Редкоземельные металлы стали неотъемлемой частью современной промышленности, а их роль постоянно увеличивается в связи с развитием экологически чистой энергетики. Поэтому геологи активно ведут поиски новых месторождений. В последние годы их усилия были вознаграждены: обнаружены несколько крупных залежей, связанных с железными рудами типа Кируны. Механизм концентрации редкоземельных металлов до сих пор остается не до конца понятным. Более того, сам процесс формирования подобных руд вызывает споры уже на протяжении двух веков. Недавнее экспериментальное исследование внесло ясность в некоторые из этих вопросов.
Кируна – это небольшой город, расположенный в шведской полярной зоне, вблизи самого крупного в Европе железорудного месторождения. Здесь залегается довольно редкий тип руды, который называется «железооксидно-апатитовым» ( Iron oxide-apatite, IOA), хотя апатит встречается там в небольших количествах, в то время как магнетит и гематит, минералы железа, составляют основную массу.
Месторождения IOA разных возрастов распространены по всему миру. В последнее время геологи все чаще выявляют редкоземельные руды, связанные с ними. Так, в Кируне обнаружены залежи монацита — минерала, содержащего лантаноиды, скандий и иттрий. В 2023 году было объявлено об открытии богатого месторождения. Фосфат-железная тефра, содержащая монацит, была найдена в месторождении Эль-Лако в Чили. Горные отвалы в Адирондаке (Нью-Йорк) и брекчии трубок взрыва в Пи-Ридже показали повышенное содержание редких земель.
Наличие редкоземельных элементов в рудах типа Кируны, связанных с остывшими вулканами, представляется перспективным, как показано в статье, 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.
«Современные извержения с магмой, богатой железом, ранее не наблюдались, однако некоторые вулканы, которые прекратили свою деятельность миллионы лет назад, демонстрировали этот необычный тип извержений», — как пояснил соавтор исследования, австралийский петролог Майкл Аненбург.
Существуют убедительные доказательства, подтверждающие магматическое происхождение руд, подобных Кируны. Предыдущие исследования показали, что эти залежи формируются из двух не смешивающихся расплавов: фосфат-железного (FeP) и силикатного (Si). Несмотря на это, точный механизм их образования до сих пор остается невыясненным, и необходимо понять, как осуществляется обогащение редкоземельными элементами.
Предыдущие исследования показали, что расслоение магмы на фосфат-железный и силикатный расплавы, а также их отсутствие смешения, способствуют накоплению редких земель в фосфат-железном расплаве. Однако для подтверждения этого вывода нужны были более веские данные.
В геологических исследованиях, направленных на изучение свойств расплавов, применяют установки с цилиндром и поршнем. Они позволяют создавать давление до шести гигапаскалей и температуру до 1700 градусов Цельсия. Авторы недавней научной работы внесли улучшения в этот процесс.
В капсулы, изготовленные из благородного металла, помещали различные композитные смеси, состав которых соответствовал железооксидно-апатитовым рудам. После этого проводили нагрев и нагнетание, создавая условия, имитирующие процессы разделения магматических расплавов и кристаллизации. Всего было выполнено 17 экспериментов, длительность которых варьировалась от двух до пяти дней. Химический состав элементов был определен in situ с помощью рентгеноспектрального микроанализа и масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой и лазерной абляцией.
Анализ выявил, что редкоземельные элементы, в особенности тяжелые, склонны концентрироваться в железо-фосфатном расплаве. В ходе некоторых экспериментов их концентрация оказалась в 100 раз выше, чем было зафиксировано ранее. В публикации отмечается, что стоит проверить на наличие редкоземельных элементов любые образцы фосфат-железных руд, которые подвергались фазе раздельного существования двух расплавов.