Les gisements de Terres Rares (REE)

1. Introduction

Les terres rares (TR ou REE : Rare Earth Elements) regroupent :

• les lanthanides (La à Lu),
• Sc et Y.

On distingue deux groupes :

• LREE : terres rares légères (La–Eu),
• HREE : terres rares lourdes (Gd–Lu + Y).

Usages stratégiques

Elles sont essentielles pour :

• aimants permanents (Nd–Pr–Dy),
• batteries, accumulateurs,
• écrans, lasers, optique,
• catalyse automobile,
• énergies renouvelables (éolien, véhicules électriques),
• militaires (radars, guidage, imagerie).

Les REE sont peu rares dans la croûte, mais très dispersées, d’où l’importance de gisements spécialisés.

Les terres rares (lanthanides + scandium + yttrium) forment un groupe de métaux qui ont des propriétés chimiques très voisines et, en même temps, des propriétés électroniques uniques, ce qui les rend indispensables dans les technologies modernes.

Configuration électronique similaire

Les terres rares sont essentiellement les éléments du bloc f du tableau périodique (les lanthanides).

Elles remplissent leurs électrons dans les orbitales 4f, mais :

• Les électrons 4f sont très internes et peu disponibles pour les réactions chimiques.
• La chimie des lanthanides dépend surtout des électrons 5s, 5p, 6s, qui sont presque les mêmes pour tous.

Résultat :

• Les lanthanides ont tous une valence dominante +3, donnant des comportements chimiques très comparables (complexation, solubilité, propriétés ioniques).

Contraction des lanthanides

En allant du La au Lu, le rayon ionique diminue progressivement (contraction lanthanidique).

Mais comme la charge est toujours +3, leurs comportements restent très proches malgré cette réduction de taille.

Conséquence :

Les terres rares sont très difficiles à séparer car elles se comportent presque de la même manière dans les minéraux et dans les solutions.

Pourquoi les terres rares ont des propriétés électroniques très intéressantes ?

C’est l’inverse de leur chimie : les électrons 4f sont réactifs pour la physique, mais pas pour la chimie.

• Les électrons 4f sont blindés par les couches 5s et 5p
• Ils ne participent pas aux liaisons chimiques,
• mais ils conservent des moments magnétiques, énergies de transition, et types d’orbitale très particuliers.
• Cela donne des propriétés extraordinaires :

1. Luminescence (phosphores et lasers)

Certains lanthanides (Eu, Tb, Ce…) émettent une lumière de couleur très pure grâce aux transitions 4f–4f.

Utilisations :

• écrans LED
• lasers médicaux
• anticontrefaçon
• radioluminescence

2. Magnétisme exceptionnel

Certains lanthanides ont des moments magnétiques très élevés (Nd, Sm, Dy).

Utilisations :

• aimants NdFeB (les plus puissants au monde)
• moteurs électriques
• éoliennes
• disques durs

3. Stabilité thermique énorme

Les aimants au samarium-cobalt (SmCo) restent stables à très haute température.

Utilisations :

• défense
• moteurs aéronautiques
• satellites

4. Catalyse améliorée

Le cérium (Ce⁴⁺/Ce³⁺) est très efficace pour les réactions redox.

Utilisations :

• pots catalytiques
• raffinage pétrolier
• verres autocicatrisants

Résumé

Les terres rares sont un paradoxe chimique :

• Chimiquement : elles se ressemblent presque toutes → même valence, même comportement.
• Physiquement : elles ont des propriétés électroniques uniques → magnétisme, luminescence, catalyse.

Ce sont ces propriétés 4f qui expliquent leur rôle crucial dans

• les technologies vertes,
• l’électronique,
• la défense,
• l’optique,
• l’énergie.

2. Propriétés géochimiques

• Métaux lithophiles (LILE + HFSE).
• Forte affinité pour les fluorures, carbonates, phosphates, zircons.
• Comportement incompatible → enrichissement dans liquides résiduels.
• Les HREE ont une affinité plus forte pour les structures cristallines complexes (zircon, xénotime).

Minéraux porteurs typiques

• Monazite (Ce,La,Nd)PO₄ – LREE
• Bastnäsite (Ce,La)(CO₃)F – LREE
• Xénotime YPO₄ – HREE
• Allanite (REE-rich epidote) – LREE
• Euxénite, samarskite, fergusonite – HREE + Nb + Ta
• Ion Adsorption Clays (IAC) – argiles adsorbant REE (Chine, Myanmar)

3. Les grands types de gisements de terres rares

3.1. Gisements de carbonatites (type le plus important en tonnage)

Les carbonatites sont des roches magmatiques carbonatées très enrichies en éléments incompatibles.

Caractéristiques

• Plutons circulaires, complexes alcalins.
• Minéraux : bastnäsite, monazite, fluorcarbonates.
• Enrichissement en LREE.
• Associés à des intrusions alcalines.

Exemples majeurs

• Mountain Pass (USA) – bastnäsite (LREE).
• Bayan Obo (Chine) – plus grand gisement mondial.
• Mount Weld (Australie) – très riche en LREE.
• Kangankunde (Malawi).

Géochimie

• Magmatique → hydrothermal → supergène.
• Rôle clé des fluides carbonatés fluorés.

3.2. Gisements dans les intrusions alcalines et les complexes agpaitiques

Associés aux roches alcalines nephélinites, syénites, pegmatites alcalines.

Minéraux

• eudialyte, loparite, ancylite.

Caractéristiques

• Sources importantes de HREE et métaux associés (Zr, Nb, Ta).
• Liés à des systèmes différenciés à longue histoire magmatique.

Exemples

• Lovozero et Khibiny (Russie – péninsule de Kola).
• Ilímaussaq (Groenland) – gisement géant (eudialyte).
• Namakwa (Afrique du Sud).

3.3. Gisements résiduels supergènes / Ion Adsorption Clay (IAC)

Ce sont les gisements majeurs pour les HREE.

Formation

• Altération intense de roches granitiques et pegmatites tropicales,
• Enrichissement en argiles kaolinitiques,
• Adsorption des REE sur les argiles via échange ionique (HREE préférentiellement).

Caractéristiques

• Gisements « doux » à très faible concentration,
• Extraction par procédés lixiviants doux (sulfates, ammonium).

Exemples

• Sud de la Chine (Guangdong, Jiangxi) – 1re source mondiale de HREE.
• Myanmar (Kachin) – exploitation récente massive.

3.4. Gisements de granites à métaux rares et pegmatites

Granites très différenciés, riches en :

• F, P, B, Li, Be, Nb, Ta.

Minéraux

• monazite, xénotime, allanite, gadolinite.

Exemples

• Erzgebirge (Allemagne–Tchéquie).
• Massif Central (Beauvoir, Chédeville) – surtout Li–Sn, mais REE présents.

3.5. Placers de terres rares

Formés par concentration mécanique de minéraux lourds :

• monazite,
• xénotime.

Exemples

• côtes de l’Inde, du Sri Lanka, du Brésil.
• Sables noirs (heavy mineral sands).

4. Processus métallogéniques majeurs

4.1. Fractionnement magmatique

• Enrichissement progressif des liquides résiduels en REE.
• Rôle des roches alcalines et carbonatites.

4.2. Hydrothermalisme

• Transport des REE par fluides fluorés, carbonatés.
• Précipitation lors d'un changement de T°, pH, compo chimique.

4.3. Altération supergène

• Lessivage des silicates → libération de minéraux porteurs.
• Adsorption sur argiles → IAC (HREE).

5. Répartition mondiale des ressources

Dominance

1. Chine (≈ 60–70 % de la production mondiale).
2. USA (Mountain Pass).
3. Australie (Mount Weld, Browns Range).
4. Myanmar (IAC).
5. Vietnam, Brésil, Russie.

Les gisements dominants :

• Bayan Obo (Chine) : LREE géant
• Sud de la Chine : HREE (IAC)
• Mountain Pass (USA) : LREE
• Mount Weld (Australie) : LREE
• Norra Kärr, Kvanefjeld (HREE potentiels)

6. Enjeux économiques et géopolitiques

Points clés

• Dépendance mondiale envers la Chine (contrôle > 80 % raffinage).
• Métaux critiques pour la transition énergétique.
• Contraintes environnementales : extraction souvent polluante, radon, thorium.

7. Impacts environnementaux

Risques principaux

• association fréquente avec Th et U → radioactivité, déchets complexes,
• résidus de flottation et lixiviation (acides, ammonium),
• contamination hydrique (fluor, sulfates),
• déforestation dans les zones tropicales (IAC).

Les gisements de carbonatites nécessitent des dépôts sécurisés pour les résidus radioactifs.

8. Points à retenir

• Les REE sont regroupées en LREE et HREE, réparties de manière très différente dans les gisements.
• Les carbonatites dominent pour les LREE,
• Les argiles d’adsorption ionique dominent pour les HREE.
• Les intrusions alcalines et les granites spécialisés sont des gisements importants pour les REE + Nb + Ta + Zr.
• Les enjeux économiques, stratégiques et environnementaux sont majeurs.

Illustrations