Cirka 400 kilometer nordvest for Sydney, lige syd for Dubbo, ligger et stort og interessant rock, der blev dannet for omkring 215 millioner år siden ved at udbryde vulkaner.
Kendt som Toongi-depositum er dette sted rig på såkaldte sjældne jordarter: en samling af 16 metalliske elementer, der er essentielle for moderne teknologier fra elbiler til solcellepaneler og mobiltelefoner.
Der er indsats for at mine dette depositum, men efterspørgslen efter sjældne jordarter i de kommende årtier er sandsynligvis enorm.
For at finde mere er vi nødt til at forstå, hvordan og hvorfor disse indskud dannes. Vores seneste forskning på australske vulkaner, der er offentliggjort i Kommunikationsjord og miljøviser, hvordan små krystaller, der er dannet inde i vulkaner, tilbyder ledetråde om dannelsen af sjældne jordaflejringer – og hvordan vi kan finde flere af dem.
Sjældne jordarter og den smeltende mantel
Dannelsen af sjældne jordelementaflejringer begynder med delvis smeltning af Jordens mantel, der ligger dybt under skorpen.
Jordens mantel domineres af mineraler, der er rige på jern og magnesium. Disse mineraler indeholder også små mængder af andre elementer, herunder de sjældne jordelementer.
Når mantelen smelter for at danne magma, bevæger de sjældne jordelementer sig let ind i magmaen. Hvis mængden af smeltning er lille, har magmaen en højere andel af sjældne jordelementer end hvis mængden af smeltning er stor-for eksempel ved en mid-ocean ryg, hvor enorme mængder magma skynder sig til overfladen og danner ny oceanisk skorpe .
Når denne magma vandrer mod Jordens overflade, afkøles den, og nye mineraler begynder at dannes. Disse mineraler er for det meste sammensat af ilt, silicium, calcium, aluminium, magnesium og jern.
Dette betyder, at den resterende magma indeholder en højere koncentration af sjældne jordelementer. Denne resterende væske vil fortsat stige op gennem skorpen, indtil den størkner eller bryder ud ved overfladen.
Fra Grønland til det centrale New South Wales
Hvis magmaen afkøles og krystalliserer i skorpen, kan den danne klipper, der indeholder høje niveauer af kritiske metaller. Et sted, hvor dette er sket, er Gardar Igneous -komplekset i det sydlige Grønland, der indeholder flere sjældne jordelementaflejringer.
I det centrale New South Wales i Australien brød Magmas beriget i sjældne jordelementer ud på overfladen. De får samlet det geologiske navn Benolong Volcanic Suite.
Inden for denne suite er Toongi -aflejringen – en del af det gamle vulkanske VVS -system. Dette er en “indtrængen” af kongealet magma, der indeholder meget høje niveauer af kritiske metaller.
Magmas beriget med sjældne jordelementer er ualmindelige, og dem, der er beriget nok til at blive produktivt udvindet, er stadig sjældnere, med kun nogle få kendte eksempler over hele verden. Selv med alt, hvad vi ved om, hvordan magmas form, er der meget mere arbejde, der skal gøres for bedre at forstå og forudsige, hvor magmas beriget med kritiske metaller kan findes.
Krystaller registrerer vulkansk historie
Du har måske spekuleret på, hvordan forskere ved så meget om, hvad der sker kilometer (undertiden titusinder af kilometer) under vores fødder. Vi lærer meget om det indre af jorden fra at studere klipper, der går hen til overfladen.
De processer, der forekommer i en magma, når det stiger fra Jordens indre lader ledetråde i den kemiske sammensætning af mineraler, der krystalliserer undervejs. Især et mineral – clinopyroxen – er især effektiv til at bevare disse spor, som en lille krystalkugle.
Heldigvis er der krystaller af clinopyroxen inden for mange af klipperne i Benolong Volcanic Suite. Dette gjorde det muligt for os at undersøge historien om de ikke-mineraliserede klipper og sammenligne den med den mineraliserede Toongi-indtrængen.
Hvad er anderledes ved klipperne i Toongi
Vi fandt, at Toongi -klipperne har to vigtige forskelle.
For det første indeholder Clinopyroxenes i den ikke-mineraliserede vulkanske suite en masse sjældne jordelementer. Dette fortæller os, at for de fleste klipper i den vulkanske suite var kritiske metaller “låst” inden for clinopyroxen i stedet for at forblive i den resterende smelte.
I modsætning hertil viser clinopyroxenkrystaller fra Toongi lave niveauer af sjældne jordelementer. Her er disse elementer indeholdt i et andet mineral, Eudialyte, som kan udvindes til sjældne jordelementer.
For det andet og mest interessant har Clinopyroxenes fra Toongi en intern krystalstruktur, der ligner en timeglasform. Dette er forårsaget af forskellige elementer, der er bosiddende i nogle dele af krystallen. Det er en spændende observation, fordi det antyder, at der opstod hurtig krystallisation på grund af frigivelse af gas, mens krystallerne dannede sig.
I modsætning hertil fandt vi ingen bevis for hurtig krystallisation i klipperne uden høje niveauer af sjældne jordarter.
Vores arbejde betyder, at vi nu kan spore sammensætningen og zonering af clinopyroxen i andre uddøde vulkaner i Australien og videre for at finde ud af, hvilke der kan akkumulere relevante sjældne jordelementaflejringer.
Denne undersøgelse tilføjer et andet stykke af puslespillet for at forstå, hvordan kritiske metaller akkumuleres, og hvordan vi kan finde dem til at drive grønne, vedvarende energikilder til en bæredygtig fremtid.