Новые рентгеновские технологии раскрывают некоторые невероятные процессы, которые происходили в геологической истории Земли, и должны помочь нам выявить новые ценные руды.

Зеленый шарик — это богатый металлом расплавленный сульфид в руде из Норильского района в Сибири, самое ценное скопление металлов любого вида на планете. Фото: Стив Барнс, Автор предоставил

Мы видим, что некоторые из наиболее ценных скоплений металлов, когда-либо добытых человеком, образуются из расплавленных горных пород, в частности из расплавленных сульфидных минералов (тех, в которых сера является основным компонентом).

Эти скопления металлов, называемые рудными месторождениями, содержат никель, медь и кобальт — металлы, которые являются критическими компонентами литий-ионных аккумуляторов.

Даже при нынешних ценах крупные примеры таких некогда расплавленных рудных тел содержат никель на сотни миллиардов долларов, обычно с ценными побочными продуктами — медью, кобальтом, платиной и палладием.

Нам необходимо продолжать поиск новых месторождений высокого качества, таких как недавно открытое рудное тело Нова-Боллинджер к востоку от Калгурли в Западной Австралии, чтобы не отставать от неизбежного увеличения спроса. По текущим прогнозам, новый из них необходим каждый год, чтобы удовлетворить спрос на никель в литий-ионных батареях.

Лучшее понимание того, как эти залежи образовались в глубине земной коры миллионы лет назад, поможет нам повысить уровень успешности наших исследований.

Сантехническая система в древних вулканах

Геологический процесс, в результате которого руды образуются из расплавленных сульфидов, имеет много общего с плавкой (процедура, которую люди на протяжении тысячелетий использовали для извлечения чистых металлов из серосодержащих минералов).

Миллионы лет назад расплавленные минералы сульфида железа прореагировали с магмой в системе водоснабжения древних вулканов — фактически очистив никель, медь, кобальт и платину от незаменимых металлов. Эти минералы накапливались в достаточных концентрациях, чтобы их можно было добывать после того, как эрозия обнажила руду на поверхности.

Выплавка железной руды для производства стали

Выплавка железной руды для производства стали. Фото: от www.shutterstock.com

За последние несколько лет мы значительно улучшили наше понимание того, как образовались эти замечательные рудные месторождения. Это понимание было построено с использованием новых методов визуализации руд в двух и трех измерениях с использованием рентгеновских технологий в CSIRO и австралийском синхротроне.

Мы использовали технику, называемую рентгеновским картированием микропучков, чтобы сделать детальные 2-D изображения руд и камней, в которых они находятся.

Некоторые из этих изображений, такие как изображение в верхней части этой истории, созданы на рентгеновской флуоресцентной микроскопии на австралийском синхротроне с использованием системы детекторов Maia. Это позволяет собирать гигапиксельные изображения за считанные минуты.

Как включить свет

В дополнение к этому методу мы также применили трехмерную рентгеновскую томографию с высоким разрешением — эквивалент больничной компьютерной томографии — чтобы показать в трехмерных деталях форму и размер капель сульфидной жидкости, которые образовали руды. ,

Эффект состоял в том, чтобы включить свет в темной комнате: мы видели особенности внутри твердых камней, которые ранее не были обнаружены.

Оказывается, сульфидные жидкости обладают замечательными физическими свойствами. Они ведут себя как горячий нож сквозь масло: настолько едкие, что могут растопить свой путь сквозь твердые камни, в некоторых случаях оказываясь в десятках метров от своих первоначальных вмещающих камней.

Теперь мы знаем, что рудные тела образуются в очень специфических частях древних «водопроводных систем», которые питали магмы вулканами выше. Руды образовались там, где текущая магма была настолько горячей, что она растопила камни вокруг нее.

Затем сульфидная жидкость «горячего ножа» продолжала таять в полу, так что теперь руды находят впрыснутыми в подстилающие не магматические породы.

Рентгеновское томографическое изображение (КТ) образца руды

Рентгеновское томографическое изображение (КТ) образца руды, показывающее замороженные капли сульфидной жидкости в виде красных капель. Фото: Стив Барнс

В случае сверхгигантных никелевых руд Норильского региона в Сибири расплавленные породы также поставляли серу для образования рудных тел.

На самом деле, в результате этого процесса было выпущено так много серы, что значительная часть ее, наряду с огромным количеством никеля, была фактически выброшена в атмосферу, способствуя величайшему массовому вымиранию в истории Земли.

Игла в стогах сена

Этот тип работ помогает нам улучшить геологические модели, которые геологоразведочная отрасль использует для разведки новых месторождений.

Никелево-сульфидные руды являются общеизвестно трудными мишенями «иголки в стоге сена», и нам необходимо привнести наилучшее сочетание геофизических методов обнаружения и прогностических геологических моделей.

Так где дальше?

Исследования продолжаются: как в фундаментальных процессах рудообразования, так и в последствиях этого понимания того, где и как искать новые месторождения.

Некоторые минералы, которые образуются вместе с сульфидными рудами, могут рассеиваться эрозией, и реки переносят их на большие расстояния от самих месторождений.

Мы учимся распознавать эти химически различимые зерна так же, как исследователи алмазов используют «индикаторные минералы» для поиска плодородных кимберлитов (исходных камней для алмазов).

Мы также проводим более фундаментальные исследования, такие как использование аналогового материала (соленая вода и оливковое масло работают очень хорошо, оказывается) и вычислительных гидродинамических моделей на суперкомпьютерах, чтобы изучить физику того, как магматические руды выглядят так, как они делать.

По материалам phys.org