Субвулканические жидкости помогут решить проблему нехватки меди

Российские и британские ученые оценили перспективы добычи меди из субвулканических жидкостей. Концентрация меди в таких месторождениях может достигать семи тысяч миллионных долей, а запасы в одном месторождении — полутора миллионов тонн. В будущем разрабатывать такие месторождения может быть даже выгодней, чем традиционные медные руды — медь в них находится в растворенном состоянии, а энергетические затраты для добычи можно будет частично покрыть за счет геотермального источника. Результаты исследования опубликованы в журнале Royal Society Open Science.

Возобновляемая энергетика развивается стремительными темпами — например, в Европе в 2020 году она обогнала ископаемые источники энергии, став главным источником электричества. Однако, с полным переходом на зеленую энергетику пока все не так просто. Чтобы заменить все ТЭЦ на солнечные и ветряные электростанции, а традиционные автомобили на электромобили, человечеству потребуется примерно в шесть раз больше различных металлов. Один из этих стратегически важных для возобновляемой энергетики металлов — медь. Медь используется для изготовления контактов и кабелей (в том числе высоковольтных), а также заземлений и трансформаторов.

В настоящее время человечество производит более пятнадцати миллионов тонн меди в год, из которых примерно три четверти дают медно-порфировые руды. Такие руды имеют магматическое происхождение, то есть являются конечным продуктом магматических геохимических циклов, которые начинаются в мантии Земли и завершаются выбросом горячих магм и газов на поверхность. Это самые распространенные медные руды, но содержание металла в них не очень высокое, а сам процесс добычи требует больших затрат энергии.

Британские ученые под руководством Йона Бланди (Jon Blundy) из Университета Оксфорда вместе с коллегами из Московского Государственного Университета предложили новый необычный источник меди — субвулканические рассолы. Такие жидкости накапливаются под вулканом за время его активности. Во время извержения к поверхности движется горячий концентрированный раствор. По мере продвижения наверх, в области с более низкой температурой и давлением, этот раствор разделяется на две фракции. Более легкая фракция выходит сквозь жерло вулкана наружу, более тяжелая и плотная остается под вулканом, заполняя поры в породе. Большая часть металлов, растворенных в исходном магматическом газе, концентрируются в этой тяжелой фракции (субвулканическом рассоле), поэтому со временем их концентрация под вулканами увеличивается. Такие субвулканические рассолы можно назвать предшественниками медно-порфировых руд, которые пока не затвердели полностью и находятся в жидкой форме.

Бланди и его коллеги попробовали рассчитать, сколько меди может скопиться в субвулканических месторождениях. Сложный процесс распределения металла между газовой и жидкой фазами они описали с помощью модели, который разработал один из авторов работы Андрей Афанасьев. Изначальную концентрацию меди приняли равной 700 ppm (миллионных долей), а в расчет включили разные параметры: температуру, пористость и плотность породы, кислотность, концентрацию других анионов и катионов.

Оказалось, что количество меди больше всего зависит от наличия серы, особенно в форме сульфидов. Сульфиды связываются с медью и удерживают ее в более плотной фракции. Концентрация меди ожидаемо растет со временем: за десять тысяч лет ее концентрация может достигнуть 7000 ppm, а количество металла в одном месторождении — 1,4 миллиона тонн. При этом больше всего меди будет сосредоточено на глубине два километра под поверхностью земли в радиусе одного километра от центра вулканического канала.

Чтобы подтвердить результаты моделирования авторы также проанализировали образцы субвулканических жидкостей из Италии, Японии и с архипелага Монтсеррат в Карибском море. В образцах была обнаружена медь в концентрации до 5000 ppm. Бланди и его коллеги считают, что богатые медью субвулканические жидкости находятся почти под каждым действующим или спящим вулканом. В будущем разрабатывать такие месторождения может быть даже более выгодно, чем традиционные медно-порфировые руды, так как медь в них находится в растворенном состоянии.

С технической точки зрения задача пока что выглядит сложной — необходимо пробурить породу на глубину нескольких километров. Кроме того, сами рассолы горячие (температура в среднем 400 градусов Цельсия) и кислые (pH около 5). Однако, у человечества уже есть опыт глубокого бурения вблизи вулканов — например, исландские ученые и инженеры успешно реализуют проект глубокого бурения для добычи геотермальной энергии (Iceland Deep Drilling Project) и пробурили породу на глубину 4,5 километра, дойдя до области с температурой более 420 градусов Цельсия. Потенциально для разработки субвулканических месторождений можно будет использовать геотермальную энергию. А еще такие месторождения могут стать источником не только меди, но и других ценных металлов: цинка, серебра, лития и даже золота. Бланди и его коллеги полагают, что подготовка к разработке первого вулканического месторождения может занять от пяти до пятнадцати лет.

Четыре тысячи лет назад в Египте медь тоже была стратегически важным ресурсом — из нее и ее сплавов делали оружие, украшения и другие предметы обихода. Бельгийские, французские и нидерландские археологи выяснили, как добывали медь в поселении Айн-Сохне времен Первого Царства. Больше всего ученых волновал вопрос, откуда в пустынном районе без лесов брали топливо для выплавки руды. Ученые попробовали воспроизвести процесс выплавки и выяснили, что в качестве топлива использовали смесь ослиного навоза и сырой древесины.

Наталия Самойлова