College van de maand: Zeldzame aarden en geologisch onderzoek

zeldzame aarden groeve Yterby
groeve_Yterby.jpg. Figuur 1. De groeve bij Ytterby (bron: Swedish Local Heritage Movement, Vaxholm.

Ytterby een klein plaatsje bij Resarö, commune Vaxholm, in de archipel van Stockholm, in Zweden 
In het plaatsje Ytterby, zo´n 20 km ten oosten van Stockholm werd een veldspaatgroeve geëxploiteerd in een grote pegmatiet. De groeve ligt in de gemeente Vaxholm, op het eiland Resarö, dat onderdeel uitmaakt van de Scherenkust van Stockholm. De meeste van de zeldzame aarde elementen werden ontdekt in het gesteente van deze groeve. Veel van deze elementen werden in Ytterby voor het eerst gevonden.  De naam van de groeve is gebruikt voor een 4-tal elementen uit het periodiek systeem: . Yttrium (Y); Terbium (Tb); Erbium (Er); Ytterbium (Yb)

 

De kennis over elementen is  een basisonderdeel van de geo-chemische en de geologische kant van Aardwetenschappen. Veel vakken leren je over de verschillende elementen en wat voor invloed ze uiteindelijk hebben op het ontstaan van mineralen. Zo ben ik ook afgelopen periode er weer bijna mee doodgegooid en dit keer ging het in het bijzonder over de zeldzamen aarden of zeldzame metalen, zie figuur 2. Voor het gemakt refereer ik naar deze groep met de Engelse term, de Rare Earth Elements, afgekort als “REE”.

Figuur 2. periodiek systeem
 

De REE groep, wat is het en wat kunnen we ermee?

De REE groep is een groep metalen die altijd worden samengenomen omdat ze vergelijkbaar zijn  in hun chemische eigenschappen. Bovendien komen Yttrium, scandium en de 15 lanthaniden altijd samen voor in mineralen, zij het in wisselende onderlinge hoeveelheden.
Hun gedrag maakt ze vervolgens uiterst bruikbaar voor het bestuderen van mantel materiaal wat omhoog gekomen is zoals bijvoorbeeld  bij vulkanen en intrusies.
De groep bestaat uit 17 metalen wanneer men Scandium (Sc) en Yttrium (Y) meerekent doordat ze vaak samen met de REE groep voorkomen. Met oplopend atoomnummer bestaat de REE uit: Lanthanium (La), Cerium (Ce), Praseodymium (Pr), Neodymium (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) en Lutetium (Lu). Zie figuur 3

Hoewel de naam suggereert dat de elementen vrij zeldzaam zijn valt dit eigenlijk best mee. Zo is een van de elementen, Cerium, de 25ste in de lijst van meest voorkomende elementen in de aardkorst. Ongeveer even algemeen als het element koper en vaker voorkomend dan lood. Echter clusteren de metalen van de REE groep niet op een ideale manier samen om winstgevend gewonnen te worden als erts.

figuur_3_.JPG. Figuur 3. Het relatief voorkomen van de meeste elementen in de aardkorst. De y-as beschrijft hoeveel atomen van een bepaald element aanwezig zijn tegenover het aantal atomen Silicium (Si). Hierbij staat 106 voor 1 000 000. Bron: By Elemental_abundances.svg: Gordon B. Haxel, Sara Boore, and Susan Mayfield from USGS; vectorized by User:michbichderivative work: Havang(nl) (talk) - Elemental_abundances.svg, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15810422

De elementen van de REE groep worden in de Aardwetenschappen veelal gebruikt bij het bekijken van mineralen die komen uit magmatische bronnen zoals vulkanen of de Mid Oceanische Rug (MOR). Een storende bijkomstigheid: de gehele mantel van de aarde is geen mooie homogene soep die overal precies hetzelfde is. De mantel van de aarde is zelfs heel erg slecht gemixt en heeft grote verschillen. Daarover misschien een andere keer meer, maar onthoudt dit. De grote verschillen zijn niet makkelijk op te merken als men kijkt naar de gebruikelijke elementen als Silicium (Si) of IJzer (Fe) of Aluminium (Al) en zo kan het rijtje nog wel even doorgaan. Van deze elementen zijn er zoveel aanwezig dat de verschillen in concentraties te klein zijn om te meten, (dit laatste hoeft niet per se) immers het verschil van 6000 tot 6010 is niet zo groot, maar tussen 1 en 10 wel. Deze hoeveelheid deeltjes hoeft men overigens gelukkig niet met de hand te tellen, maar met een zeer ingewikkelde apparaat (zoals een massa spectrometer) die, afhankelijk van het ‘type’ apparaat zelfs de losse atomen kan meten. Oftewel ze zijn heel erg precies. Dit is prettig aangezien er in vulkanische mineralen ook elementen zitten die niet in grote getalen aanwezig zijn. Dit worden trace elements genoemd. Een element dat in zijn gehele tijd in kleinere concentraties aanwezig is dan 1000 ppm. Ppm is een term die staat voor parts per million, oftewel één deel van 1 000 000. De apparaten kunnen deze zeer kleine hoeveelheid  meten. En een verschil tussen 1 deeltje, 20 deeltjes of 100 deeltjes is dus gemakkelijk te meten. De REE groep wordt in de geologie vaak als trace elements gebruikt om een chemisch onderscheid te maken in gesteentes die anders teveel op elkaar zouden lijken. Dit onderscheid kan dan aantonen dat het vulkanisme in IJsland niet van dezelfde mantelbron komt als het vulkanisme op Hawaii omdat ze chemisch een ander signatuur hebben.

De REE groep heeft een onderscheidend kenmerk. De elementen zijn namelijk vergelijkbaar maar verschillen net genoeg om een onderscheid te maken tussen de lichte, La tot Pm, en de zwaardere, SM tot Lu, REEs. Dit kleine maar belangrijke verschilt zorgt ervoor dat er een chemische variatie is en dat Light Rare Earth Elements (LREE) zich anders gedragen dan de Heavy Rare Earth Elements (HREE). Door dit verschil zijn er mineralen die een voorkeur hebben om elementen op te nemen  als er ruimte over is in hun kristalstructuur. Mineralen als amfibool en granaat prefereren de HREE. Wanneer uit een magma onder de juiste omstandigheden een mineraal  gevormd wordt  als bijvoorbeeld granaat, dan is in het residu wat achterblijft uitgeput voor wat betreft de HREE. Dit is vervolgens terug te vinden in metingen op het residu of mineralen die uit dit residu zijn gevormd. Mede dankzij de REE groep kunnen we dus onderscheid maken tussen verschillende reservoirs van magmatische gesteente uit de mantel. Dit helpt weer om de geschiedenis van de aarde te begrijpen.

Dit zijn overigens niet de enigste dingen die je met REE kan doen. Dateren van gesteente is een ander belangrijk onderwerp wat de REE groep aan kan bijdragen, maar dat is misschien voor een andere keer.

Meer weten:   Zie het artikel  “ 92 ELEMENTEN, BOUWSTENEN VOOR 4200 MINERALEN door E.A.J. Burke en H. van Dennebroek uit Gea. . Het betreffende tijdschrift kan ook besteld worden via de GEA website.