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Que sont les terres rares, ces matières premières stratégiques ?


Par Atlasocio.com | Publié le 06/12/2019 • Mis à jour le 20/12/2019

 

En raison de leurs usages multiples dans la fabrication de produits de haute technologie, les terres rares sont des matières premières stratégiques. Cependant, quelles ressources minérales sont réellement concernées lorsque l’on évoque les tensions politiques/économiques liées aux « terres rares » et quel est l’impact de leur exploitation sur l’environnement ?

Poudres de six oxydes de terres rares.
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 +  Poudres de six oxydes de terres rares. Dans le sens des aiguilles d'une montre à partir d'en haut à gauche : gadolinium (blanc), praséodyme (noir), cérium (beige), lanthane (blanc), néodyme (gris) et samarium (blanc jaune). © Peggy Greb, Agricultural Research Center, U.S. Department of Agriculture
Principaux pays producteurs d'oxydes de terres rares (période 1935–2019).
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 +  Principaux pays producteurs d'oxydes de terres rares (période 1935–2019). © Atlasocio.com

« Éléments de terres rares », « minéraux de terres rares » et « oxydes de terres rares » : des appellations à appréhender séparément

Le terme, très généraliste, « éléments de terres rares » (Rare-earth Elements, REE), désigne l’ensemble des éléments de terres rares et ce, sans distinction entre les « minéraux de terres rares » (Rare-earth minerals, REM) et les « oxydes de terres rares » (Rare-earth Oxides, REO). Pourtant, comme le souligne George Barakos, docteur en génie minier à l'Institut des mines et du génie civil de l’École des mines de Freiberg (Technische Universität Bergakademie Freiberg), « les oxydes de terres rares (REO) sont des terres rares qui sont séparées, purifiées et vendues sous forme d'oxydes » tandis que « les minéraux de terres rares (REM) suivent l’étape d’oxydation (REO) et se présentent sous une forme qui répond à des applications technologiques spécifiques en aval » [1]. Par conséquent, les REO et les REM sont tous deux employés pour décrire les éléments de terres rares, mais leurs propriétés chimiques ne sont pas les mêmes et, logiquement, leurs prix marchands respectifs diffèrent.

▶ CONSULTER :
– Classement des États du monde par production de terres rares (minéraux)
– Classement des États du monde par production de terres rares (oxydes)

Les minéraux de terres rares

Un minéral de terre rare contient un ou plusieurs éléments de terre rare en tant que constituants métalliques principaux. Sont considérés comme des minéraux de terres rares les 18 éléments suivants : aeschynite, allanite, apatite, bastnäsite, britholite, brockite, cerite, fluocérite, fluorine, gadolinite, monazite, parisite, stillwellite, synchysite, titanite,wakefieldite, xénotime, zircon. Économiquement, les minéraux de terres rares ne revêtent pas la valeur stratégique des oxydes de terres rares.

Les oxydes de terres rares

Selon l’Union internationale de chimie pure et appliquée (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC), les éléments appartenant aux terres rares réelles sont uniquement les 17 oxydes de terres rares suivants : cérium (Ce), dysprosium (Dy), erbium (Er), europium (Eu), gadolinium (Gd), holmium (Ho), lanthane (La), lutétium (Lu), néodyme (Nd), praséodyme (Pr), prométhium (Pm), samarium (Sm), scandium (Sc), terbium (Tb), thulium (Tm), ytterbium (Yb) et yttrium (Y) ; soit les 15 lanthanides plus l'yttrium et le scandium. Aussi, les données statistiques relatives aux « terres rares », telles que définies par l’IUPAC et évoquées par les économistes, les politiques et la presse généraliste concernent en réalité uniquement les « oxydes de terres rares ».

Découverte, développement industriel et utilisations principales des terres rares

Le premier élément de terre rare, le minéral noir « ytterbite » [2], est découvert en 1787 par le lieutenant suédois Carl Axel Arrhenius dans une carrière du village d'Ytterby (Suède[3]. L’emploi du terme « terres rares » s’explique par le contexte industriel et scientifique de l’époque : il s’agit alors de minerais peu courants et non viables commercialement en raison de la difficulté pour les chimistes de séparer ces « terres » les unes des autres. Ainsi, deux éléments de terres rares sont connus en 1803 (yttrium et cérium), et seulement 6 en 1842 (yttrium, cérium, lanthane, didyme, erbium et terbium). La délicate entreprise de séparation des métaux engendre plusieurs dizaines de fausses découvertes [4] et il faut attendre la fin des années 1950 pour que des techniques de séparation efficaces soient développées (systèmes d’échangeurs d'ions, cristallisation fractionnée et extraction liquide-liquide) [5].

Cette purification des terres rares, devenue possible au niveau industriel, trouve une utilité commerciale au cours des années 1970, lorsque l’yttrium est utilisé dans la fabrication de luminophores pour les téléviseurs à tube cathodiques puis des LEDs à partir des années 1990. Du point de vue de l'économie mondiale, l’essor du numérique et des nouvelles technologies des années 2000 accentue plus encore la dépendance du secteur secondaire vis-à-vis des terres rares, désormais considérées comme des matières premières stratégiques. Les propriétés des oxydes de terres rares permettent de nombreuses utilisations : batteries de voitures électriques et hybrides, puces de smartphones, écrans d'ordinateurs portables, panneaux photovoltaïques, éoliennes de hautes performances, sans oublier l’industrie de la défense (capteurs de radars/sonars, systèmes d’armes divers, etc.).

Applications des 17 oxydes de terres rares

Nom Symbole Principales utilisations industrielles
© Atlasocio.com
Cérium Ce Pierre à briquet ; polissage du verre ; protection contre l’ionisation ; pots d’échappement ; revêtement des fours auto-nettoyants ; manchons à incandescence (lampes à pétrole sous pression) ; colorant du verre ; luminophores (tubes cathodiques, absorption des rayons X) ; médecine (crèmes/pansements pour soigner les brûlures graves).
Dysprosium Dy Aéronautique (alliages de magnésium) ; disques magnéto-optiques ; aimants permanents ; imagerie médicale ; protection contre les rayons X ; lampes à vapeur d'halogénures de métaux ; barres de contrôle de réacteurs nucléaires.
Erbium Er Médecine nucléaire ; industrie nucléaire (absorption des neutrons) ; filtres photographiques ; lasers médico-chirurgicaux (laser YAG pour chirurgie, laser Erbium pour dentisterie) ; télécommunications optiques ; panneaux solaires photovoltaïques.
Europium Eu Barres de contrôle (réacteurs nucléaires) ; lasers ; luminophores rouges et bleu (lampes fluocompactes, écrans renforçateurs pour rayons X, TV).
Gadolinium Gd Additif des aciers ; substance phosphorescente pour tubes cathodiques ; alliages supraconducteurs ; agent de contraste en IRM ; capture neutronique (réacteurs nucléaires).
Holmium Ho Lasers chirurgicaux infrarouges ; teinture du verre (rose) ; pièces polaires pour aimants ; composé supraconducteur à haute température.
Lanthane La Pierre à briquet ; stockage de l’hydrogène ; catalyseur pour moteur à essence ; verre optique ; alliages magnétiques (composés supraconducteurs, phosphores des tubes cathodiques, cristaux pour lasers, composé fluorescent pour les marquages antifraude).
Lutécium Lu Médecine nucléaire (traitement de certaines tumeurs neuro-endocrines) ; hôte de luminophores pour électrons et rayons X.
Néodyme Nd Pierre à briquet ; colorant des verres de protection solaire et lunettes de soudeur ; colorant pour céramiques (bleu et mauve) ; tubes cathodiques ; amplificateur de lasers ; aimants permanents ; générateurs (éoliennes, moteurs électriques pour voitures hybrides, trottinettes électriques) ; transducteur (microphones dynamiques, casques stéréo, haut-parleurs des enceintes acoustiques) ; informatique (disques durs) ; loisirs (pêche à aimant) ; catalyseur (industrie du pétrole) ; produits pharmaceutiques à usage gynécologique.
Praséodyme Pr Pierre à briquet ; colorant du verre (vert) ; colorant pour céramiques ; aimants permanents ; additif pour verres optiques type « flint » ; catalyseur (industrie du pétrole) ; amplificateur optique (type EDFA) ; compositions réfractaires.
Prométhium Pm Peintures lumineuses ; batteries nucléaires ; source d'énergie pour sonde spatiale.
Samarium Sm Aimants permanents ; capteur de neutrons ; électronique (condensateurs céramiques) ; optique ; médecine (radiothérapie) ; microphones de guitares électriques.
Scandium Sc Alliages légers aluminium-scandium (aéronautique militaire) ; lampe à halogénure métallique (source lumineuse pour vidéo de nuit ou en intérieur) ; traceur radioactif utilisé dans les raffineries de pétrole lors du craquage et pour la détection de fuites de canalisations.
Terbium Tb Fluorescence verte pour tubes cathodiques des téléviseurs et écrans d'ordinateurs, tubes fluorescents trichromatiques pour l'éclairage, radiographie médicale par la transformation des rayons X en lumière visible ; systèmes de sonar naval ; stabilisateur de piles à combustible ; moyen de protection contre la contrefaçon des billets de banque.
Thulium Tm Source de rayonnement pour appareils radiographiques portables ; pigments pour tube cathodique ; composant pour micro-ondes ; batteries nucléaires.
Ytterbium Yb Acier inoxydable ; horloge atomique ; ion actif pour lasers infrarouges ; médecine (radiographie portable) ; informatique quantique.
Yttrium Y Luminophores (téléviseurs à tube cathodiques et LEDs) ; production d'électrodes (bougies d'allumage à hautes performances) et électrolytes (conducteur d'oxygène, capteur d'oxygène pour systèmes d'échappement automobile) ; filtres électroniques (micro-onde) ; manchons à incandescence (lampes au propane) ; lasers YAG (utilisé pour la découpe de métaux) ; matériaux supraconducteurs ; grenats synthétiques ; applications médicales variées (traitement du cancer).

Répartition, production et réserves potentielles de terres rares : le quasi-monopole de la Chine

Les terres rares sont relativement abondantes dans la croûte terrestre, mais les concentrations exploitables sont moins courantes que pour la plupart des autres minerais. Les ressources se trouvent principalement dans quatre environnements géologiques : les carbonatites, les systèmes ignés alcalins, les gisements d'argile à adsorption ionique et les gisements de placer contenant de la monazite et du xénotime. Les carbonatites et les dépôts de placer sont les principales sources de production d'éléments de terres rares légères, tandis que les argiles à adsorption ionique sont la principale source de production d'éléments lourds de terres rares [6].

 Principaux pays producteurs d'oxydes de terres rares (période 1935–2019). © Atlasocio.com

Jusqu'en 1948, la plupart des terres rares du monde proviennent de gisements de sable de placer situés en Inde et au Brésil. Dans les années 1950, l'Afrique du Sud devient la principale source mondiale d'oxydes de terres rares grâce au gisement riche en monazite de la mine de Steenkampskraal, dans la province du Cap occidental. À partir du milieu des années 1960, les États-Unis occupent une place importante dans la production mondiale de terres rares et ce, jusqu’à la fin des années 1980 avec l’exploitation de la mine de Mountain Pass, en Californie. Cette mine à ciel ouvert, la principale du XXe siècle, est fermée en 2002 « à cause de l’effet conjugué de sérieux problèmes environnementaux et de la chute des prix induite par le développement rapide de l’offre chinoise à bas prix » [7].

Au cours de la période 1990-2010, si les gisements situés en Australie, en Russie, en Inde, au Brésil et en Malaisie produisent des concentrés de terres rares, ils sont cependant dérisoires comparés à l'ampleur de la production chinoise, Pékin détenant le quasi-monopole de l’approvisionnement mondial. Le district minier de Baiyun, situé à 120 km au nord de la ville de Baotou dans la région autonome de Mongolie-Intérieure, regroupe effectivement d’importants gisements et représentait 45 % de la production mondiale en 2005 [8]. En 2018, la Chine conserve toujours la première place en termes de production d'oxydes de terres rares avec 120 000 tonnes (70 % du total mondial), devant l’Australie (20 000 tonnes, 12 %) et les États-Unis (15 000 tonnes, 9 %) [9]. D’autres pays développent également une industrie d’extraction, c’est le cas notamment de la Birmanie (5 000 tonnes en 2018, soit 3 % du total), du Burundi, de la Thaïlande et du Viêt Nam.

 Carte du monde relative à la production d'oxydes de terres rares par État en 2018. © Atlasocio.com

▶ VOIR : Cartes du monde relatives à la production d'oxydes de terres rares par État

La stratégie commerciale, financière et technologique du gouvernement chinois, entamée dès les années 1980, se traduit peu à peu par une politique des quotas ayant pour objectif de restreindre l’exportation des terres rares. En 2010, seules 30 000 des 110 000 tonnes de terres rares produites par la Chine sont exportées [10]. Les raisons sont multiples : la majeure partie de la production doit prioritairement répondre aux besoins nationaux, ajoutant par la même occasion un impressionnant moyen de pression sur les marchés internationaux. Pour autant, le vaste projet de restructuration de l’industrie productrice de terres rares mené par la Chine vise aussi à réduire les impacts environnementaux désastreux, dont des déchets à faible et moyenne radioactivité. Cette baisse progressive des exportations chinoises incite d’autres pays à augmenter ou à reprendre leur production. Ainsi, l’Australie développe l’exploitation de la mine de Browns Range, située à 160 km au sud-est de Halls Creek, dans le nord-ouest du pays. De leur côté, les États-Unis décident de relancer l'industrie américaine des terres rares, notamment par la réouverture de la mine Mountain Pass en 2013. Le Canada et l’Afrique du Sud envisagent de nombreux projets de prospection, y compris dans les fonds marins.

Répartition des principales réserves potentielles d'oxydes de terres rares (5 premiers États)

Consulter le classement en intégralité
Source : "Rare Earths", Mineral Commodity Summaries, U.S. Geological Survey, February 2019, p. 133.
Rang État ou territoire Réserves d'oxydes de terres rares (t) % total (2018)
2018
© Atlasocio.com
Chine 44 000 000 36,67
Brésil 22 000 000 18,33
Viêt Nam 22 000 000 18,33
Russie 12 000 000 10,00
Inde 6 900 000 5,75

Les statistiques relatives aux réserves de terres rares font l’objet d’une communication très restreinte de la part des gouvernements respectifs. D’après les estimations publiées par l'Institut d'études géologiques des États-Unis (U.S. Geological Survey), la Chine détiendrait 37 % des réserves mondiales de terres rares en 2018, devant le Brésil (18 %), le Viêt Nam (18 %), la Russie (10 %), l’Inde (6 %), l’Australie (2,8 %) et les États-Unis (1,2 %).

Impact de l’exploitation des terres rares sur l’environnement et limites relatives à leur recyclage

L’extraction et le raffinage des terres rares génèrent des quantités significatives de déchets radioactifs (uranium, thorium), causant des problèmes logistiques et environnementaux en matière de stockage. De ce fait, la plupart des exploitations ont été fermées dans les pays développés qui préfèrent plutôt importer ces matières premières stratégiques. Se pose alors la question de savoir comment concilier exploitation des terres rares et respect de l’environnement.

La Chine tente de remédier aux pollutions liées à leur exploitation. Les premières mesures politiques sont mises en application en 2011 avec la fermeture des mines illégales et très polluantes des gisements argiles ioniques, situées au sud du pays (région du Jiangxi), ainsi que l’entrée en vigueur de normes beaucoup plus sévères relatives aux émissions maximales autorisées dans l’industrie des terres rares. Dans le domaine scientifique, la Chine lance de vastes programmes de recherche et de développement (R&D) afin de développer des techniques de recyclages et/ou de substitution des terres rares. Des initiatives qui sont secondées par l’acquisition de parts de compagnies minières en Australie, en Afrique et en Amérique du Sud, correspondant en réalité à une « délocalisation » de la pollution.

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Au Japon, second consommateur mondial de terres rares après la Chine, la variation du coût des terres rares et la dépendance vis-à-vis de l’offre chinoise en matière d’approvisionnement compliquent la situation pour les fabricants d’électronique. Pauvre en ressources minières, le Japon débute en 2007 une politique économique à grande échelle nommée Genso Senryaku (« stratégie des éléments ») reposant sur quatre piliers : la sécurisation de l’approvisionnement en ressources minérales, le développement de matériaux de substitution, la constitution de stocks de matériaux stratégiques et la recherche et le développement de technologies de recyclage des métaux critiques [11]. Menée conjointement par le Ministère de l’Economie, du Commerce et de l’Industrie (METI) et le Ministère de l’Education, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie (MEXT), cette stratégie d’émancipation se concrétise par une recherche active sur le recyclage des éléments déjà présents dans les déchets électroménagers, doublée d’une solution à court terme comme la constitution de stocks.

Cependant, à l’échelle globale, la hausse de la demande relative aux terres rares est telle que le recours au recyclage semble bien insuffisant. En outre, alors que les publications scientifiques alertant sur l’urgence du recyclage des terres rares se succèdent, l’absence d’initiatives politiques concrètes pour l’encourager demeure, d’autant plus que les difficultés techniques et juridiques sont multiples quant à leur intégration dans les filières classiques de recyclage [12]. La solution réside sans doute dans l’innovation technologique, une équipe de chercheurs d’IBM Research ayant annoncé en décembre 2019 la création d'une batterie rechargeable dépourvue de nickel et de cobalt. Constituées de matériaux – non précisés pour l'heure – issus de l'eau de mer, ces batteries seraient de surcroit plus efficaces et plus écologiques que les accumulateurs lithium-ion : capacité de stockage supérieure, coût de fabrication réduit, diminution du risque d’incendie, temps de recharge extrêmement rapide, etc. [13] Désormais présentes dans tous les objets du quotidien (écrans plats, smartphones, voitures hybrides...), les terres rares sont assurément une ressource stratégique et critique, tant pour l’économie mondiale que pour la transition écologique.


Notes et références

  1. [1] "What is the exact definition for Rare Earth Metal and Rare Earth Elements?", Researchgate, 5th May 2018. URL, consulté le 15/11/2019.
  2. [2] L'ytterbite est renommée « gadolinite » en 1800 (à ne pas confondre avec le gadolinium) en l'honneur du finlandais Johan Gadolina, premier chimiste à avoir isolé l'oxyde d'yttrium à partir de ce minéral en 1792.
  3. [3] K. A. Gschneidner and J. Cappellen, 1787–1987 Two hundred Years of Rare Earths, Rare Earth Information Center, Iowa State Univ. of Science and Technology, Publication Date: 01/01/1987.
  4. [4] S. D. Barrett and S. S. Dhesi, The Structure of Rare-earth Metal Surfaces, World Scientific, 2001.
  5. [5] F. Spedding, A. H. Daane, The Rare Earths, John Wiley & Sons, 1961.
  6. [6] Cf. "Rare Earths", Mineral Commodity Summaries, U.S. Geological Survey, February 2019, p. 133.
  7. [7] P. Christmann, « Les nouvelles ressources en minerais stratégiques : l'exemple des terres rares », Géoéconomie, vol. 59, no. 4, 2011, pp. 75-86.
  8. [8] Lawrence J.Drew, Meng Qingrun and Sun Weijun, “The Bayan Obo iron-rare-earth-niobium deposits, Inner Mongolia, China”, Lithos, vol. 26, Issues 1-2, December 1990, pp. 43-65.
  9. [9] "Rare Earths", U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, February 2019.
  10. [10] D. Krajka, « La Chine double ses quotas d’exportation de terres rares », L’Usine Nouvelle, juillet 2011.
  11. [11] D. Lecellier et S. de Bentzmann, Recherche et développement au Japon au service de l’autosuffisance en terres rares, rapport réalisé par le Service pour la Science et la Technologie de l'Ambassade de France à Tokyo, avril 2019. URL (Pdf), consulté le 06/11/2019.
  12. [12] R. J. Garcier et F. Verrax, « Critiques mais non recyclées : expliquer les limites au recyclage des terres rares en Europe », Flux, vol. 108, no. 2, 2017, pp. 51-63.
  13. [13] Young-hye Na, "Free of Heavy Metals, New Battery Design Could Alleviate Environmental Concerns", IBM.com, 18 December 2019. URL, consulté le 20/12/2019.