火山如何循環(huán)利用地殼 以發(fā)現(xiàn)對(duì)綠色技術(shù)至關(guān)重要的稀有金屬

為了了解不久的將來的資源，地質(zhì)學(xué)家需要了解遙遠(yuǎn)的過去的火山。在格陵蘭島等地探索古代巖漿房，有可能提供新的稀有金屬資源，這些金屬將成為現(xiàn)代綠色技術(shù)的基礎(chǔ)。

許多稀有金屬，如釹，鈮和鏑 -以生產(chǎn)風(fēng)力渦輪機(jī)和電動(dòng)車是必不可少的，從化石的火山開采。

火山是自然界將地球深處的物質(zhì)帶到地面的一種方式。地幔內(nèi)部的融化過程-地?zé)醿?nèi)部與稀薄的外部地殼之間的地球內(nèi)部-產(chǎn)生巖漿，巖漿上升數(shù)百公里，并最終以火山的形式噴發(fā)到地表。

地殼由半剛性的構(gòu)造板塊組成，這些板塊在被稱為俯沖帶的區(qū)域四處移動(dòng)并碰撞形成山脈或下沉?；鹕綄氲厍虮砻娴奈镔|(zhì)量與通過下沉的構(gòu)造板塊返回地幔的相似量的物質(zhì)平衡。

這指向我們所謂的“元素循環(huán)”，即深度的物質(zhì)通過火山到達(dá)地表，然后通過俯沖再次返回地幔。地球科學(xué)中的主要問題之一是，這種俯沖的物質(zhì)會(huì)發(fā)生什么變化，并在地幔中停留多長(zhǎng)時(shí)間。

化石火山

我們最近的研究對(duì)格陵蘭島南部的一組古代火山進(jìn)行了研究。大約13億年前，格陵蘭島是一個(gè)火山景觀，有著深裂谷，很像現(xiàn)代東非。大量火山噴發(fā)到陸地表面，類似于尼羅河的主要河流系統(tǒng)將這些火山中的礦物帶到了廣闊的地區(qū)。

格陵蘭島的河流和火山現(xiàn)在長(zhǎng)期被侵蝕，但仍可以找到所運(yùn)輸?shù)暮恿鞯某练e物，在這些古老的火山下面運(yùn)行的火山“管道系統(tǒng)”保存了噴發(fā)巖漿的樣本。

我們想了解元素循環(huán)與格陵蘭這些古老火山中關(guān)鍵金屬的濃度之間的關(guān)系。雖然研究有價(jià)值的元素本身很有用，但有時(shí)我們可以通過研究與它們相關(guān)的其他元素來了解有關(guān)地球元素周期的更多信息。

埃塞俄比亞裂谷的芬塔萊火山噴發(fā)了大量化學(xué)演化的巖漿，類似于格陵蘭島。作者提供

指紋硫

在我們的研究中，我們使用了具有四種穩(wěn)定形式(稱為同位素)的元素硫。每個(gè)都有稍微不同的質(zhì)量。這很重要，因?yàn)樽匀贿^程可以選擇性地將較輕的同位素與較重的同位素分離。就像在一個(gè)M&M袋上吃零食一樣，您喜歡紅色的M&M，而留下棕色的M&M，地質(zhì)過程會(huì)導(dǎo)致不同材料中每種元素的相對(duì)豐度發(fā)生變化。

通過測(cè)量巖石中的同位素含量，我們可以了解形成巖石的過程。硫同位素特別有用，因?yàn)榈厍虮砻嫔系纳锖偷厍蚧瘜W(xué)過程(在低溫下)在改變硫素特征方面非常有效，而巖漿過程(在高溫下)在輕硫和重硫之間不會(huì)產(chǎn)生太大變化。

因此，巖漿巖中硫特征的變化使我們能夠指紋識(shí)別地幔源中回收的地殼物質(zhì)的痕跡。通過選擇在不同地質(zhì)時(shí)期活躍的火山，我們可以重建地幔成分和硫循環(huán)在地球歷史上的變化。

地質(zhì)學(xué)家很久以來就知道，隨著生命的出現(xiàn)和變得越來越復(fù)雜，地球表面在過去的45億年中發(fā)生了深刻的變化。在生活中對(duì)硫循環(huán)增加印記極大地改變沉積物的硫同位素比在地球表面，但這個(gè)烙印以前沒有從地幔巖石記錄。

作者提供

我們的工作首次表明，地幔的硫特征以與地球表面硫的變化大致匹配的方式發(fā)生了變化。生物和大氣對(duì)表面硫信號(hào)的影響似乎已經(jīng)轉(zhuǎn)移到地球內(nèi)部。

這意味著地球的表面和地幔是緊密相連的(一個(gè)對(duì)另一個(gè)的變化做出響應(yīng))，盡管這種回收的時(shí)間尺度仍然未知。我們的數(shù)據(jù)表明，曾經(jīng)存在于地球表面的硫通過構(gòu)造板塊活動(dòng)回到了地幔，然后(13億年前)發(fā)現(xiàn)自己又回到了格陵蘭火山的地表。就像地質(zhì)上的déjà-vu。

一個(gè)周期還是多個(gè)周期?

在地質(zhì)時(shí)期內(nèi)，地殼和地幔之間循環(huán)了多少次硫?我們目前尚不知道答案，但是我們的研究描繪了地球是表面硫和地幔緊密相連的全球元素輸送帶的圖景。

這項(xiàng)研究具有許多意義。地質(zhì)學(xué)中的一個(gè)主要問題是稀有金屬沉積物如何形成，尤其是綠色能源革命必不可少的高科技金屬。硫的故事似乎與我們?cè)谄渌凰厣系难芯肯辔呛?。例如，世界上最大的鉭元素礦床之一(用于電子設(shè)備，也集中在格陵蘭島的一座古老火山中)具有同位素指紋，也暗示著地殼的再循環(huán)。

可能是這些全球周期將元素從地表帶到地幔，然后又返回了許多次，每次都有效地集中了這些元素。我們已經(jīng)記錄的硫的全球循環(huán)可能是產(chǎn)生對(duì)現(xiàn)代技術(shù)至關(guān)重要的金屬沉積物的重要先兆。通過了解數(shù)十億年前發(fā)生的板塊構(gòu)造和巖漿作用過程，我們獲得了有關(guān)如何識(shí)別和了解未來礦產(chǎn)資源的見識(shí)。