Hvordan vulkaner genbruger jordskorpen for at afdække sjældne metaller, der er afgørende for grøn teknologi

For at forstå ressourcerne i den nærmeste fremtid, geologer skal forstå vulkanerne fra den fjerne fortid. Udforskning af ældgamle magmakamre på steder som Grønland har potentiale til at give nye kilder til de sjældne metaller, der understøtter moderne grønne teknologier.

Mange sjældne metaller - såsom neodym, niobium og dysprosium – afgørende for produktionen af ​​vindmøller og elbiler, udvindes fra fossile vulkaner.

Vulkaner er naturens måde at bringe materiale fra dybt inde i jorden op til overfladen. Smelteprocesser inde i kappen - den indre del af Jorden mellem den overophedede kerne og den tynde ydre skorpe - producerer magma, som stiger op hundreder af kilometer og til sidst bryder ud på overfladen som vulkaner.

Jordskorpen består af halvstive tektoniske plader, som bevæger sig rundt og kolliderer for at danne bjerge eller synker ned under hinanden i områder, der kaldes subduktionszoner. Mængden af ​​materiale, der bringes til jordens overflade af vulkaner, balanceres af tilsvarende mængder materiale, der går tilbage i kappen via synkende tektoniske plader.

Dette peger på det, vi kalder "elementcyklusser, " hvor materiale fra dybden kommer op til overfladen via vulkaner og derefter vender tilbage til kappen via subduktion. Et af de store spørgsmål inden for geovidenskab er, hvad der sker med dette subducerede materiale, og hvor længe det opholder sig i kappen.

Fossile vulkaner

Vores nyere forskning undersøgte en gruppe gamle vulkaner i det sydlige Grønland. For omkring 1,3 milliarder år siden, Grønland var et vulkansk landskab med dybe sprækkedale ligesom det moderne Østafrika. Betydelige vulkaner brød ud på landoverfladen, og store flodsystemer, der ligner Nilen, transporterede mineraler fra disse vulkaner over enorme områder.

Floderne og vulkanerne i Grønland er nu for længst eroderet, men de sedimenter, som floden transporterede, kan stadig findes, og de vulkanske "VVS-systemer", der fungerede under disse gamle vulkaner, har bevaret prøver af de magmaer, der brød ud.

Vi ønskede at forstå, hvordan elementcykling relaterer sig til koncentrationen af ​​kritiske metaller i disse gamle vulkaner i Grønland. Selvom det er nyttigt at studere de værdifulde elementer selv, nogle gange kan vi lære mere om Jordens grundstofkredsløb ved at studere andre elementer forbundet med dem.

Fingeraftryk svovl

I vores undersøgelse brugte vi grundstoffet svovl, hvoraf der er fire stabile former (kaldet isotoper). Hver har en lidt forskellig masse. Dette er vigtigt, fordi naturlige processer selektivt kan adskille lettere isotoper fra tungere isotoper. Meget som at snacke en pose M&M's, hvor du foretrækker de røde og efterlader de brune M&M'er, geologiske processer fører til variationer i de relative mængder af hvert element i forskellige materialer.

Ved at måle mængden af ​​isotoper i bjergarter, vi kan lære om de processer, der dannede dem. svovlisotoper er særligt nyttige, fordi bio- og geokemiske processer på jordens overflade (ved lave temperaturer) er meget effektive til at modificere svovlsignaturer, hvorimod magmatiske processer (ved høje temperaturer) ikke skaber stor variation mellem let og tungt svovl.

Så variationerne i svovlsignaturer i magmatiske bjergarter tillader os at fingeraftrykke spor af genbrugt skorpemateriale i kappekilden. Ved at vælge vulkaner, der var aktive i forskellige perioder af geologisk tid, vi rekonstruerer, hvordan kappens sammensætning og svovlkredsløbet har varieret gennem Jordens historie.

Geologer har længe vidst, at Jordens overflade har ændret sig dybt i løbet af de sidste 4,5 milliarder år, efterhånden som livet opstod og blev gradvist mere komplekst. Det stigende præg af liv på svovlkredsløbet har dramatisk ændret svovlisotopforholdet mellem sedimenter på Jordens overflade, men dette aftryk er ikke tidligere blevet dokumenteret i klipper fra kappen.

Vores arbejde viser for første gang, at svovlsignaturen på Jordens kappe ændrede sig på en måde, der stort set matcher ændringerne i svovl på Jordens overflade. Biologiske og atmosfæriske påvirkninger på overfladens svovlsignatur ser ud til at være blevet overført helt ind i Jordens indre.

Dette betyder, at Jordens overflade og kappe er stærkt forbundet - den ene reagerer på ændringer i den anden - selvom tidsskalaen for denne genanvendelse forbliver ukendt. Vores data viser, at svovl, der engang var på jordens overflade, gik tilbage i kappen gennem tektonisk pladeaktivitet og derefter - for 1,3 milliarder år siden - fandt sig selv tilbage til overfladen i de grønlandske vulkaner. Det er ligesom geologisk déjà-vu .

En cyklus eller mange?

Hvor mange gange er svovl blevet genbrugt mellem jordskorpen og kappen over geologisk tid? Vi kender i øjeblikket ikke svaret på dette, men vores forskning tegner et billede af Jorden som et globalt elementtransportbånd med overfladesvovl og kappe tæt forbundet.

Undersøgelsen har mange implikationer. Et stort spørgsmål i geologi er, hvordan sjældne metalaflejringer dannes, især de højteknologiske metaller, der er afgørende for den grønne energirevolution. Historien fra svovl ser ud til at være i overensstemmelse med vores arbejde med andre isotoper. For eksempel, en af ​​verdens største forekomster af grundstoffet tantal (brugt i elektronik og også koncentreret i en af ​​de gamle vulkaner i Grønland) har isotopiske fingeraftryk, der også antyder genanvendelse af skorpe.

Det kan være, at disse globale cyklusser har taget elementer fra overflade til kappe og tilbage igen mange gange, effektivt at koncentrere disse elementer hver gang. The global cycle that we have documented in sulfur may be an essential precursor to generate the metal deposits that are crucial to modern technologies. By understanding plate tectonics and magmatic processes that took place billions of years ago, we gain insights into how to identify and understand the mineral resources of the future.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.