火山如何循环利用地壳 以发现对绿色技术至关重要的稀有金属

为了了解不久的将来的资源，地质学家需要了解遥远的过去的火山。在格陵兰岛等地探索古代岩浆房，有可能提供新的稀有金属资源，这些金属将成为现代绿色技术的基础。

许多稀有金属，如钕，铌和镝 -以生产风力涡轮机和电动车是必不可少的，从化石的火山开采。

火山是自然界将地球深处的物质带到地面的一种方式。地幔内部的融化过程-地热内部与稀薄的外部地壳之间的地球内部-产生岩浆，岩浆上升数百公里，并最终以火山的形式喷发到地表。

地壳由半刚性的构造板块组成，这些板块在被称为俯冲带的区域四处移动并碰撞形成山脉或下沉。火山将带入地球表面的物质量与通过下沉的构造板块返回地幔的相似量的物质平衡。

这指向我们所谓的“元素循环”，即深度的物质通过火山到达地表，然后通过俯冲再次返回地幔。地球科学中的主要问题之一是，这种俯冲的物质会发生什么变化，并在地幔中停留多长时间。

化石火山

我们最近的研究对格陵兰岛南部的一组古代火山进行了研究。大约13亿年前，格陵兰岛是一个火山景观，有着深裂谷，很像现代东非。大量火山喷发到陆地表面，类似于尼罗河的主要河流系统将这些火山中的矿物带到了广阔的地区。

格陵兰岛的河流和火山现在长期被侵蚀，但仍可以找到所运输的河流的沉积物，在这些古老的火山下面运行的火山“管道系统”保存了喷发岩浆的样本。

我们想了解元素循环与格陵兰这些古老火山中关键金属的浓度之间的关系。虽然研究有价值的元素本身很有用，但有时我们可以通过研究与它们相关的其他元素来了解有关地球元素周期的更多信息。

埃塞俄比亚裂谷的芬塔莱火山喷发了大量化学演化的岩浆，类似于格陵兰岛。作者提供

指纹硫

在我们的研究中，我们使用了具有四种稳定形式(称为同位素)的元素硫。每个都有稍微不同的质量。这很重要，因为自然过程可以选择性地将较轻的同位素与较重的同位素分离。就像在一个M&M袋上吃零食一样，您喜欢红色的M&M，而留下棕色的M&M，地质过程会导致不同材料中每种元素的相对丰度发生变化。

通过测量岩石中的同位素含量，我们可以了解形成岩石的过程。硫同位素特别有用，因为地球表面上的生物和地球化学过程(在低温下)在改变硫素特征方面非常有效，而岩浆过程(在高温下)在轻硫和重硫之间不会产生太大变化。

因此，岩浆岩中硫特征的变化使我们能够指纹识别地幔源中回收的地壳物质的痕迹。通过选择在不同地质时期活跃的火山，我们可以重建地幔成分和硫循环在地球历史上的变化。

地质学家很久以来就知道，随着生命的出现和变得越来越复杂，地球表面在过去的45亿年中发生了深刻的变化。在生活中对硫循环增加印记极大地改变沉积物的硫同位素比在地球表面，但这个烙印以前没有从地幔岩石记录。

作者提供

我们的工作首次表明，地幔的硫特征以与地球表面硫的变化大致匹配的方式发生了变化。生物和大气对表面硫信号的影响似乎已经转移到地球内部。

这意味着地球的表面和地幔是紧密相连的(一个对另一个的变化做出响应)，尽管这种回收的时间尺度仍然未知。我们的数据表明，曾经存在于地球表面的硫通过构造板块活动回到了地幔，然后(13亿年前)发现自己又回到了格陵兰火山的地表。就像地质上的déjà-vu。

一个周期还是多个周期?

在地质时期内，地壳和地幔之间循环了多少次硫?我们目前尚不知道答案，但是我们的研究描绘了地球是表面硫和地幔紧密相连的全球元素输送带的图景。

这项研究具有许多意义。地质学中的一个主要问题是稀有金属沉积物如何形成，尤其是绿色能源革命必不可少的高科技金属。硫的故事似乎与我们在其他同位素上的研究相吻合。例如，世界上最大的钽元素矿床之一(用于电子设备，也集中在格陵兰岛的一座古老火山中)具有同位素指纹，也暗示着地壳的再循环。

可能是这些全球周期将元素从地表带到地幔，然后又返回了许多次，每次都有效地集中了这些元素。我们已经记录的硫的全球循环可能是产生对现代技术至关重要的金属沉积物的重要先兆。通过了解数十亿年前发生的板块构造和岩浆作用过程，我们获得了有关如何识别和了解未来矿产资源的见识。