Геологи экспериментально показали, как образовались самые богатые месторождения редкоземельных элементов

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.