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
Об этом геологам рассказали повторные датировки пород из богатейшего месторождения розовых алмазов
Геологи уточнили возраст и определили условия формирования австралийского алмазоносного месторождения Аргайл. Лампроитовая трубка, которая до 2020 года была главным мировым источником редких и ценных розовых алмазов, образовалась 1,31–1,26 миллиарда лет назад. Это произошло во время распада древнего суперконтинента Нуна на одном из участков континентального рифтинга, где происходило растяжение литосферы, сообщает статья в журнале Nature Communications. Месторождение Аргайл в округе Кимберли (Западная Австралия) представляет собой систему сросшихся диатрем ― трубкообразных каналов, образованных прорывом вулканического газа. В отличие от других богатых алмазоносных месторождений, трубка Аргайл заполнена не кимберлитами, а ультраосновными лампроитовыми породами. Внедрения в кору высокощелочных лампроитовых магм встречаются и на древних платформах, и в складчатых поясах, тогда как кимберлитовые интрузии характерны для платформенных обстановок. Месторождение Аргайл располагается в зоне древнего складчатого пояса Холлс-Крик на краю кратона Кимберли, и геологи полагают, что этот пояс сформировался приблизительно 1,837–1,808 миллиарда лет назад. Как правило, лампроитовые трубки взрыва не несут большого количества алмазов, но Аргайл ― это исключение. До прекращения разработки в 2020 году месторождение давало в среднем восемь миллионов карат (1600 килограмм) ежегодно. Около пяти процентов добычи составляли камни ювелирного качества, и среди них ― чрезвычайно редкие и ценные розовые и красные алмазы. Аргайл обеспечивал свыше 90 процентов мировой добычи этих камней. Своей окраской они обязаны дефектам структуры кристаллов из-за пластических деформаций, которые могли возникать при воздействии различных тектонических факторов. Однако происхождение лампроитовой диатремы, возраст которой геологи оценивали в 1126 ± 9 миллионов лет, до сих пор оставалось неясным. Чтобы выяснить историю формирования этого необычного месторождения, Хьюго Олирук (Hugo K. H. Olierook) из Университета Кёртина в Перте совместно с коллегами из Австралии, Великобритании и Китая предприняли повторное датирование лампроитов в алмазосодержащем керне из трубки Аргайл уран-свинцовым методом. С помощью масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой с лазерной абляцией были проанализированы включения обломочного циркона и обломочного апатита для определения максимального возраста пород, а также включения гидротермального титанита, что позволило установить минимальный возраст. Дополнительно титанит был датирован с применением масс-спектрометрии с термической ионизацией в сочетании с изотопным разбавлением, а циркон и апатит проанализировали уран-торий-гелиевым методом. Для образцов апатита, который кристаллизовался в глубинном магматическом очаге, ученые получили распределение датировок в пределах 1900–1820 миллионов лет назад. Средневзвешенное значение возраста самых молодых образцов составило 1828 ± 6 миллионов лет. Анализы зерен обломочного циркона дали основной пик на отметке времени 1870 миллионов лет назад. Эти результаты позволяют судить о том, когда начали формироваться лампроиты Аргайл. Наиболее молодые цирконы имеют возраст 1311 ± 9 миллионов лет. Эта дата ― самый ранний момент, когда могло произойти внедрение магмы в трубку взрыва. Верхнюю хронологическую границу этого события дает датировка гидротермального титанита, который образовался в конечной стадии кристаллизации магмы, вскоре после ее внедрения в трубку: 1257 ± 15 миллионов лет назад. Таким образом, трубка Аргайл оказалась более чем на 100 миллионов лет старше, чем считалось ранее. Авторы исследования сопоставили полученные результаты с реконструкцией тектонической обстановки, построенной с учетом палеомагнитных данных. Около 1,8 миллиарда лет назад сформировался суперконтинент Нуна (Колумбия), и приблизительно в это же время возникает складчатый пояс Холлс-Крик. Источником мощных пластических деформаций, породивших розовые алмазы месторождения Аргайл, могли стать коллизионные процессы, которыми сопровождалась сборка Нуны. Суперконтинент распался около 1,3–1,2 миллиарда лет назад, и, по-видимому, именно с распадом Нуны было связано образование алмазоносной лампроитовой трубки. Она возникла в результате ослабления литосферы на участке континентального рифтинга на северо-восточной окраине Нуны, где в то время располагался древний Австралийский континент, причем растяжение шло по старому «шву» между плитами. В ослабленную зону устремились вулканические газы, а затем трубку взрыва заполнила лампроитовая магма, обогащенная розовыми алмазами. Олирук и его коллеги полагают, что предложенный ими сценарий не уникален. Связь между процессами распада суперконтинентов и возникновением алмазоносных месторождений уже отмечалась геологами ― например, распад Нуны и последовавший вскоре после него пик кимберлитового магматизма в Южной Африке. Однако значение этого явления оставалось недооцененным. По-видимому, активизация тектонических процессов и вызванные ею локальные растяжения литосферы закономерно влекут за собой дестабилизацию летучих компонентов мантийного вещества с последующим быстрым подъемом богатых летучими мантийных расплавов. Ранее N + 1 рассказывал о том, как результаты анализа цирконов снизили роль тектоники плит в формировании суперконтинента Нуна, а также о том, что крупнейший за последние три века розовый алмаз был найден в Анголе.