Les terres rares, ou lanthanides, constituent un groupe d'éléments dont les propriétés chimiques sont remarquablement proches. Souvent désignées, à tort, comme "rares", ces substances métalliques sont en réalité abondantes dans l'écorce terrestre, mais leur concentration est rarement suffisante pour une extraction économique. Leur importance stratégique est aujourd'hui incontournable, étant l'épine dorsale de nombreuses technologies de pointe qui promettent de rendre notre monde plus intelligent et plus durable. Toutefois, l'extraction et le traitement de ces éléments soulèvent des défis majeurs, tant techniques qu'environnementaux et géopolitiques, poussant à explorer de nouvelles frontières, y compris les fonds marins.
Composition et Propriétés Physico-Chimiques des Terres Rares
Les terres rares représentent le groupe des lanthanides, des éléments dont les numéros atomiques sont compris entre 57 et 71, allant du lanthane au lutécium. À ce groupe s'ajoutent l'yttrium (Y) et le scandium (Sc), en raison de leurs propriétés chimiques voisines, partageant la même colonne de la classification périodique. Au total, ce sont 17 éléments métalliques qui composent cette famille. Malgré leur nom trompeur, ces éléments ne sont pas rares en quantité. Le cérium, le plus abondant, est par exemple plus répandu dans l’écorce terrestre que le cuivre. Le thulium, considéré comme le plus rare, est tout de même quatre fois plus abondant que l'argent. Le prométhium (Pm) est l'exception, étant radioactif avec une période de 2,62 ans pour le 147Pm, et n'existe pas à l'état naturel.
La difficulté principale, et ce qui a initialement conduit à leur appellation de "rares", réside dans leur faible concentration et la complexité de leur séparation. Leurs propriétés chimiques sont si similaires que les données industrielles sont souvent regroupées sous l'appellation "produit terres rares" plutôt que détaillées par élément. À l'état pur, les lanthanides, l'yttrium et le scandium se présentent sous forme de métaux gris-acier, à l'exception de l'europium et de l'ytterbium qui affichent une tendance jaune pâle. Sur le plan physico-chimique, ces éléments ne possèdent généralement qu'un seul nombre d'oxydation (III), bien que certains puissent en présenter deux différents : III et IV pour le cérium, le praséodyme et le terbium, ou II et III pour l'europium, le samarium et l'ytterbium. Cette similarité dans les propriétés est précisément ce qui rend leur séparation individuelle ardue, exigeant des traitements à haute intensité.
Le Rôle Indispensable des Terres Rares dans la Technologie Moderne
Les éléments de terres rares sont essentiels à la fabrication de nombreuses technologies avancées et sont au cœur des progrès techniques et de la transition énergétique. Leur demande connaît une hausse relativement importante à l'avenir, dans des proportions variables, comme l'indiquent les articles scientifiques sur les scénarios.
Applications haute technologie et aimants permanents :Le néodyme (Nd) et le praséodyme (Pr) sont fondamentaux pour les aimants permanents de haute performance, notamment dans les moteurs d'avion. Le dysprosium (Dy) est crucial pour les aimants résistants à la chaleur utilisés dans les moteurs de véhicules électriques hybrides. Le samarium (Sm) est aussi employé pour les aimants dans des applications à haute température. Ces aimants réduisent le volume et le poids des moteurs et générateurs électriques, un avantage considérable pour de nombreux secteurs. La consommation de terres rares dans le secteur de la production d'énergies renouvelables réside essentiellement dans l'utilisation d'aimants permanents pour l'éolien en mer, bien que des solutions sans aimants permanents existent, telles que les génératrices asynchrones ou synchrones sans aimant permanent. L'Agence internationale de l'énergie prévoit que la demande de néodyme à elle seule pourrait augmenter de plus de 600 % dans la production d'énergie à faible émission de carbone et de véhicules électriques, passant de 4 900 tonnes en 2020 à 37 700 tonnes en 2040.
Éclairage et affichages :L'europium (Eu) est utilisé pour les phosphores rouges dans les LED et écrans, tandis que le terbium (Tb) l'est pour les phosphores verts dans les écrans et les lumières fluorescentes. L'yttrium (Y) est également présent dans les LEDs et les céramiques.
Métallurgie et alliages :Le cérium (Ce) trouve son utilité dans les alliages d'acier et le polissage des verres. Le mischmétal, un alliage de terres cériques (généralement lanthane, cérium, néodyme, praséodyme), est obtenu par électrolyse en sel fondu et est utilisé dans la métallurgie pour désoxyder et désulfurer l'acier. Les terres rares, étant très réductrices, sont pyrophoriques, ce qui est exploité dans les pierres à briquet en ferrocérium (mischmétal avec 25 à 30 % de fer). L'ajout de mischmétal ou de son siliciure, à des teneurs de 0,1 à 0,2 %, permet également la sphéroïsation du graphite dans la fonte nodulaire. Le scandium (Sc) est utilisé dans les alliages légers pour l'aérospatiale.
Technologies vertes :Outre les éoliennes et les véhicules électriques, le lanthane (La) et le cérium (Ce) sont des catalyseurs dans le raffinage du pétrole. Les piles à combustible intègrent également le scandium.
Applications nucléaires et médicales :Le gadolinium (Gd) est un agent de contraste en IRM et est utilisé dans les barres de contrôle nucléaire. Le lutétium (Lu) est employé dans le traitement du cancer par radiothérapie, et le prométhium (Pm), bien que très rare, a des applications dans les batteries nucléaires.
Principaux Gisements Terrestres et Méthodes d'Extraction
L'extraction des terres rares est un processus complexe dépendant fortement de la nature géologique des gisements. On trouve ces éléments dans divers minerais, chacun présentant des défis et des compositions spécifiques.
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Diversité des Minerais de Terres Rares
- Bastnaésite : C'est un fluorocarbonate, (TR)FCO3, qui se caractérise par une forte teneur en terres cériques et, relativement, en europium. Le gisement de Bayan Obo en Chine, le plus important au monde, exploité à ciel ouvert, en est un exemple majeur.
- Monazite : Il s'agit d'un orthophosphate de terres rares et de thorium, (TR,Th)PO4, et c'est aussi le principal minerai de thorium. La monazite est souvent un sous-produit du traitement de l'ilménite, exploitée dans les sables de plages en Australie, en Inde, au Brésil et en Malaisie.
- Xénotime : Un orthophosphate de terres yttriques, le xénotime contient environ 55 % d'oxydes de terres rares. En Malaisie, il est un sous-produit du traitement de la cassitérite (minerai d'étain). Les gisements de ce type sont particulièrement riches en dysprosium.
- Loparite : C'est un niobiotitanate de terres rares trouvé en Russie, dans la péninsule de Kola. Le minerai exploité renferme de 28 à 30 % d'oxydes de terres rares, principalement cériques, ainsi que du dioxyde de titane, de l'oxyde de niobium et de l'oxyde de tantale.
- Argiles ioniques : Ces minerais, exploités dans le sud-est de la Chine (Ganzhou, Xunwu, Longnan dans le Jiangxi, Caowu dans le Guangdong, Hezhou dans le Guangxi, Jianghua dans le Hunan), contiennent de 0,05 à 0,33 % d'oxydes de terres rares sous forme d'ions adsorbés. Elles sont la principale source mondiale de terres yttriques, avec environ 95 % de la production mondiale. Elles sont souvent exploitées de façon artisanale et représentent une source significative de la production chinoise illégale.
- Minerais phosphatés : L'apatite de Kola, en Russie, contient environ 1 % de terres rares qui sont récupérées lors de sa transformation en engrais phosphaté.
- Lujavrite : Une variété de syénite néphélinique, cette roche, un silicoaluminate sans quartz, est enrichie en divers éléments, y compris des terres rares. Elle est présente dans le gisement de Kvanefjeld au Groenland.
Panorama des Exploitations Minières Mondiales
La production minière de terres rares est dominée par quelques acteurs et gisements clés.
Chine : La Chine est de loin le plus grand producteur mondial d'éléments de terres rares, représentant près de 70 % de la production mondiale en 2024. Le principal gisement chinois est celui de Bayan Obo, en Mongolie Intérieure, qui fournit environ 55 % de la production chinoise. Il renferme de la bastnaésite et de la monazite, associées à des oxydes de fer, de niobium et de thorium. Après broyage, le minerai subit une flottation primaire pour récupérer des oxydes de fer et des minéraux silicatés. Le résidu est ensuite traité par une deuxième flottation, suivie d'une séparation magnétique et gravimétrique pour produire des concentrés de bastnaésite (68 % d'oxydes de terres rares) et de monazite (36 % d'oxydes de terres rares). 35 % de la production chinoise provient de la province du Sichuan, et 10 % de l'extraction dans les argiles ioniques. Les quotas de production en 2023 étaient de 220 850 t pour les terres légères et de 19 150 t pour les terres lourdes, issues des minerais ioniques. La production chinoise illégale, estimée entre 45 000 et 95 000 t en 2016, principalement dans le sud du pays, a depuis diminué d'environ de moitié. Les principales sociétés chinoises sont China Northern Rare Earth, China Rare Earth Group et Shenghe Resources.
États-Unis : Le gisement de Mountain Pass en Californie est exploité depuis 1952. Avant le développement de la production chinoise dans les années 1990, c'était la principale source mondiale. Après une interruption due à la concurrence chinoise et à des pollutions, la production a repris en 2011, puis en 2018 sous la société MP Mine Operations. Les réserves prouvées et probables s'élèvent à 26,9 millions de tonnes de minerai contenant 5,97 % d'oxydes de terres rares. Le minerai, d'une teneur initiale de 7 à 10 %, est enrichi à environ 60 % par flottation. Une purification sur place par lixiviation à l'acide chlorhydrique élimine les éléments alcalino-terreux, aboutissant à un concentré à 70 % d'oxydes de terres rares, expédié en Chine pour traitement. Une calcination peut augmenter cette teneur à 90 %. En 2024, la production y a atteint 45 455 t d'oxydes de terres rares, incluant 1 294 t d'oxyde de néodyme-praséodyme.
Australie : Le gisement de Mount Weld, en Australie Occidentale, est exploité depuis 2011 par Lynas Corp. Ce gisement, d'un diamètre de 3 km, résulte d'une activité volcanique avec intrusion de carbonatite. L'exploitation est à ciel ouvert jusqu'à 51 m de profondeur, avec une capacité de production de 66 000 t/an de concentrés, soit 26 500 t/an d'oxydes de terres rares. En 2021-22, la production a été de 15 970 t d'oxydes de terres rares, dont 5 880 t d'oxyde de Nd/Pr. Les réserves sont de 18,6 millions de tonnes à 8,2 % d'oxydes de terres rares, avec une composition de 47 % de cérium, 24 % de néodyme et praséodyme, et 24 % de lanthane. La société Iluka développe également la production de monazite à Eneabba, en Australie de l'Ouest, avec une production de 57 700 t en 2021 et un projet de raffinerie pour 2025. Le projet Dubbo, en Nouvelle-Galles du Sud, développé par Australian Strategic Materials (ASM), vise la production de zirconium, hafnium, niobium, tantale, yttrium et terres rares associées à de la bastnaésite. Les réserves prouvées et probables sont de 18,9 millions de tonnes de minerai. La mine de Browns Range, en Australie Occidentale, exploitée par Northern Minerals, a commencé son exploitation pilote en 2018 pour le xénotime, particulièrement riche en dysprosium.
Russie : Solikamsk Magnesium Works exploite un gisement de loparite dans la péninsule de Kola. En 2019, la production y a été de 2 620 t d'oxydes de terres rares. Les concentrés, titrant environ 32 % de terres rares cériques, sont traités sur place ou exportés, notamment à Sillamäe en Estonie.
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Groenland : Le gisement de Kvanefjeld, au sud du Groenland, avec des réserves prouvées et probables de 108 millions de tonnes de minerai, est en cours de préparation d'exploitation par Energy Transition Minerals (ex-Greenland Minerals), une coentreprise pilotée par le groupe chinois Shenghe Resources.
Burundi : La mine de Gakara, dans l'ouest du Burundi, est à l'étude par Rainbow Rare Earths, avec une production prévue de 6 000 t/an de concentrés à plein régime.
Autres pays : À Madagascar, un gisement d'argiles ioniques commence à être exploité à Ampasindava. En Inde, Indian Rare Earths Lts (IREL) extrait de la monazite des sables côtiers. En Birmanie, la production de terres rares lourdes issues de minerais ioniques est réalisée au nord du pays, principalement dans l’État de Kachin.
Défis et Complexités de l'Analyse et du Traitement des Terres Rares
L'extraction des terres rares est intrinsèquement liée à des défis d'analyse et de traitement complexes, principalement en raison de leur nature géochimique. Une caractérisation élémentaire efficace est essentielle à chaque étape, de l'exploration à la purification finale.
Défis analytiques :La diversité géologique des gisements de terres rares (des sables de plage comme au Kerala, Inde, aux dépôts d'argile comme au Guangxi, Chine) implique qu'il n'existe pas de flux de travail d'analyse universel. De plus, la similarité élémentaire des terres rares est un obstacle majeur : elles se trouvent fréquemment ensemble et souvent en très faibles concentrations. Cela rend leur analyse difficile avec des techniques conventionnelles comme la fluorescence X (XRF), où les chevauchements spectraux peuvent masquer les résultats. Des XRF à haute puissance sont nécessaires pour une analyse claire. La complexité et les infrastructures étendues requises pour la caractérisation des éléments de terres rares entraînent souvent des méthodes d'analyse longues et éloignées des sites d'extraction, prolongeant le délai de rétroaction pour l'optimisation des processus. En outre, certains éléments étant radioactifs, et les traitements nécessitant des intensités élevées, des risques pour la sécurité des opérateurs existent.
Méthodes d'analyse spécifiques :* Exploration : Des instruments XRF portables à haute puissance, comme le PowerHouse de SciAps, sont conçus spécifiquement pour l'exploration des éléments de terres rares. Ils offrent un tube à rayons X miniature de 80 kV, la capacité de mesurer les terres rares légères et lourdes, ainsi que 25 autres éléments importants, avec une connexion cloud et une autonomie de plus de six heures.
- Extraction : Une analyse en ligne est cruciale au point d'extraction pour comprendre la composition globale des minerais et ajuster les étapes de processus. Des analyseurs sur bande transversale, tels que les CNA Pentos ou CNA3, utilisent l'activation neutronique rapide et thermique pulsée (PFTNA) pour une analyse à haute fréquence du volume de la matière première, offrant des informations instantanées sans que les opérateurs n'aient à s'approcher de matériaux potentiellement dangereux.
- Traitement : Pour la séparation et la purification intensives, une analyse fréquente, voire en temps réel, est nécessaire. L'Epsilon Xflow, un analyseur EDXRF (XRF à dispersion d'énergie) en ligne, peut surveiller en continu les solutions de lixiviation. Le Zetium, un instrument WDXRF (XRF à dispersion de longueur d'onde), permet une analyse multi-élémentaire très précise pour le contrôle qualité final des concentrés. Enfin, le système compact de diffraction des rayons X (DRX) Aeris est utile pour surveiller les changements minéralogiques pendant l'enrichissement (lixiviation chimique, flottation).
Impacts Environnementaux de l'Extraction des Terres Rares : Un Enjeu Mondial
L'extraction des terres rares, comme toute activité minière et de transformation métallurgique, entraîne des impacts environnementaux significatifs. Ces impacts incluent la modification des paysages, des sols et du régime hydrographique local, mais ils diffèrent grandement selon les types de gisement et les procédés employés.
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La spécificité environnementale des terres rares par rapport à d'autres métaux réside dans la présence fréquente de thorium et d'uranium dans les gisements dits « de roches ». Ces éléments radioactifs induisent une pollution radioactive des rejets, un problème majeur. L'extraction d'une tonne de terres rares peut ainsi produire jusqu'à 1,4 tonne de déchets radioactifs. Par exemple, en Mongolie intérieure, les effluents toxiques sont stockés à Baotou dans un lac artificiel de 10 km³, dont les trop-pleins sont rejetés dans le fleuve Jaune, avec une radioactivité sur place double de celle de Tchernobyl. La dissolution du minerai dans des acides produit également des composés indésirables, comme le fluor, et les oxydes de terres rares sont ensuite extraits avec des solvants, contribuant à la pollution.
Ces impacts sont d'autant plus paradoxaux que ces minerais sont utilisés pour des technologies de transition énergétique, comme les batteries de voitures "propres", les éoliennes ou les panneaux photovoltaïques. La littérature scientifique s'intéresse à des procédés qui permettraient de réduire l'impact environnemental à moyen ou long terme, et à des procédés "zéro déchet", visant à valoriser l'ensemble des résidus miniers. Cependant, ni les procédés dits zéro déchet, ni ceux de réduction de l'impact environnemental ne sont encore développés à grande échelle. La question de l'impact environnemental est d'autant plus pressante que la demande de terres rares est en forte croissance, avec une doublement tous les six ans.
Au-delà des impacts directs sur l'environnement, la littérature en sciences humaines et sociales met en lumière le fait que très souvent, les populations locales, et parfois autochtones, sont peu associées à la prise de décision. Elles ne sont pas informées des extractions et ne bénéficient pas toujours de ces activités. Les recommandations appellent à envisager davantage les projets miniers comme des projets de territoires, intégrant véritablement les populations.
La Géopolitique des Terres Rares : Monopole et Recherche de Souveraineté
Le marché des terres rares est marqué par une forte concentration de la production entre les mains de la Chine, ce qui inquiète les autres puissances mondiales. La Chine assure actuellement plus de 95 % de l’extraction de terres rares sur la planète et représentait 70 % de l'extraction mondiale en 2023, avec environ 86 % de la production mondiale en 2017. Elle détiendrait 23% des ressources mondiales, avec son gisement de Bayan Obo qui concentre plus de 80 % des réserves chinoises et plus de 60 % des réserves mondiales. Ce quasi-monopole confère à la Chine un rôle stratégique dans l'approvisionnement mondial.
Cette domination s'explique non seulement par les ressources naturelles substantielles de la Chine, mais aussi par ses faibles coûts de main-d’œuvre, ses subventions gouvernementales et des politiques environnementales plus souples, qui compensent les coûts liés à l’extraction et au traitement des métaux des terres rares. Historiquement, ces coûts ont empêché d’autres pays de tirer pleinement parti de leurs propres réserves. Par exemple, bien que le Vietnam et le Brésil possèdent les deuxième et troisième plus grandes réserves mondiales (22 et 21 millions de tonnes respectivement), chacun ne produit qu'environ 1 000 tonnes de terres rares par an.
Face à cette dépendance, de nombreux organismes de réglementation dans le monde, notamment aux États-Unis et dans l'Union européenne, s’efforcent de réduire leur dépendance à la Chine en accélérant les projets d’extraction locale. Cette situation explique la multiplication des projets d'extraction en dehors de la Chine (au Canada, au Groenland, en Finlande…) et des projets de recyclage et de retraitement. La concentration de la production entre les mains de la Chine a soulevé des tensions géopolitiques, l'Union européenne, les États-Unis et le Japon ayant déposé plainte contre la Chine devant l'OMC en 2012, accusant Pékin de réduire l'offre à l'exportation pour faire grimper les prix et privilégier la consommation locale. Les terres rares sont devenues un enjeu de domination entre les États.
Stratégies pour une Gestion Durable des Terres Rares : Recyclage, Substitution et Économie Circulaire
Face aux enjeux environnementaux et géopolitiques, des solutions émergent pour renforcer la souveraineté et assurer un recours plus responsable aux terres rares.
Recyclage :Le recyclage est essentiel pour répondre aux besoins futurs en favorisant un usage plus responsable et en réduisant la dépendance aux pays étrangers. Les terres rares sont recyclables à l'infini sans perte de qualité. Cependant, le taux de recyclage mondial stagne à moins de 1 % depuis le début des années 2010 pour au moins la moitié de ces métaux. Plusieurs raisons expliquent cette situation :
- La proportion de terres rares dans les objets peut être très limitée. Il faudrait par exemple collecter deux millions de téléphones pour récupérer l'équivalent de la quantité de terres rares contenues dans une seule éolienne en mer.
- Certains dispositifs, comme les éoliennes, ont une longue durée de vie, ce qui retarde leur recyclage.
- La législation actuelle ne prévoit pas d'action spécifique pour ces métaux ; les terres rares sont "invisibles pour le droit du recyclage".
- Le frein économique est majeur : les terres rares se vendent à des prix très bas, ce qui n'incite pas à développer des filières de recyclage coûteuses en France ou en Europe.
Malgré ces obstacles, des filières de recyclage se développent, comme l'ancienne usine de séparation des terres rares à La Rochelle, transformée en usine de recyclage de lampes basse consommation.