火山可能會(huì)揭示在哪里挖掘礦物以用于未來(lái)能源技術(shù)

在悉尼西北約 400 公里處，達(dá)博以南，坐落著一大塊有趣的巖石，大約在 2.15 億年前由火山噴發(fā)形成。

這個(gè)遺址被稱為 Toongi 礦床，是富含所謂的稀土：從電動(dòng)汽車(chē)到太陽(yáng)能電池板和手機(jī)的現(xiàn)代技術(shù)必不可少的 16 種金屬元素的集合。

目前正在努力開(kāi)采這筆存款，但未來(lái)幾十年對(duì)稀土的需求可能會(huì)巨大.

要了解更多信息，我們需要了解這些存款是如何形成的以及為什么形成的。我們關(guān)于澳大利亞火山的最新研究發(fā)表在自然、通信、地球與環(huán)境》中，展示了火山內(nèi)部形成的微小晶體如何為稀土礦床的形成提供線索，以及我們?nèi)绾握业礁嗟南⊥恋V床。

稀土和熔化的地幔

稀土元素礦床的形成始于地殼深處的地幔部分熔化。

地幔以富含鐵和鎂的礦物為主。這些礦物還含有少量其他元素，包括稀土元素。

當(dāng)?shù)蒯Ｈ刍纬蓭r漿時(shí)，稀土元素很容易進(jìn)入巖漿中。如果熔化量小，巖漿中稀土元素的比例高于熔化量大時(shí)，例如，在洋中脊，大量巖漿沖向表面并形成新的洋殼。

當(dāng)這種巖漿向地球表面遷移時(shí)，它會(huì)冷卻下來(lái)，并開(kāi)始形成新的礦物。這些礦物質(zhì)主要由氧、硅、鈣、鋁、鎂和鐵組成。

這意味著剩余的巖漿含有更高濃度的稀土元素。這些殘留的液體將繼續(xù)通過(guò)地殼上升，直到它在表面凝固或噴發(fā)。

從格陵蘭島到新南威爾士州中部

如果巖漿在地殼中冷卻并結(jié)晶，它會(huì)形成含有高含量關(guān)鍵金屬的巖石。發(fā)生這種情況的一個(gè)地方是格陵蘭島南部的 Gardar 火成雜巖體，其中包含幾個(gè)稀土元素礦床。

在澳大利亞新南威爾士州中部，富含稀土元素的巖漿在地表噴發(fā)。它們被統(tǒng)稱為地質(zhì)名稱 Benolong Volcanic Suite。

這間套房?jī)?nèi)是 Toongi 礦床 – 古代火山管道系統(tǒng)的一部分。這是含有非常高水平關(guān)鍵金屬的凝結(jié)巖漿的“侵入”。

富含稀土元素的巖漿并不常見(jiàn)，而那些富含稀土元素以進(jìn)行高效開(kāi)采的巖漿則更為罕見(jiàn)，全世界已知的例子很少。即使我們對(duì)巖漿的形成方式了如指掌，但要更好地理解和預(yù)測(cè)富含關(guān)鍵金屬的巖漿的產(chǎn)地，還有很多工作要做。

晶體記錄火山歷史

您可能想知道科學(xué)家是如何了解我們腳下幾公里（有時(shí)是幾十公里）發(fā)生的事情的。我們通過(guò)研究到達(dá)地表的巖石，學(xué)到了很多關(guān)于地球內(nèi)部的知識(shí)。

巖漿從地球內(nèi)部升起時(shí)發(fā)生的過(guò)程為沿途結(jié)晶的礦物的化學(xué)成分留下了線索。特別是一種礦物 – 斜輝石 – 在保存這些線索方面特別有效，例如小小的水晶球.

幸運(yùn)的是，Benolong 火山套間的許多巖石中都有斜輝石晶體。這使我們能夠檢查非礦化巖石的歷史，并將其與礦化的 Toongi 侵入體進(jìn)行比較。

Toongi 的巖石有什么不同

我們發(fā)現(xiàn) Toongi 巖石有兩個(gè)重要的區(qū)別。

首先，非礦化火山巖組中的斜輝石含有大量稀土元素。這告訴我們，對(duì)于火山巖組中的大多數(shù)巖石，關(guān)鍵金屬被“鎖”在斜輝石中，而不是留在殘余熔體中。

相比之下，來(lái)自 Toongi 的斜輝石晶體顯示出低水平的稀土元素。在這里，這些元素包含在不同的礦物中，Eudialyte （真透析液），可以開(kāi)采稀土元素。

其次，也是最有趣的是，來(lái)自 Toongi 的斜輝石具有類(lèi)似于沙漏形狀.這是由晶體某些部分的不同元素引起的。這是一個(gè)令人興奮的觀察結(jié)果，因?yàn)樗砻饔捎诰w形成時(shí)釋放的氣體而發(fā)生了快速結(jié)晶。

相比之下，我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)在沒(méi)有高含量稀土的巖石中快速結(jié)晶的證據(jù)。

我們的工作意味著我們現(xiàn)在可以追蹤澳大利亞及其他地區(qū)其他死火山中斜輝石的組成和分區(qū)，以找出哪些火山可能積累相關(guān)的稀土元素礦床。

這項(xiàng)研究為理解關(guān)鍵金屬積累，以及我們?nèi)绾握业剿鼈儊?lái)為綠色、可再生能源提供動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的未來(lái)。

布雷納因·辛普森， 博士生，昆士蘭大學(xué);卡爾·斯潘德勒副教授阿德萊德大學(xué)和特蕾莎·烏比德， ARC 未來(lái)研究員和火成巖巖石學(xué)/火山學(xué)副教授，昆士蘭大學(xué)

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