑（Dy）這些稀有元素時，它們可以與其他元素結合形成高功率磁鐵。

許多鑭系化合物被用於玻璃和催化劑，以及磁鐵、超導體、螢光粉、雷射和發光材料。稀土還可用於日常技術，如電視和智慧型手機螢幕、醫療設備、汽車和流體催化劑。碳中和能源技術，包括風力渦輪機、太陽能板、電動車、充電電池和節能照明，也需要這些元素。

“以用於風力發電的渦輪葉片為例，你希望使用功率更大的磁鐵來提高它們的效率。從根本上說，這有助於我們實現能源轉型。這關係到能源效率，也關係到存儲的能量密度，”Free 說。 “這些元素的性能比我們熟悉的普通元素要好得多。”

根據美國地質調查局的數據，美國每年平均使用8,300 公噸的稀土氧化物。位於加州莫哈韋沙漠的山口礦是美國最大的稀土元素生產商，但大部分產量都運往海外加工。

“在某些情況下，這裡的供應並不穩定。在某種程度上是有的，但後來被運到了海外，因為我們不想在這裡採購。我們不想在這裡開闢新的礦山，”Free 說。 “因此，這使得我們在許多高端技術和清潔能源技術方面處於弱勢，而我們正試圖更多地涉足這些領域。”

煤炭與稀土元素礦藏之間的關聯在其他地方已經有了很好的記錄，但以前幾乎沒有分析過與猶他州和科羅拉多州曾經繁忙的煤田相關的數據。然而，在長期的衰退中，猶他州和科羅拉多州剩餘的活躍煤礦報告說，近年來他們無法以足夠快的速度開採，以滿足需求和高煤價。

研究報告的合著者、猶他州地質調查局能源與礦產項目經理Michael Vanden Berg 表示：「第一階段計畫的目標是收集更多數據，以嘗試了解這是否值得在西部地區開展。這些岩石中是否富含稀土元素，可以為煤礦開採業提供某種副產品或附加價值？

這項研究的目標產煤區從猶他州的瓦薩奇高原向東延伸，穿過布克懸崖深入科羅拉多州。研究人員分析了來自10 個煤礦、4 個煤礦廢料堆、7 個地層完整的岩心，甚至發電廠附近的一些煤灰堆的3500 個樣本。

研究對象包括猶他州活躍的天際線礦、金特里礦、埃默里礦和蘇弗科礦，最近停產的布克懸崖地區的杜古特礦和萊拉峽谷礦，以及歷史悠久的星點礦和海狸溪8 號礦場。研究的科羅拉多州礦山是Deserado 和West Elk。

分析成千上萬的岩石樣本

“煤炭本身並不富含稀土元素，”Vanden Berg 說。 「開採煤炭不會產生副產品，但對於開採煤層的公司來說，他們能否同時開採幾英尺厚的地板？能不能在天花板上開採幾英尺？那裡是否有潛力？這就是數據為我們指引的方向。

為了收集樣本，研究團隊直接與煤礦業者合作，檢查煤層露頭和加工廢料堆。在某些情況下，他們也分析了鑽孔岩心，包括存檔的岩心和最近在煤礦鑽取的岩心。研究團隊進入猶他州的煤礦，從連接煤層的地下斜坡收集岩石樣本。

研究人員採用了兩種不同的方法來記錄樣本中存在的REE 含量，單位為百萬分之一或ppm。一種是用於現場快速讀數的手持設備，另一種是在費爾南德斯負責的校內實驗室中使用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）。

Birgenheier 說：”我們主要使用這種便攜式X 射線螢光設備，這是一種分析槍，我們把它放在岩石上兩分鐘，它只能提供17 種稀土元素中的5 或6 種。如果樣本中的稀土元素濃度高於百萬分之200，他們就會使用校園裡的質譜儀進行更全面的分析。

能源部規定，稀土開採的最低經濟可行濃度為300 ppm。不過，在研究中，研究人員認為濃度超過200ppm 的稀土被視為”富集稀土”。

研究發現，在與煤相鄰的粉砂岩和頁岩地層中，稀土濃度最高，而砂岩和煤本身大多不含稀土。

迄今為止，研究小組已經分析了11000 個樣本，遠遠超過了發表的研究報告中使用的樣本數。下一步工作包括確定稀土礦的含量，這可能要與懷俄明大學和新墨西哥礦業技術學院的同事共同完成。

Birgenheier 說：”我們仍在不斷取得成果，論文也將很快發表。我們正在撰寫第二階段的建議書。我們還不能對資源量進行估算，因為我們還沒有這些數據。下一階段將推動我們回答’如何實際計算這些礦藏中的稀土量？

稀土元素是如何到達那裡的？

這項研究並沒有確定富集鄰近煤層的地質過程，但比爾根海爾提出了一些理論。猶他州的許多含煤地層沉積於距今6,600 萬年前的白堊紀，當時美國西部火山活動頻繁。

“有兩種模式。一種可能是火山灰將稀土帶入古代泥炭沼澤，”她說。 “另一種是有證據表明泥炭沼澤中的陸地有機物質實際上吸收了重稀土。然後，經過時間、高溫和掩埋，富含稀土的泥炭沼澤變成​​了猶他州和科羅拉多州的煤礦。”

Birgenheier 解釋說：「我們認為稀土存在於煤炭中，並且已經遷移到煤炭上方和下方的相鄰泥岩或粉砂岩中，可能是透過一種稱為成岩作用的過程，基本上就是岩石沉積後發生的任何流體運動。

編譯來源：ScitechDaily