Les terres rares

1. Les terres rares

Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le scandium Sc, l'yttrium Y, et les quinze lanthanides. Ces métaux rares sont, contrairement à ce que suggère leur appellation, assez répandus dans l'écorce terrestre, à l'égal des métaux usuels (l'abondance du cérium est de 60 ppm même ordre que celle du cuivre, tandis que celle du thallium et du lutécium n'est que de 0,5 ppm). Sous forme élémentaire, les terres rares ont un aspect métallique et sont assez tendres, malléables et ductiles. Ces éléments sont aussi assez réactifs, surtout à températures élevées ou lorsqu'ils sont finement divisés.

Leurs propriétés électromagnétiques proviennent de leur configuration électronique avec remplissage de la sous-couche 4f, à l'origine du phénomène appelé contraction lanthanidique.

Il faut attendre le projet Manhattan dans les années 1940 pour que les terres rares soient purifiées à un niveau industriel et les années 1970 pour que l’une d'elles, l'yttrium, trouve une application de masse dans la fabrication de luminophores des tubes cathodiques utilisés dans la télévision couleur. Du point de vue de l'économie mondiale, les terres rares font désormais partie des métaux stratégiques.

1. Premières découvertes et appellation

L'aventure débute en 1787, lorsqu'un minéralogiste amateur suédois, lieutenant d'artillerie de son état, Carl Axel Arrhenius, visite les carrières de feldspath d'Ytterby et y découvre un minéral noir qu'il nomme « ytterbite » : un nouvel oxyde est alors identifié qui prendra le nom d'yttria et yttrium pour l'élément qui lui correspond[1]. En 1803, le cérium est identifié indépendamment en Allemagne par Martin Heinrich Klaproth et en Suède par Jöns Jacob Berzelius et Wilhelm Hisinger[2].

Leur nom de terres rares vient du fait qu'on les a découverts à la fin du XVIIIe siècle et au début du XIXe siècle dans des minerais (d'où le nom de « terres », utilisé à l'époque en français, langue des échanges internationaux, pour les oxydes réfractaires au feu) peu courants à cette époque et à l'exploitation commerciale rendue compliquée par le fait que ces minerais étaient éparpillés et les terres difficiles à séparer les unes des autres : terres rares signifiait donc « minerais rares »[3]. Cependant, en raison de leurs propriétés géochimiques, ils sont répartis très inégalement à la surface de la Terre, le plus souvent en deçà des concentrations rendant leur exploitation minière économiquement viable.

Ayant tous les mêmes propriétés chimiques, la difficulté à l'origine est de les extraire du même minerai. Les techniques de séparation par cristallisation fractionnée sont développées par Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran ou Georges Urbain au début du XIXe siècle[4]. La chimie des terres rares est depuis une tradition française : au niveau recherche, un laboratoire des terres rares est fondé par Urbain dans les années 1930 à l'ENSCP et repris par deux de ses anciens élèves Paul Job et Félix Trombe puis un deuxième laboratoire à l'ESPCI, repris et dirigé par un de ses élèves Georges Champetier ; au niveau industriel, l'usine de La Rochelle du groupe Rhodia fut la plus grande usine de séparation des terres rares[5].

1. Occurrence naturelle

1. Minerais

Deux minéraux représentent l'essentiel des réserves mondiales de terres rares :

•        la bastnäsite (Ce,La,Y)CO3F, essentiellement en Chine et aux États-Unis ;

•        la monazite, essentiellement en Australie, au Brésil, en Chine, en Inde, en Malaisie, en Afrique du Sud, au Sri Lanka, en Thaïlande et aux États-Unis, déclinée en quatre variétés selon leur composition chimique (les éléments indiqués entre parenthèses le sont par concentration décroissante) : « monazite-Ce » (Ce,La,Pr,Nd,Th,Y)PO4,

1. Gisements et production

Utilisées depuis longtemps dans les pierres à briquet (travaux de Carl Auer von Welsbach sur un alliage de terres rares, le mischmétal), les terres rares sont difficiles à extraire et doivent attendre le projet Manhattan pour être produites en grande quantité, le chimiste canadien Frank Spedding (en) mettant au point des techniques de séparation par échange d'ions sur résines qui permettent d’obtenir des terres rares à l’état pur[6].

En raison de leurs usages multiples, souvent dans des domaines de haute technologie revêtant une dimension stratégique, les terres rares font l'objet d'une communication restreinte de la part des États, de sorte que les statistiques macroéconomiques à leur sujet demeurent très lacunaires. Les réserves mondiales en oxydes de terres rares étaient estimées par l'USGS (USA) à 110 millions de tonnes fin 2010[7] détenues à 50 % par la Chine, devant la Communauté des États indépendants (17 %), les États-Unis (12 %) et l'Inde (2,8 %). La Chine estime quant à elle détenir seulement 30 % des réserves mondiales de terres rares, bien qu'elle fournisse 90 % des besoins de l'industrie et se penche sur les techniques de recyclage de ces terres rares dans les déchets électroniques[8]. La production mondiale d'oxydes de terres rares de la Chine s'est élevée à environ 130 000 tonnes en 2010, constituant un quasi-monopole mondial (l'Inde, deuxième producteur « déclaré », n'en aurait extrait que 2 700 tonnes), mais la production de la CEI, des États-Unis et de la plupart des autres producteurs mineurs (qui cumuleraient tout de même un cinquième des réserves mondiales) n'est pas communiquée[7].

1. Potentiel de réserve

En juillet 2011, une équipe de scientifiques japonais indique avoir trouvé une nouvelle réserve de terres rares dans les eaux internationales du Pacifique[9]. Ce même groupe indique que cela peut porter le niveau réserve connue actuelle à environ 100 milliards de tonnes.

Cette même source indique que les réserves sont réparties sur 78 sites à des profondeurs de 3 500 à 6 000 mètres[10]. Même si cette découverte est intéressante étant donné la demande grandissante de ces matériaux, son extraction pose des problèmes environnementaux importants[11]. Une première expédition pour étudier les fonds marins de l'île Minamitori a été menée par la JAMSTEC (en) en juin 2012, et une seconde en janvier 2013[12]. Les chercheurs révèlent en mars que des échantillons de boues prélevés à 5 800 mètres de profondeur présentent une concentration de terres rares vingt à trente fois plus forte que dans les mines chinoises[13].

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