Учёные нашли связь между глубокими геологическими процессами прошлого и образованием залежей редкоземельных элементов, что может радикально сократить площадь поисков критических материалов для электроники и «зелёной» энергетики. Новая работа указывает: магматические «карманы», богатые щелочными и карбонатными расплавами, чаще всего возникают над древними зонами субдукции — местами, где одна тектоническая плита погружается под другую.
Как редкоземельные элементы формируются в мантии
Редкоземельные элементы кристаллизуются в мантийных магмах, содержащих натрий, калий и карбонатные минералы. По мере погружения плиты в зону субдукции из неё выделяются флюиды — в том числе вода — и галогены (фтор, хлор, бром и др.). Эти вещества реагируют с породами верхней мантии, «удобряя» её химически и создавая стабильные, обогащённые зоны.
Такие «фертильные» участки мантии могут сохраняться миллионы и даже миллиарды лет. Позже при определённых условиях — например, из‑за повышения температуры, растяжения и истончения коры, расплавления под действием мантийной плюмы или падения давления вследствие дегляциации — эти области плавятся и порождают щелочные или карбонатитовые магмы. Именно в них и формируются концентрированные залежи редкоземельных минералов.
Австралийские исследователи реконструировали положение плит и субдукционных зон за последние два миллиарда лет и сопоставили эти карты с современными месторождениями и известными «карманами» магмы. Результат оказался впечатляющим: 67% известных щелочных и карбонатитовых магматических очагов и 72% современных месторождений редкоземельных элементов расположены над такими фертильными участками мантии. Среди месторождений старше 540 миллионов лет эта доля поднимается до 92%.
Открытие бросает вызов более ранним гипотезам, связывавшим большинство месторождений с мантийными плюмами — гигантскими колоннами горячей расплавленной породы. Плюмы, возможно, участвуют в процессах, но по новым данным они либо не совпадают по местоположению с реальными залежами, либо слишком горячие, чтобы породить щелочные и карбонатитовые магмы, в которых аккумулируются редкоземельные элементы.
Куда копать и почему это важно
Результат имеет непосредственное прикладное значение: поиск редкоземельных месторождений можно делать целенаправленнее, концентрируясь на регионах с древними субдукционными полосами и стабильными участками коры и мантии, а также на районах с низкотемпературными магмами. «Ингредиенты для этих критически важных месторождений были заложены миллионы и даже миллиарды лет назад», — отмечает профессор Карл Спандлер. По его словам, идентификация таких древних зон позволит сузить области для разведки и снизить затраты на поиск.
Соавтор исследования Эндрю Мердит добавляет, что компании и государства получат возможность вести более целенаправленные и эффективные поиски. Особенно перспективны участки, где перекрываются несколько обогащённых зон мантии: именно там, по данным команды, чаще всего обнаруживаются крупные и высококачественные залежи.
Редкоземельные элементы — 17 элементов, включая итрий, скандий и 15 «нижних» элементов периодической таблицы — незаменимы в производствах для электромобилей, ветряных турбин и смартфонов. Поэтому понимание геологической «карты происхождения» этих материалов важно не только для науки, но и для промышленной политики и безопасности поставок.
Авторы указывают, что дальнейшее уточнение моделей и расширение временного диапазона реконструкций может открыть ещё больше перспективных регионов. Пока же полученные данные дают ясную подсказку: ключ к новым месторождениям лежит не в случайных мантийных «грибах», а в памяти древних субдукций, дождавшейся своего часа.
