Om de hulpbronnen van de nabije toekomst te begrijpen, geologen moeten de vulkanen uit het verre verleden begrijpen. Verkenning van oude magmakamers op plaatsen zoals Groenland kan nieuwe bronnen opleveren van de zeldzame metalen die aan de basis liggen van moderne groene technologieën.

Veel zeldzame metalen, zoals neodymium, niobium en dysprosium - essentieel voor de productie van windturbines en elektrische auto's, worden gewonnen uit fossiele vulkanen.

Vulkanen zijn de manier van de natuur om materiaal van diep in de aarde naar de oppervlakte te brengen. Smeltprocessen in de mantel - het binnenste deel van de aarde tussen de oververhitte kern en de dunne buitenste korst - produceren magma dat honderden kilometers opstijgt en uiteindelijk als vulkanen naar de oppervlakte barst.

De aardkorst bestaat uit halfstijve tektonische platen die bewegen en botsen om bergen te vormen of onder elkaar wegzakken in gebieden die subductiezones worden genoemd. De hoeveelheid materiaal die door vulkanen naar het aardoppervlak wordt gebracht, wordt gecompenseerd door vergelijkbare hoeveelheden materiaal die via zinkende tektonische platen terug in de mantel gaan.

Dit wijst op wat we 'elementcycli' noemen, " waar materiaal uit de diepte via vulkanen naar de oppervlakte komt en vervolgens via subductie weer naar de mantel terugkeert. Een van de grote vragen in de aardwetenschappen is wat er met dit subductieve materiaal gebeurt en hoe lang het in de mantel blijft.

fossiele vulkanen

Ons recente onderzoek bestudeerde een groep oude vulkanen in het zuiden van Groenland. Ongeveer 1,3 miljard jaar geleden, Groenland was een vulkanisch landschap met diepe kloofvalleien die veel weg hadden van het moderne Oost-Afrika. Aanzienlijke vulkanen barstten uit op het landoppervlak en grote riviersystemen vergelijkbaar met de Nijl voerden mineralen van deze vulkanen over enorme gebieden.

De rivieren en vulkanen in Groenland zijn nu al lang uitgehold, maar de sedimenten die de rivier heeft getransporteerd, zijn nog steeds te vinden, en de vulkanische "sanitairsystemen" die onder deze oude vulkanen werkten, hebben monsters bewaard van de magma's die zijn uitgebarsten.

We wilden begrijpen hoe elementcycli zich verhouden tot de concentratie van kritische metalen in deze oude vulkanen in Groenland. Hoewel het nuttig is om de waardevolle elementen zelf te bestuderen, soms kunnen we meer te weten komen over de elementcycli van de aarde door andere elementen te bestuderen die ermee verband houden.

Vingerafdrukken zwavel

In ons onderzoek hebben we het element zwavel gebruikt, waarvan er vier stabiele vormen zijn (isotopen genaamd). Elk heeft een iets andere massa. Dit is belangrijk omdat natuurlijke processen lichtere isotopen selectief kunnen scheiden van zwaardere isotopen. Net zoals snacken op een zakje M&M's waar je de rode het liefste hebt en de bruine M&M's achterlaat, geologische processen leiden tot variaties in de relatieve abundanties van elk element in verschillende materialen.

Door de hoeveelheid isotoop in gesteente te meten, we kunnen leren over de processen die ze hebben gevormd. zwavelisotopen zijn bijzonder nuttig omdat bio- en geochemische processen op het aardoppervlak (bij lage temperaturen) zeer efficiënt zijn in het wijzigen van zwavelsignaturen, terwijl magmatische processen (bij hoge temperaturen) niet veel variatie tussen lichte en zware zwavel veroorzaken.

Dus de variaties in zwavelsignaturen in magmatische gesteenten stellen ons in staat om sporen van gerecycled korstmateriaal in de mantelbron te vingerafdrukken. Door vulkanen te kiezen die actief waren in verschillende perioden van geologische tijd, we reconstrueren hoe de samenstelling van de mantel en de zwavelcyclus in de loop van de geschiedenis van de aarde hebben gevarieerd.

Geologen weten al heel lang dat het aardoppervlak de afgelopen 4,5 miljard jaar ingrijpend is veranderd naarmate het leven opkwam en steeds complexer werd. De toenemende afdruk van het leven op de zwavelcyclus heeft de zwavelisotoopverhouding van sedimenten aan het aardoppervlak drastisch veranderd, maar deze afdruk is niet eerder gedocumenteerd in rotsen uit de mantel.

Ons werk laat voor het eerst zien dat de zwavelsignatuur van de aardmantel is veranderd op een manier die in grote lijnen overeenkomt met de veranderingen in zwavel op het aardoppervlak. Biologische en atmosferische effecten op de oppervlaktezwavelsignatuur lijken helemaal naar het binnenste van de aarde te zijn overgebracht.

Dit betekent dat het aardoppervlak en de mantel sterk met elkaar verbonden zijn - de ene reageert op veranderingen in de andere - hoewel de tijdschalen van deze recycling onbekend blijven. Onze gegevens laten zien dat zwavel dat zich ooit op het aardoppervlak bevond, door tektonische plaatactiviteit terug in de mantel terechtkwam en vervolgens - 1,3 miljard jaar geleden - terugkwam naar de oppervlakte in de vulkanen van Groenland. Het is als geologisch déjà-vu .

Eén cyclus of meerdere?

Hoe vaak is zwavel in de loop van de geologische tijd tussen de aardkorst en de mantel gerecycled? We weten momenteel het antwoord hierop niet, maar ons onderzoek schetst een beeld van de aarde als een globale transportband voor elementen met zwavel aan het oppervlak en mantel die nauw met elkaar verbonden zijn.

Het onderzoek heeft veel implicaties. Een belangrijke vraag in de geologie is hoe zeldzame metaalafzettingen ontstaan, vooral de hightech metalen die essentieel zijn voor de groene energierevolutie. Het verhaal over zwavel lijkt overeen te komen met ons werk aan andere isotopen. Bijvoorbeeld, one of the world's biggest deposits of the element tantalum (used in electronics and also concentrated in one of the ancient volcanoes in Greenland) has isotopic fingerprints that also hint at crustal recycling.

It may be that these global cycles have taken elements from surface to mantle and back again many times, effectively concentrating those elements each time. The global cycle that we have documented in sulfur may be an essential precursor to generate the metal deposits that are crucial to modern technologies. By understanding plate tectonics and magmatic processes that took place billions of years ago, we gain insights into how to identify and understand the mineral resources of the future.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.