Сокровища древних зон субдукции: ученые нашли новый способ поиска редкоземельных элементов

Исследователи, возможно, нашли новый способ обнаружения месторождений редкоземельных элементов, жизненно важных для технологической и энергетической промышленности.

Редкоземельные элементы кристаллизуются в мантии Земли внутри капель магмы, богатых щелочными металлами (такими как натрий и калий) и карбонатными минералами (такими как кальцит и доломит). В новом исследовании ученые обнаружили, что эти типы магмы, известные как щелочная и карбонатитовая, образуются над древними зонами субдукции, где одна тектоническая плита погружается под другую.

«Это исследование показывает, что ингредиенты для этих критически важных минеральных месторождений были заложены многие миллионы и даже миллиарды лет назад», — заявил в своем заявлении ведущий автор исследования Карл Спендлер, профессор минералогии, петрологии, геохимии и экономической геологии Университета Аделаиды (Австралия). «Определяя, где происходили эти древние процессы, мы можем значительно сузить области поиска для будущих открытий».

Исследование, опубликованное 8 апреля в журнале Science Advances, бросает вызов предыдущим теориям, связывавшим месторождения редкоземельных элементов преимущественно с мантийными плюмами — гигантскими грибовидными колоннами раскаленной добела расплавленной породы, зарождающимися вблизи ядра Земли. Возможно, что мантийные плюмы участвуют в образовании редкоземельных элементов, пишут исследователи в работе. Однако между ними нет четкого совпадения, и плюмы могут быть слишком горячими для производства щелочной и карбонатитовой магмы.

В исследовании команда использовала передовые методы моделирования для реконструкции тектоники плит и процессов субдукции за последние 2 миллиарда лет. (Ученые полагают, что субдукция плит началась по крайней мере 3,1 миллиарда лет назад, но лучшие модели охватывают только 2 миллиарда лет). Затем исследователи сравнили положение зон субдукции с расположением современных месторождений редкоземельных элементов и областей мантии, где, как известно, существуют капли щелочной и карбонатитовой магмы.

Спендлер и его коллеги обнаружили, что в глобальном масштабе известные месторождения редкоземельных элементов и вмещающие их карманы магмы часто появляются над древними зонами субдукции.

Когда тектоническая плита погружается под другую плиту в зоне субдукции, в вышележащую мантию выделяются флюиды (такие как вода) и элементы-галогены (фтор, хлор, бром, йод, астат и теннессин). Исследователи предположили, что эти вещества вступают в реакцию с такими породами, как перидотит, создавая «оплодотворенные» области мантии, которые могут оставаться стабильными в течение миллионов лет, прежде чем постепенно расплавиться с образованием щелочной или карбонатитовой магмы и, впоследствии, месторождений редкоземельных элементов.

Различные геологические процессы теоретически могут расплавить «оплодотворенный» мантийный материал, включая мантийный плюм, растяжение и истончение континентов сверху и снижение давления в результате дегляциации на поверхности Земли, пишут исследователи в работе. Независимо от конкретного процесса, огромный возрастной разрыв между некоторыми зонами субдукции и вышележащими каплями магмы и месторождениями редкоземельных элементов в исследовании предполагает, что «оплодотворенные» области могут существовать целые эоны.

«Этот временной разрыв — один из самых удивительных аспектов наших выводов», — сказал Спендлер в заявлении. «Он показывает, что мантия Земли может хранить эти обогащенные зоны невероятно долго, прежде чем возникнут подходящие условия для формирования минеральных месторождений».

Результаты показали, что 67% известных капель щелочной и карбонатитовой магмы и 72% известных месторождений редкоземельных элементов находятся на вершине «оплодотворенного» мантийного материала. Поскольку старые месторождения редкоземельных элементов, как правило, крупнее и имеют более высокое качество, чем новые, исследователи провели повторный анализ для месторождений старше 540 миллионов лет — и обнаружили, что 92% из них расположены над «оплодотворенными» областями мантии.

Месторождения редкоземельных элементов, не связанные в исследовании с «оплодотворенными» областями мантии, вероятно, связаны с зонами субдукции старше 2 миллиардов лет, пишут исследователи. Примечательно, что в регионах мира, где перекрываются несколько «оплодотворенных» мантийных областей, наблюдается больше капель щелочной и карбонатитовой магмы и месторождений редкоземельных элементов, пишут они.

Существует 17 редкоземельных элементов — иттрий, скандий и 15 металлических элементов, находящихся внизу периодической таблицы. Эти элементы являются важнейшими компонентами аккумуляторов электромобилей, ветряных турбин и смартфонов, но до сих пор поиск достаточно крупных для добычи месторождений был сложной задачей.

Результаты могут помочь странам и корпорациям находить больше месторождений редкоземельных элементов, заявил в заявлении соавтор исследования Эндрю Мердит, исследователь Школы физики, химии и наук о Земле Университета Аделаиды. «Сосредоточив внимание на этих древних тектонических зонах, горнодобывающие компании и правительства могут применять более целенаправленный и эффективный подход к поиску новых месторождений», — сказал Мердит.

Лучшими местами для поиска могут быть районы с древними зонами субдукции, а также с магмой, образовавшейся при низких температурах, и с высокостабильными областями коры и верхней мантии, пишут исследователи в работе.

Уточнение моделей и углубление в прошлое могли бы помочь ученым обнаружить еще больше перспективных регионов, добавили они.

Открытие, сделанное австралийской командой, меняет не только геологическую теорию, но и геополитику. Сегодня редкоземельные элементы — это новое «черное золото». Китай контролирует более 70% мировой добычи и 90% переработки. Для США, Европы и других стран поиск альтернативных источников — вопрос экономической и технологической безопасности.

Почему это исследование такое важное? Потому что предыдущие методы поиска были похожи на игру в «горячо-холодно» вслепую. Геологи искали мантийные плюмы — горячие точки, похожие на те, что создали Гавайские острова. Но проблема в том, что редкие земли часто находят в старых, холодных регионах коры, где никаких плюмов и близко нет. Работа Спендлера и Мердита объясняет это парадоксом: «оплодотворенная» мантия может ждать своего часа сотни миллионов лет, и только когда сверху происходят тектонические процессы (растяжение континента или таяние ледников), она всплывает на поверхность в виде богатой магмы.

Практическая польза для геологоразведки колоссальная. Вместо того чтобы бурить наугад, компании теперь могут накладывать карты древних зон субдукции (2+ миллиарда лет) на карты стабильных участков коры. Особенно интересны регионы, где несколько «оплодотворенных» областей перекрываются — там концентрация месторождений может быть аномально высокой. К таким регионам относятся части Восточной Европы, Сибири, Западной Австралии и Канады.

Однако есть и вызов. Большинство самых крупных и качественных месторождений (те, что старше 540 млн лет) находятся в труднодоступных районах: в арктической зоне, в пустынях или в зонах вечной мерзлоты. Их разработка потребует гигантских инвестиций и новых технологий добычи с минимальным экологическим ущербом (традиционная добыча редких земель часто связана с токсичными отходами).

Исследование также открывает окно в прошлое Земли. Моделируя движение «оплодотворенной» мантии, ученые могут лучше понять, как менялась тектоника плит и даже как формировались первые континенты. Возможно, залежи редких земель — это не просто минеральные богатства, а «геологические архивы», хранящие информацию о том, как наша планета дышала и двигалась миллиарды лет назад.

Следующий шаг команды — заглянуть за горизонт в 2 миллиарда лет. Модели, охватывающие 3–4 миллиарда лет, пока менее точны, но если их улучшить, можно будет предсказывать месторождения там, где их раньше даже не искали. Как сказал один из рецензентов статьи в Science Advances, «эта работа превращает поиск редких земель из искусства в науку». И в мире, где потребность в этих элементах растет на 10–15% в год, такая наука стоит буквально на вес золота.