แร่ที่มีธาตุโลหะหายาก

แร่โลหะหายาก

ตามคำนิยามของสหภาพระหว่างประเทศว่าด้วยเคมีและเคมีประยุกต์ (International Union of Pure and Applied Chemistry - IUPAC) แร่ที่มีธาตุโลหะหายาก (อังกฤษ: rare earth elements) หรือ แร่โลหะหายาก (อังกฤษ: rare earth metals) เป็นแร่ที่มีองค์ประกอบของธาตุเคมี 17 ชนิดในตารางธาตุ ประกอบด้วยสแกนเดียม อิตเทรียม และกลุ่มอนุกรมเคมีแลนทาไนด์ 15 ชนิด

แร่ที่มีธาตุโลหะหายาก

โลหะหายาก คือ ธาตุในตระกูลแลนทานั่ม ซึ่งประกอบด้วย

• ธาตุน้ำหนักเบา (LREE) ได้แก่ แลนทานัม (La), ซีเรียม (Ce), เพรซีโอดิเมียม (Pr), นีโอดิเมียม (Nd),
• ธาตุน้ำหนักปานกลาง (MREE) ได้แก่ โพรมีเทียม (Pm), ซาแมเรียม (Sm), ยูโรเพียม (Eu), แกโดลิเนียม (Gd),

เทอร์เบียม (Tb), ดิสโพรเซียม (Dy)

• ธาตุน้ำหนักสูง (HREE) ได้แก่ โฮลเมียม (Ho), เออร์เบียม (Er), ทูเลียม (Tm), อิตเทอร์เบียม (Yb),

ลูทีเซียม (Lu) และธาตุอิตเทรียม (Y) อาจรวมธาตุ ทอร์เรียม (Th) สแกนเดียม (Sc), ไนโอเบียม (Nb) และแทลทาลัม (Ta) เข้าไปด้วยเพราะมักเกิดร่วมกัน

คำว่าธาตุหายากความจริงมีความหมายผิด เพราะธาตุ เหล่านี้ไม่เพียงแต่หาง่าย (บางธาตุหาง่ายกว่าโลหะเงิน) และโดยมากเป็นโลหะไม่ใช่อโลหะ

แร่โลหะหายาก

แร่โลหะหายาก คือแร่ที่มีธาตุโลหะหายากอยู่ในปริมาณที่แตกต่างกันไป มีแร่มากกว่า 200 ชนิด ที่มีธาตุโลหะ หายาก ถ้าจะแบ่งแร่มีโลหะหายากสามารถแยกได้เป็น

• แร่ที่มีธาตุโลหะหายากต่ำมาก ได้แก่ แร่ประกอบหินทั้งหลาย
• แร่ที่มีธาตุโลหะหายากเล็กน้อย มีธาตุมากกว่า 200 ชนิด ที่มี REE มากกว่า 0.01 %
• แร่ที่มีธาตุโลหะยากเป็นองค์ประกอบหลัก มีประมาณ 70 แร่ที่อยู่ในกลุ่มนี้ แร่ที่มีธาตุโลหะหายากที่สำคัญ ๆ

แร่ที่มีการนำมาใช้ประโยชน์มากที่สุด 3 แร่คือ แบสต์นีไซต์ (Bastnaesite) โมนาไซต์ (Monazite) และ ซีโนไทม์ (Xenotime)

• • แบสต์นีไซต์ (Bastnaesite) เป็นแร่คาร์บอเนตฟลูออลีน มี REO 75 % โดยมากเป็นโลหะธาตุหายากน้ำหนักเบาแหล่งแร่ที่ให้แร่นี้ก็คือพวกคาร์บอเนไทต์ เช่น

Mountain Pass แคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา และ Baiyun Obo ในมองโกเลีย ประเทศจีน

• • โมนาไซต์ (Monazite) เป็นแร่ฟอสเฟตที่มีธาตุโลหะหายากน้ำหนักเบา โดยทฤษฏี มี REO 70 % เป็นแร่ที่เกิดอยู่ในหินแกรนิต เนื่องจากเป็นแร่น้ำหนักสูง

จึงมักไปรวมตัวในลานแร่ เป็นแร่พลอยได้จากการทำเหมืองแร่หนักจากลานแร่ พวก อิลเมไนต์ รูไทต์และเซอร์คอน

• • ซีโนไทม์ (Xenotime) เป็นแร่ฟอสเฟตของธาตุอิตเทรียม โดยทางทฤษฏีมี REO 67 % ปกติพบในแหล่งลานแร่เป็นแร่พลอยได้จากการทำเหมืองแร่ดีบุกในไทยและมาเลเซีย

• • อะพาไทต์ (Apatite) เป็นแร่ฟอสเฟตของแคลเซียม ปกติทำเหมืองเพื่อเอาฟอสเฟตมาใช้ทำปุ๋ย แหล่งกำเนิดอาจเกิดในหินชั้นหรือหินอัคนี บางแหล่งมีธาตุโลหะหายากปนอยู่

ซึ่งเป็นธาตุพลอยได้จากการผลิตฟอสเฟต เช่น ในคาบสมุทรโคลา ในรัสเซีย ได้มีการทำเหมืองแร่นี้และได้ REO 1000-2000 ตัน/ปี

• • บรานเนอไรต์ (Brannerite) เกิดในเพกมาไทต์ ที่อาจจะเป็นแหล่งแร่ที่ให้ธาตุยูเรเนียม เช่น ใน Eiliot Lake ในคานาดา หัวแร่จะมีธาตุอิตเทรียมซึ่งสามารถแยก

เป็นธาตุพลอยได้จากการแต่งแร่

• • Ion-Absorption Clays เป็นแร่ดินพวกเคโอลิน ที่มี REE ดูดซับอยู่ที่ผิว พบในมณฑลเจียงสี ประเทศจีน

การกระจายตัวของแหล่งทรัพยากรโลหะหายาก

แหล่งแร่โลหะหายากมีการกระจายตัวเกือบทั่วโลก (Kamitami,1989) แหล่งแร่ที่สำคัญ ได้แก่

• หินคาร์บอเนไทต์ เช่น Bayan Obo ในมองโกเลีย ประเทศจีน ให้แร่แบสต์นีไซต์ และโมนาไซต์, Mountain Pass ในสหรัฐอเมริกา ให้แร่ แบสต์นีไซต์
• แหล่งลานแร่ จาก แร่หนักชายหาด ดูน และลานแร่ในแม่น้ำ เช่น ทางตะวันตกของออสเตรเลีย อินเดียชายฝั่งทางใต้ของจีน บราซิล แอฟริกา Richards

Bay ในแอฟริกาใต้ และอเมริกา ในตะกอนสามเหลี่ยมแม่น้ำไนส์ ประเทศ อียิปต์

• Residue Deposits (Ion-Absorption Type) เช่นที่ลองนาน ดาเตียน และ ซุนวู ประเทศจีน ซึ่งมีธาตุโลหะหายากน้ำหนักปานกลางและน้ำหนักสูงมาก
• ในหินแกรนิตแอลคาไลน์ (Alkaline Granite) เช่น Strange Lake ในคานาดา ที่มี U-Y-Rb, Bokam Mt. อลาสกา
• อื่น ๆ เช่น U-REE Bearing Conglomerate ที่ Blind River ประเทศคานาดา, Olympic Dam ออสเตรเลีย

การผลิต

ถึงแม้ว่าจะมีแหล่งแร่โลหะหายากอยู่มากมายกระจัดกระจายอยู่ทั่วโลก แหล่งผลิตแร่โลหะหายากอย่างเดียวเป็นผลผลิตหลักก็คือ Mountain Pass ในสหรัฐอเมริกา ที่เหลือจะเป็นแร่พลอยได้จากการทำเหมืองแร่อื่นๆ

ผลผลิตแร่โลหะหายากมาจาก 2 แหล่งคือ Mountain Pass, USA และ Bayan Obo ประเทศจีน (60 % ของผลผลิตทั้งโลก) สำหรับโมนาไซต์ เป็นแร่พลอยได้จากการผลิตแร่หนักจากแหล่งลานแร่ ในออสเตรเลีย มาเลเซีย อินเดีย บราซิล ทั้ง 2 แร่ดังกล่าวเป็นแร่พวกธาตุหายากน้ำหนักเบาเท่านั้น

การผลิตอิตเทรียมและธาตุหายากน้ำหนักสูงมาจากแร่ซีโนไทม์ ในลานแร่ที่มาเลเซีย และเป็นแร่พลอยได้จากการทำเหมืองแร่ยูเรเนียมที่ Elliot Lake ในคานาดา และจากแร่ดินใน มณฑลเจียงสี ประเทศจีน ได้จากวิธี Heap Leaching จาก Residue Crusts ส่งไปญี่ปุ่น แหล่งแร่ Blind River Uranium-Bearing Conglomerate ผลิตอิตเทรียม จากการละลายยูเรเนียม

การบริโภค

การใช้ประโยชน์ธาตุโลหะหายากสามารถแบ่งได้เป็น 2 ตลาด

• Fluid Cracking Catalysts, Metallurgy, Glass (Coloring and Polishing) และ Ceramics – จะใช้ถึงประมาณ 90% ของที่ผลิตส่วนใหญ่

เป็นโลหะหายากน้ำหนักเบาในรูปของหัวแร่และสารประกอบ การใช้ประโยชน์ลดลงบ้างเล็กน้อย

• ฟอสฟอร์ แม่เหล็ก แก้วชนิดพิเศษ เซรามิกส์ชั้นดีและ อีเล็กทรอนิกส์ - ส่วนใหญ่จะเป็นโลหะหายากชนิดปานกลางถึงหนักที่มีความบริสุทธิ์สูง

ปัจจุบันเป็นตลาดที่กำลังโต และเป็นตลาดที่มีการค้นคว้าพัฒนาตลอดเวลา

ธรณีวิทยาแหล่งแร่โลหะหายากที่สำคัญ

• Bayan Obo คาร์บอเนไทต์ มองโกเลียใน ประเทศจีนไบยุน โอโบ เป็นแหล่งแร่เหล็ก-โลหะหายาก-ไนโอเบียม มีปริมาณสำรองธาตุเหล็ก ประมาณ 1,500 ล้านตัน (ความสมบูรณ์เฉลี่ย 35 %)

ปริมาณสำรอง REO อย่างน้อย 8 ล้านตัน (ความสมบูรณ์เฉลี่ย 6 %) และปริมาณสำรองไนโอเบียมประมาณ 1 ล้านตัน (ความสมบูรณ์เฉลี่ย 0.13 %) นับว่าเป็นแหล่งแร่โลหะหายากที่ใหญ่ที่สุดในโลก มีปริมาณสำรอง REO ถึง 3 ใน 4 ของปริมาณสำรองของโลก (Drew et al., 1991)

แหล่งนี้เริ่มแรกทำเหมืองแร่เหล็กในปี 1940 จนกระทั่งปี 1965 เริ่มมีการผลิตแบสต์นีไซต์ และโมนาไซต์ จากส่วนที่ทิ้งจากเหมือง มวลสินแร่มีมากกว่า 20 มวล มีเหมือง มากกว่า 20 เหมือง ที่ประกอบด้วยแร่เหล็ก คือ แมกนีไทต์ ฮีมาไทต์ โมนาไซต์ แบสต์นีไซต์ แร่ที่มีไนโอเบียม ฟลูออไรต์ แบไรต์ ที่ฝังตัวอยู่ใน หินคาร์บอเนไทต์ พวกโดโลไมต์ และแคลไซต์ ของไบยุนโอโบกรุป ซึ่งมีอายุ Proterozoic

มวลสินแร่ Main และ East มีขนาดใหญ่ที่สุดวางตัวอยู่ในแนวตะวันออก-ตะวันตก ยาวประมาณ 1 และ 2 กิโลเมตรตามลำดับ และเอียงเทไปทางใต้ แร่หายาก ได้แก่ แบสต์นีไซต์ และ โมนาไซต์ กระจายอยู่ในหินคาร์บอเนต และมีความสัมพันธ์กับ แมกนีไทต์ ฮีมาไทต์ และฟลูออไรต์ รูปร่างของ Main Orebody พบว่า Massive Rare-Earth Iron Ore และ Fluorite Rare-Earth Iron Ore คือสินแร่ที่มีแร่หายากและเหล็กมากที่สุด ความสมบูรณ์เฉลี่ย 6 % REO

เชื่อว่าแหล่งแร่นี้เกิดจาก Hydrothermal Replacement ในหน่วยหินโดโลไมต์ ซึ่งมีหินชนวนหรือหินดินดานปิดทับ แหล่งแร่จะอยู่บนส่วนบนของหน่วยหินโดโลไมต์ ซึ่งทั้งหมดอยู่ในไบยุนโอโบกรุป วางตัวแบบไม่ต่อเนื่องอยู่บน Archean Migmatic Basement (Drew et al., 1991)

• Mountain Pass คาร์บอเนไทต์ แคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา (Kamitami,1989)

เป็นแหล่งแร่คาร์บอเนไทต์ที่มีปริมาณสำรองใหญ่เป็นที่สองของโลก ที่เกิดอยู่ในหินแปรยุค Precambrian มวลของคาร์บอเนไทต์ ชื่อ Sulfide Queen มีความยาว 720 เมตร และกว้าง 210 เมตร ประกอบขึ้นด้วยแร่หลัก พวก แบสต์นีไซต์ แบไรต์ และคาร์บอเนต ปริมาณสำรองวัดได้ของ REO ประมาณ 5 ล้านตัน ความสมบูรณ์เฉลี่ย 7 % REO ซึ่งสูงที่สุดในบรรดาที่พบในหินคาร์บอเนไทต์

• แหล่งแร่โลหะหายากชนิด Granite-Weathering Crust Ion Adsorption Type

แหล่งแร่ชนิดนี้เพิ่งได้มีการค้นพบและพัฒนาทำเหมืองเป็นแหล่งแร่ที่พบอยู่ในชั้นเปลือกดินที่เกิดจากการผุพังสลายตัวบนหินแกรนิตในประเทศจีน เช่น ลองนาน ซุนวู ดาเตียง และนานลิง ชั้นเปลือกดิน แบ่งออกได้เป็น 4 โซนตามชนิดของกลุ่มแร่ โซนของเมตต้าฮาลลอยไซต์-เคโอลิไนต์ เป็นโซนที่มีปริมาณธาตุ โลหะหายากสูง แต่มีซีเรียมต่ำเป็นโซนที่มีการทำเหมืองด้วยวิธีเหมืองเปิด (Kamitami, 1989)

• แหล่งแร่โลหะหายากในประเทศไทยโลหะหายากที่พบในประเทศไทยเท่าที่ทราบ จะอยู่ในแร่โมนาโซต์และซีโนไทม์ ซึ่งเป็นแร่พลอยได้จากการทำเหมืองแร่ดีบุก-วูลแฟรม

ดังนั้นการหาแหล่งแร่โลหะหายากจึงต้องมุ่งไปหาแหล่งแร่ดีบุก ทั้งที่เป็นแบบปฐมภูมิ และแบบทุติยภูมิ

จากปัญหาทางด้าน อุปสงค์ และอุปทาน ของปริมาณสำรองโลหะหายากของโลก ดังที่กล่าวมาแล้ว แหล่งแร่ที่น่าจะพิจารณาอีกแบบในประเทศไทย คือ ชนิด Ion-Absorption Type ในชั้นเปลือกดินที่ผุพังสลายตัวจากหินแกรนิต โดยเฉพาะพวกหิน ทัวมาลีน-มัสโคไวต์-แกรนิต ที่ให้แร่ดีบุก โมนาไซต์ ซีโนไทม์ จึงน่าจะให้ธาตุโลหะชนิดที่ไปดูดซึมอยู่ในชั้น เปลือกดินได้เช่นกัน