Современная промышленность немыслима без редкоземельных металлов, их значение растет по мере перехода к зеленой энергетике. Неудивительно, что геологи активно ищут новые залежи. В последние годы им улыбнулась удача: открыто несколько крупных месторождений в железных рудах типа Кируны.
Как именно происходит редкоземельное обогащение — неясно. Впрочем, и сам механизм образования таких руд служит предметом жарких дебатов уже второе столетие. Новое экспериментальное исследование отчасти пролило свет на эти вопросы.
Кируна — небольшой полярный город в Швеции, в окрестностях которого расположено крупнейшее в Европе железорудное месторождение. Это достаточно редкий тип руд, называемый «железооксидно-апатитовым» (Iron oxide-apatite, IOA), хотя апатита там обычно немного, а основная масса приходится на минералы железа — магнетит, гематит.
Руды IOA различного возраста расположены по всему миру. В последние годы специалисты стали открывать приуроченные к ним редкоземельные оруденения. Например, в самой Кируне обнаружили залежи монацита — минерала, содержащего лантаноиды, скандий, иттрий. В 2023 году объявили об открытии богатого месторождения. Содержащую монацит фосфат-железную тефру нашли в месторождении Эль-Лако в Чили. Горные отвалы в Адирондаке в штате Нью-Йорк и брекчии трубок взрыва в Пи-Ридже оказались обогащены редкими землями.
Все указывает на то, что руды типа Кируны, приуроченные к остывшим вулканам, перспективны на поиск редкоземельных элементов. Это следует из статьи, опубликованной в журнале Geochemical Perspectives Letters за авторством ученых из Института геологии и геофизики Китайской академии наук, Колледжа геологии и планетологии при Университете КАН и Австралийского национального университета.
«Мы никогда не встречали современный вулканизм с богатой железом магмой, но некоторые вулканы, потухшие миллионы лет назад, обладали этим загадочным типом извержений», — пояснил соавтор статьи, австралийский петролог Майкл Аненбург.
Есть веские основания в пользу магматического происхождения руд типа Кируны. Из прошлых работ известно, что залежи образуются из двух типов несмешиваемых расплавов: фосфат-железного (FeP) и силикатного (Si). Однако точный механизм до сих пор не смогли объяснить, а тут еще требуется понять, как происходит обогащение редкоземельными элементами.
Из предыдущих экспериментов следовало, что разделение магмы на фосфат-железный и силикатный расплавы и их несмешение благоприятствуют обогащению первых редкими землями. Но требовались более убедительные доказательства.
Для изучения свойств расплавов в геологии используют установки типа цилиндр-поршень, позволяющие создать давление до шести гигапаскалей и температуры до 1700 градусов Цельсия. Авторы новой научной работы усовершенствовали процесс.
В капсулу из благородного металла они загружали разные композитные смеси, соответствующие составу железооксидно-апатитовых руд, затем нагревали, нагнетали, имитируя условия для разделения магматических расплавов и кристаллизации. Всего провели 17 экспериментов длительностью от двух до пяти дней. Химический состав элементов определили in situ с помощью рентгеноспектрального микроанализа и масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой и лазерной абляцией.
Исследование показало, что редкоземельные элементы — главным образом тяжелые — тяготеют к железо-фосфатному расплаву. В некоторых экспериментах их концентрация в 100 раз превышала ранее полученные значения. Хотя, как указано в публикации, любые виды фосфат-железных руд, прошедших фазу несмешения двух расплавов, имеет смысл проверить на наличие редкоземельных элементов.
Изображения (фрагмент) минеральных фаз и текстур расплавов в эксперименте, полученные обратным рассеянием. Силикатные расплавы включают в себя микронные железные капли при самых высоких температурах и давлении (0,8 гигапаскаля, 1150 градусов Цельсия), фосфаты железа содержат или смешиваются с минералами и силикатными каплями. Расплав FeP кристаллизуется между 900 и 800 градусами. Шкала — 20 микронYan et al, 2024