Spesialmetaller

Det finnes en rekke metalliske grunnstoffer som verken kan klassifiseres som jern- og jernlegeringsmetaller, basemetaller, energimetaller eller edelmetaller. I NGUs mineralressurskart og malmdatabase finnes de i gruppen "spesialmetaller", og inkluderer både sjeldne jordartselementer (REE; Rare earth elements), yttrium, scandium, tantal, niob, litium og beryllium.
Fyrstål inneholder sjeldne jordartselementer.

Flere av grunnstoffene er vurdert som kritiske for Europeisk industri og er helt nødvendige i moderne elektronikk og for produksjonen av f.eks. "grønn energi" (European Commission, 2014)

Felles for spesialmetallene nevnt her er at de alle er inkompatible – på atom-nivå passer disse grunnstoffene ikke inn i gitterstrukturen til de vanlige bergartsdannende mineraler. Etter hvert som magma størkner og hovedmineralene krystalliserer vil de inkompatible grunnstoffene derfor bli til overs, og typisk ende opp i de mineralene som krystalliserer sist. Så selv om spesialmetallene har svært ulike egenskaper finner vi dem ofte i de samme bergarter og i det samme geologiske miljøet.

Noen av spesialmetallene er grunnstoffer med stor ladning i forhold til atomenes ioneradius og kalles "high-field strength elements" – HFSE. Andre har lav ladning i forhold til ioneradius og kalles da tilsvarende "low-field strength elements", eller, mere vanlig, "large ion lithophile elements" – LILE. De viktigste HFSE omfatter spesialmetallene niob (Nb), tantal (Ta), zirconium (Zr), hafnium (Hf) og de sjeldne jordartsmetallene (REE - rare earth elements), inklusiv lanthanidene; yttrium (Y) og scandium (Sc). Også energimetallene uran (U) og thorium (Th) tilhører gruppen av HFSE. Både grunnstoffer som tilhører LILE- og HFSE-metallene er inkompatible, men ettersom LILE og HFSE har helt forskjellig forhold mellom ladning og ionestørrelse ender de to metallgruppene som regel opp i forskjellige mineraler.

HFSE

Niobium (Nb) og tantal (Ta)

Niobium og tantal finnes ofte i de samme forekomstene, da de kan erstatte hverandre i ulike mineraler. De viktigste Nb-førende mineralene er columbitt, euxenitt, fergusonitt og pyroklor, mens tantal kommer stort sett fra tantalitt. Både niobium og tantal forekommer hovedsaklig i karbonatitter, alkaline silikatbergarter, pegmatitter, og forvitringsprodukter fra disse. Niobium brukes i stål- og superlegeringer til fly- og rakettmotorer. Tantal benyttes i kondensatorer i PC, mobiltelefon og annen elektronikk, høytemperatur- og super-legeringer.

Elektronmikroskopbilde av REE-førende allanitt (aln) og niob-førende pyrkoklor (pcl) fra et mineralkonsentrat. Foto: Julian Schilling, NGU.
Elektronmikroskopbilde av REE-førende allanitt (aln) og niob-førende pyrkoklor (pcl) fra et mineralkonsentrat. Foto: Julian Schilling, NGU.

Søve niobgruver i Fensfeltet ved Ulefoss i Telemark var i produksjon i perioden 1953-1965. Det ble da utvunnet ca. 100.000 tonn/år med 0,36 % nioboksid. I dag (2015) blir Fensfeltet undersøkt for REE (sjeldne jordartselementer) og thorium. Dersom det blir aktuelt med gruvedrift på Fen igjen i fremtiden kan niobium muligens utvinnes som et biprodukt.

Elektronmikroskopbilde av thorittførende (hvite prikker) niob-mineral (lys grå) i en karbonatittbergart fra Fen. Foto: Are Korneliussen, NGU.
Elektronmikroskopbilde av thorittførende (hvite prikker) niob-mineral (lys grå) i en karbonatittbergart fra Fen. Foto: Are Korneliussen, NGU.

Niobium-tantal-mineraliseringer er også kjent fra andre steder i Norge: på Sæteråsen ved Holmestrand er vertsbergarten et svært finkornet trakytt som inneholder pyroklor, euxenitt og fergusonitt. Dersom denne forekomsten skal være aktuell for drift i fremtiden er utfordringen derfor å finne en egnet prosesseringsteknologi slik at det er mulig å lage salgbare konsentrater. En niobium-anomali er også kjent fra det prekambriske Høgtuva-vinduet i Nordland. Her opptrer pyroklor og euxenitt romlig assosiert med en beryllium-mineralisering i en metagranitt.

Sett over hele verden er det Brasil som er det klart viktigste produsentlandet av Nb i dag (2014). Nb har nylig blitt vurdert å være ikke et kritisk råmaterial i EU (European Commission, 2014). Tantalum utvinnes i Brasil, Australia og flere sentral-afrikanske land og det nevnes fremfor alt Rwanda, Kongo, Nigeria og Mosambik. Store reserver av tantalum er antatt å kunne være tilgjengelig i framtiden og ligger i Australia og Brazil. 

Sjeldne jordartsmetaller (REE): lantanider, yttrium (Y) og scandium (Sc)

Elektronmikroskopbilde av REE-førende monazitt (mnz) mellom kvartskorn (qtz). Monazitt er et REE-førende fosfat som kan opptre i små mengder i mange bergarter, og er en av de mineralene med størst økonomisk interesse.
Elektronmikroskopbilde av REE-førende monazitt (mnz) mellom kvartskorn (qtz). Monazitt er et REE-førende fosfat som kan opptre i små mengder i mange bergarter, og er en av de mineralene med størst økonomisk interesse.

Metallene av de sjeldne jordartselementene (REE) brukes i bilkatalysatorer, metallurgisk industri, TV- og dataskjermer, permanente magneter, ulike lys og til oljeraffinering. Eksempelvis brukes terbium (Tb) i fosforlegeringer i lamper og skjermer, og blant annet sammen dysprosium (Dy) for å lage sterke og lette magneter som også beholder sine egenskaper under høye temperaturer. Disse magnetene brukes i både i hybridbilmotorer, vindturbiner og nedkjøling av kjernekraftreaktorer. Neodym (Nd) brukes blant annet i harddisker og hodetelefoner. Yttrium (Y) og europium (Eu) brukes blant annet for å generere rød farge i tv-skjermer/pc-skjermer. Ytterbium (Yb) brukes i solcelleindustrien. Scandium benyttes i legeringer med aluminium for å gi stor styrke, særlig til fly- og luftfart, samt til spesielle lyskilder. Produksjonen av scandiumoksid på verdensbasis er beskjeden, omkring 2000 kg/år. Scandium er produsert som biprodukt og det finnes ikke gruvedrift som er basert bare på Sc-utvinning.  

De vanligste REE-mineralene er bastnäsitt, monazitt og xenotim. Betydelige ressurser og reserver av de sjeldne jordartselementer finnes i forskjellige land; For eksempel var mer enn 500 REE prosjekter var i ulike stadier av leting og utvikling i 2012 (mining markets, 2012). Geologiske miljøer som kan være rike i REE er karbonatitter, alkalimagmatitter, elveavsetninger (placer-forekomster) og forvitringsavsetninger (residual-avsetninger). I Norge er REE-mineraler er kjent fra Fensfeltet, ulike bergarter i Oslo-feltet, flere apatitt-forekomster og pegmatitter. 

Thorium (Th)

Elektronmikroskopbilde av thorium-mineralet thoritt (thr) som også kan inneholde en betydelig andel uran. Før de store forekomstene av monazitt-sand i Brasil og andre steder i verden var thoritt den viktigste kilden for fremstilling av thoriumoksid og var etterspurt fra flere norske forekomster. Foto: Julian Schilling, NGU.
Elektronmikroskopbilde av thorium-mineralet thoritt (thr) som også kan inneholde en betydelig andel uran. Før de store forekomstene av monazitt-sand i Brasil og andre steder i verden var thoritt den viktigste kilden for fremstilling av thoriumoksid og var etterspurt fra flere norske forekomster. Foto: Julian Schilling, NGU.

Thorium har blitt brukt til glødetråder i gasslamper og som belegg på ledninger i elektriske apparater. De fleste bruksområdene har sammenheng med høy smeltetemperatur. Sammen med zirkonium brukes thorium også til høytemperatur-keramikk, katalysatorer og sveiseelektroder. I prosesseringssammenheng anses thoriumets radioaktive stråling som en negativ egenskap, men det er nettopp strålingsegenskapene som gjør thorium aktuell for energiframstilling i kjernekraftverk. 

Jordskorpa inneholder i gjennomsnitt 10-12 gram thorium per tonn bergart. Thorium kan både sitte i gitteret til mer vanlige mineraler og opptre i komplekse mineraler sammensatt av flere forskjellige grunnstoffer; både i oksider, silikater, karbonater, osv. De andre metallene i disse mineralene er ofte sjeldne jordartselementer (REE), uran, yttrium og niob. Innholdet av uran og thorium i mineralene gjør at strukturen i mineralet er ødelagt av den radioaktive strålingen i en prosess som kalles metamiktisering.

Det har ikke vært noen systematiske prospekteringskampanjer etter thorium i Norge. Man vet likevel en del om grunnstoffet fordi det ofte er korrelert med uran og i noen tilfeller med sjeldne jordarter (REE) som det er lett etter i Norge. Fra disse arbeidene sitter NGU inne med store mengder data, både geologiske, geofysiske og geokjemiske (analyse av thorium i fast fjell og forskjellige typer løsmasser). Dataene kan utnyttes og bearbeides til bruk spesifikt for thorium-prospektering.

Alt i 1894-1895 var thorium et "hot" mineral. Det var ettertraktet til bruk i glødelamper og gassbrennere som thoriumoksid på grunn av sitt hvite lys, og ble håndplukket fra pegmatitter i Langsundsområdet. Prisen lå den gang på 500 kr/kg (til sammenligning er dagens priser på pukk bulkvare gjennomsnittlig ca 50 kr/tonn). Da man fant ut at thorium også finnes i tungmineralet monazitt falt markedet ut for thorium-mineraler i Norge og interessen tok seg ikke opp igjen før det nylig ble i vinden i forbindelse med mulig utnyttelse for kjernekraft.

Fensfeltet er godt kjent geologisk sett og gjelder som en viktig Th-forekomst men arbeid for å fremstille et konsentrat for sjeldne jordarter fra Fensfeltet utført rundt 1970 var mislykket. REE-mineralene var så finkornige i bergarten at man kun greide å utvinne ca 50%, noe som gjorde mineraliseringen uøkonomisk. Om det samme gjelder for Th-førende mineraler er ikke kjent. Ved Sæteråsen i Hedrum kommune nord for Larvik er det boret etter zirkonium (Zr), Nb og REE. Alle prøvene er også analysert for thorium, og det er påvist et volum på 8 millioner tonn som i tillegg til de andre metallene også inneholder 0,05 % Th. Fensfeltet og Sæteråsen er trolig to av de ressursene som har størst potensiale.

Ellers finnes mineraliseringer med Th-holdige mineraler i Finnmark (Seiland og Stjernøy), Troms (Nabar-området og Kvænangen), Nordland (Høgtuva), Trøndelag (Blåfjellhatten og langs Møre-Trøndelagsforkastningen) og i Telemark (Bamble).

Uran (U)

Anriket (oppkonsentrert) uran er det eneste brenselet som i dag brukes ved kjernekraftproduksjon, til skjerming av høyaktivt brensel i reaktorer og til militære formål som høytetthetsprosjektiler.

Jordskorpa inneholder i gjennomsnitt 3-4 gram uran per tonn bergart. Uran inngår i mange bergarter, men det er vanligst å finne konsentrasjoner av uranmineraler i pegmatitter og umetamorfe sedimenter. Fordi uran er et av de mest mobile elementene under oksiderende forhold, vil det løses i vann under oksygen-rike forhold som framhersker under de meste forhold på jordens overflate. Flere av verdens viktigste uranressurser sitter derfor i ganger og porøse sandsteiner hvor uran er felt ut fra vandige løsninger.
 
Kartlegging av uran i Norge ble utført av NGU på 1950- og 60-tallet, samt over en tiårsperiode fra midten av 1970-tallet. Undersøkelsene i den siste perioden ble startet på bakgrunn av et ønske om økt kunnskap om potensielle ressurser under Den kalde krigen som gjelder som en periode hvor de globale ressursene var begrenset.

Norske forekomster av uran har aldri vært drivverdige på grunn av lave markedspriser og miljøhensyn, men de er kartlagt av hensyn til risiko for helse og miljø. I Norge finnes uran først og fremst i pegmatitter. Disse er knyttet dels til alkaline komplekser som rundt Langesundsfjorden, Sæteråsen nord for Larvik og ved Høgtuva i Nordland og dels til granittiske pegmatitter som man finner i grunnfjellsgneiser, blant annet i Iddefjord-området. Uran-mineraliseringer finnes også i granitter i de nordlige delene av Nordland, i karbonatitter (Fensfeltet i Telemark) og i enkelte metamorfe bergarter i Nordland, Troms og Finnmark. 

LFSE/LILE

Litium (Li)

Litiumkarbonat, og -silikat anvendes i produksjon av glass og keramikk for å senke smeltepunktet. Dessuten brukes litiumkarbonat i fremstillingen av aluminium, litium-kjemikalier som inngår i et stort spekter av produkter, inkludert forskjellige typer av litium-batterier. Metallisk litium anvendes i fremstilling av aluminium-litium og magnesium-litium-legeringer som er meget lette og egnet til bruk i flyindustrien.

I naturen danner litium en rekke mineraler som gjerne er konsentrert i granittiske pegmatitter. Disse representerer grovkornete magmatiske bergarter med opp til flere meter store krystaller av feltspat (60-70 %) sammenkittet av kvarts (30-40 %). I Li-rike pegmatitter opptrer de gjerne i kvartsmassen som fargeløse, hvite og lys grå Li-silikat-mineraler slik som petalitt (Li-fyllosilikat) og spodumen (Li-pyroksen), samt lilla til fiolett lepidolitt (Li-fyllosilikat). I noen pegmatitter finnes Li-mineralene også i form av hvite og grå fosfater som amblygonitt og montebrasitt. Litium finnes også oppkonsentrert i saltvann i forbindelse med varme kilder som på Island, i oljereservoarer i Texas og i tilknytning til saltsjøer i Chile, Argentina og Nevada i USA. I saltsjøene som innholder det mest litium-rike saltvannet, kan et tonn saltlake inneholde mellom 100 gram og 5 kilogram med litium.

Litium-førende spodumen (til venstre) og lepidolitt (til høyre) som brukes i Li-ion-batterier. Foto: Solveig Hegstad Sørensen, NGU.
Litium-førende spodumen (til venstre) og lepidolitt (til høyre) som brukes i Li-ion-batterier. Foto: Solveig Hegstad Sørensen, NGU.

Den største delen av Li-utvinning kommer fra saltsjøer i form av litiumkarbonat. Chile er ikke bare en av de viktigste produsentland av litium, men også det landet med størst reserver. Spodumen (4-7 % LiO2) og petalitt (3,5-4 % LiO2) i pegmatitter var tidligere ansett å være en av de viktigste kildene til litium, men har etter hvert fått mindre betydning.

Cesium (Cs)

Cesium (Cs) blir brukt i forskjellige forbindelser og spiller en viktig rolle i utstyr tiltelekommunikasjon, posisjonerings og medisin. Det viktigste Cs-mineralet er pollusitt som krystalliserer fra Cs-rike granittiske pegmatitter. Verdens produksjon er dominert av eksport fra Kanada og Zimbabwe. I disse to landene finnes også de største kjente reserver av Cs. Cesium-forekomster er per i dag (2014) ikke kjent i Norge.

Rubidium (Rb)

Rubidium er av økonomisk betydning med henhold til medisinisk, elektronisk og pyroteknisk anvendelser. I tillegg brukes Rb for produksjon av spesielle typer glasskeramikk. Rubidium-isotoper brukes også til geologisk aldersdatering av bergarter.
Kanada er hovedprodusent på verdensbasis. Det er ingen kjente rubidiumforekomster i Norge.

Beryllium (Be)

Beryllium er et lettmetall som brukes i legeringer med kobber for å gi gode ledende egenskaper, styrke og hardhet. Metallisk Be benyttes i raketter og romindustri. Beryllium utvinnes i hovedsak ved prosessering av mineralene bertranditt og små mengder beryll. I den viktigste typen av Be-forekomster finnes finkornet bertranditt i omvandlete tuffer på Spor mountain (USA). Beryll utvinnes også fra granittiske pegmatitter.

Den mest kjente forekomsten i Norge er Høgtuva ved Mo i Rana. Den ble undersøkt og kjerneboret av NGU på 1980-tallet. Be-mineralene finnes blant annet i flusspatrik gneis og aplitt og pegmatitt. Malmberegning med cut off-innhold på 0,1 % Be og -mektighet på 1,5m gir 350 000 tonn med gjennomsnittsinnhold på 0,18 % Be. Beryllium-innholdet er i hovedsak bundet i mineralet fenakitt, samt med mindre mengder i gadolinitt, genthelvitt og høgtuvaitt. Forekomsten er også anriket på en rekke andre inkompatible elementer.

Verdensproduksjonen av Be i 2013 var 240 tonn, med USA og Kina som de viktigste produsentlandene. USAs beryllium-reserver er antatt å være 52 000 tonn, noe som gjør USA til det landet med de største Be-reservene i verden.