Холодный огонь и редкие сокровища: как самый странный вулкан Земли помогает искать критически важные минералы

Самый странный вулкан в мире — это, вероятно, возвышающийся в Танзании Ол-Дойньо-Ленгаи, действующий пик, который извергает необычную низкотемпературную лаву, называемую карбонатитом. Карбонатиты более чем на 50% состоят из карбонатных минералов — тех же веществ, из которых образованы океанские рифы. У Ол-Дойньо-Ленгаи они являются ключевыми компонентами самой холодной лавы на планете.

Карбонатиты встречаются на всех континентах. Их возраст варьируется от современных (в Танзании) до древних — около 3 миллиардов лет (в Гренландии). Более того, они служат основным источником критически важных минералов.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, группа ученых под руководством Карла Спендлера из Университета Аделаиды (Австралия) выявила убедительную корреляцию между карбонатитами и определенными участками континентов Земли — теми, которые расположены вблизи древних зон субдукции.

Карбонатиты и критически важные минералы

В США федеральное правительство определяет критически важные минералы как те, которые необходимы для экономической или национальной безопасности страны. Их цепочки поставок должны быть уязвимы для таких потрясений, как резкий скачок спроса или зарубежные конфликты. Например, большая часть мирового тербия (используемого повсеместно — от гидроакустических систем военных кораблей до домашнего освещения) поступает из Китая.

Критические минералы могут быть как химическими элементами (например, тербий), так и минералами. Важные элементы варьируются от знакомых нам (литий для батарей) до таких, как празеодим (используется для создания высокопрочных магнитов). Празеодим — один из 17 редкоземельных элементов (тербий — другой), все они считаются критическими минералами. Редкоземельные элементы не так уж редки и часто (но не всегда) встречаются в карбонатитах.

«Если вы хотите найти породу, которая, вероятно, содержит редкоземельные элементы, карбонатит — хорошее место для начала», — говорит Кэтрин Гуденаф из Британской геологической службы, не участвовавшая в этом исследовании.

Удобрение мантии

Большая часть мантии Земли — это порода, оставшаяся после извлечения магмы, то есть обедненная мантия. Но карбонатиты должны происходить из совершенно противоположной мантии — из тех частей, которые были «удобрены» летучими веществами, содержащими микроэлементы, часто те самые критически важные минералы. Вопрос о том, как именно источник карбонатитов оказался обогащенным, до сих пор не имеет однозначного ответа.

Подобно тому, как сад можно удобрять разными способами — от синтетических смесей до совместного выращивания покровных культур, — мантия Земли может обогащаться множеством методов. Например, когда плита погружается под другую тектоническую плиту, вулканическая дуга обычно возникает над зоной, где погружающаяся плита достигает примерно 100 километров ниже поверхности Земли. Это приблизительная глубина, на которой плита высвобождает воду, вызывая плавление вышележащей плиты.

Но флюиды и расплавы могут продолжать выходить из погружающейся плиты далеко за пределы вулканической дуги. Там вышележащая плита почти всегда состоит из полного разреза литосферы: сверху коровая литосфера, снизу — мантийная. Флюиды и расплавы из нижележащей плиты, богатые галогенами, углекислым газом, фосфором и другими элементами, поднимаются в мантийную литосферу вышележащей плиты, изменяя породы в процессе, называемом метасоматозом.

Спендлер и его коллеги сосредоточились на проверке того, коррелирует ли этот первый метод обогащения — метасоматоз, вызванный субдукцией, — пространственно с карбонатитами и месторождениями редкоземельных элементов. И да, корреляция существует.

Удобренная мантийная литосфера

GPlates — это программное обеспечение, позволяющее пользователям «отматывать назад» движения тектонических плит и изучать, как континенты меняли свое положение за последние 2 миллиарда лет. Используя GPlates, соавторы Спендлера нанесли на карту 43 полигона, обозначающие зоны субдукции, длившиеся 100 миллионов лет и более. Авторы предполагают, что эти полигоны отмечают местоположения обогащенной мантийной литосферы (FML). Считается, что эти зоны содержат то самое «ценное» — интересующие нас критически важные минералы.

Спендлер и его коллеги сравнили расположение карбонатитов и редкоземельных элементов с этими полигонами. Они обнаружили, что 67% карбонатитов и 72% месторождений редкоземельных руд находятся внутри этих полигонов. Эта корреляция, хотя и не идеальная, позволяет предположить, что мантийная литосфера, обогащенная субдукцией, может служить источником многих из этих любопытных и ценных месторождений.

«Если бы корреляция была 100%, я бы сам в это не поверил, потому что геология так не работает», — сказал Спендлер.

Двухступенчатый процесс

Спендлер и его коллеги утверждают, что карбонатиты образуются в два этапа. Он подчеркнул, что новая статья фокусируется на первом этапе — процессе, который привел к обогащению будущих источников карбонатитов и месторождений редкоземельных элементов. Второй этап (триггер) генерирует саму богатую карбонатами магму. Именно это событие обеспечивает тепло, вызывающее плавление мантии, объясняет Ричард Эрнст.

«Триггером может быть почти что угодно», — говорит Спендлер, поскольку литосфере нужен лишь небольшой толчок для плавления. Мантийный плюм может нарушить структуру литосферы, вызвав карбонатитовый магматизм, но то же самое может сделать и континентальный рифт. И действительно, Ол-Дойньо-Ленгаи — одна из гор, возвышающихся над Восточно-Африканской рифтовой долиной (которую некоторые ученые также считают расположенной над плюмом).

Предыдущие исследования Эрнста рассматривали вопрос о том, могут ли плюмы обеспечить хотя бы часть источника для некоторых карбонатитов, сопоставляя возраст месторождений с возрастом близлежащих крупных изверженных провинций. В той работе Эрнст и его коллега обнаружили, что возраст крупных изверженных провинций коррелирует с возрастом близлежащих карбонатитовых месторождений. Там, где возраст карбонатитов совпадает с возрастом близлежащих базальтов из крупных изверженных провинций, Спендлер предполагает, что «это может быть просто механизмом триггера».

Проблемы плюмовой гипотезы

Для некоторых карбонатитов существует временной разрыв между обогащением мантии и внедрением магм, объясняет Гуденаф. «Мы можем проследить это в нескольких разных местах», — говорит она. Это наблюдение подтверждает двухступенчатый процесс, описанный выше, в отличие от модели, где плюмы управляют всей последовательностью событий.

Другая проблема связывания образования карбонатитов исключительно с плюмами, говорит Гуденаф, заключается в том, что карбонатиты требуют прохладных условий, приводящих к относительно небольшому плавлению мантии. Плюмы же и создаваемые ими крупные изверженные провинции — горячие и масштабные. Сторонники плюмовой гипотезы возражают, что карбонатиты часто встречаются по краям крупных изверженных провинций, вдали от самых горячих зон.

Эрнст, однако, отмечает, что хотя Спендлер и его коллеги привели пространственные аргументы в пользу субдукции, «они не привели изотопных аргументов, требующих механизма субдукционной зоны для источника». Это создает проверяемую гипотезу для будущих исследований.

Что же всё это означает для реального мира? Открытие, сделанное Спендлером и его командой, — это не просто академическое упражнение в тектонике плит. Оно предоставляет геологам-разведчикам практическую карту: если вы ищете новые месторождения редкоземельных элементов или других критически важных минералов (необходимых, напомним, для производства электромобилей, ветряков, смартфонов и оборонных систем), вам в первую очередь стоит смотреть на древние зоны субдукции, где мантийная литосфера была «удобрена» миллиарды лет назад.

Это исследование также наглядно демонстрирует, как в современной науке о Земле сталкиваются разные парадигмы. Спор между «плюмовиками» и «субдукционщиками» длится десятилетиями, и карбонатиты оказались идеальным полем битвы. Сторонники плюмов видят в этих породах следы глубоких мантийных струй, несущих редкие элементы из самого сердца планеты. Спендлер же предлагает более элегантную (и, судя по данным, более распространенную) модель: субдуцирующая океаническая плита «удобряет» нижнюю часть континентальной литосферы, как садовник вносит удобрения в почву. А затем уже любой горячий триггер — будь то плюм, рифт или даже просто локальный перепад давления — выплавляет из этой обогащенной «почвы» карбонатитовую магму.

Самый важный вывод для будущего: модель FML (обогащенной мантийной литосферы) превращается в мощный прогностический инструмент. В эпоху, когда мир отчаянно нуждается в редкоземельных элементах для «зеленого перехода», а их цепочки поставок остаются уязвимыми (вспомним хотя бы зависимость от Китая по тербию), способность предсказывать месторождения становится вопросом не только экономики, но и национальной безопасности. «Это лишь пример того, что мы можем сделать с помощью GPlates, — говорит Спендлер. — В следующем десятилетии эти модели станут гораздо более сложными и будут применяться для самых разных задач».

Так что в следующий раз, глядя на фотографии странной, холодной, похожей на грязь лавы танзанийского вулкана, вспомните: под вашими ногами — вглубь на десятки километров — спрятана сложнейшая геохимическая кухня, на которой миллиарды лет готовилось то, без чего немыслима наша высокотехнологичная цивилизация. И возможно, ключ к следующему месторождению лития или неодима кроется не в случайной удаче, а в правильном понимании того, где и как древние плиты когда-то «удобряли» литосферу.