Per comprendere le risorse del prossimo futuro, i geologi hanno bisogno di capire i vulcani del lontano passato. L'esplorazione di antiche camere magmatiche in luoghi come la Groenlandia ha il potenziale per fornire nuove fonti di metalli rari che sono alla base delle moderne tecnologie verdi.

Molti metalli rari, come il neodimio, niobio e disprosio – essenziali per la produzione di turbine eoliche e auto elettriche, sono estratti da vulcani fossili.

I vulcani sono il modo in cui la natura porta il materiale dalle profondità della terra fino alla superficie. I processi di fusione all'interno del mantello - la parte interna della Terra tra il nucleo surriscaldato e la sottile crosta esterna - producono magma che si alza per centinaia di chilometri e alla fine erutta in superficie sotto forma di vulcani.

La crosta terrestre è costituita da placche tettoniche semirigide che si muovono e si scontrano per formare montagne o affondano l'una sotto l'altra in regioni chiamate zone di subduzione. Il volume di materiale portato sulla superficie terrestre dai vulcani è bilanciato da quantità simili di materiale che ritorna nel mantello attraverso placche tettoniche che affondano.

Questo indica ciò che chiamiamo "cicli di elementi, " dove il materiale dalla profondità sale in superficie tramite i vulcani e poi ritorna di nuovo nel mantello tramite subduzione. Una delle grandi domande nelle Scienze della Terra è cosa succede a questo materiale subdotto e per quanto tempo risiede nel mantello.

Vulcani fossili

La nostra recente ricerca ha studiato un gruppo di antichi vulcani nel sud della Groenlandia. Circa 1,3 miliardi di anni fa, La Groenlandia era un paesaggio vulcanico con profonde rift valley, molto simile alla moderna Africa orientale. Vulcani sostanziali eruttarono sulla superficie terrestre e i principali sistemi fluviali simili al Nilo trasportavano minerali da questi vulcani su vaste aree.

I fiumi e i vulcani della Groenlandia sono ormai da tempo erosi, ma si trovano ancora i sedimenti che il fiume trasportava, e i "sistemi idraulici" vulcanici che operavano sotto questi antichi vulcani hanno conservato campioni dei magmi eruttati.

Volevamo capire come il ciclo degli elementi si collega alla concentrazione di metalli critici in questi antichi vulcani in Groenlandia. Mentre è utile studiare gli elementi di valore stessi, a volte possiamo imparare di più sui cicli degli elementi della Terra studiando altri elementi ad essi associati.

Zolfo per impronte digitali

Nel nostro studio abbiamo utilizzato l'elemento zolfo di cui esistono quattro forme stabili (chiamate isotopi). Ognuno ha una massa leggermente diversa. Questo è importante perché i processi naturali possono separare selettivamente gli isotopi più leggeri dagli isotopi più pesanti. Proprio come fare uno spuntino su un sacchetto di M&M's dove preferisci quelli rossi e lasci dietro gli M&Ms marroni, i processi geologici portano a variazioni nelle abbondanze relative di ciascun elemento nei diversi materiali.

Misurando la quantità di isotopi nelle rocce, possiamo conoscere i processi che li hanno formati. gli isotopi di zolfo sono particolarmente utili perché i processi bio e geochimici sulla superficie terrestre (a basse temperature) sono molto efficienti nel modificare le firme dello zolfo, mentre i processi magmatici (ad alte temperature) non creano molta variazione tra zolfo leggero e pesante.

Quindi le variazioni nelle firme di zolfo nelle rocce magmatiche ci consentono di rilevare tracce di materiale crostale riciclato nella fonte del mantello. Scegliendo vulcani attivi in ​​diverse epoche geologiche, ricostruiamo come la composizione del mantello e il ciclo dello zolfo sono variati nel corso della storia della Terra.

I geologi sanno da molto tempo che la superficie terrestre è cambiata profondamente negli ultimi 4,5 miliardi di anni quando la vita è emersa ed è diventata progressivamente più complessa. La crescente impronta della vita sul ciclo dello zolfo ha cambiato drasticamente il rapporto isotopico di zolfo dei sedimenti sulla superficie della Terra, ma questa impronta non è stata precedentemente documentata nelle rocce del mantello.

Il nostro lavoro mostra per la prima volta che la firma dello zolfo del mantello terrestre è cambiata in un modo che corrisponde ampiamente ai cambiamenti dello zolfo sulla superficie terrestre. Gli impatti biologici e atmosferici sulla firma dello zolfo superficiale sembrano essere stati trasferiti fino all'interno della Terra.

Ciò significa che la superficie e il mantello della Terra sono fortemente collegati, l'uno risponde ai cambiamenti nell'altro, anche se i tempi di questo riciclaggio rimangono sconosciuti. I nostri dati mostrano che lo zolfo che un tempo si trovava sulla superficie terrestre è tornato nel mantello attraverso l'attività delle placche tettoniche e poi, 1,3 miliardi di anni fa, si è ritrovato a tornare in superficie nei vulcani della Groenlandia. È come geologico già visto .

Un ciclo o molti?

Quante volte lo zolfo è stato riciclato tra la crosta terrestre e il mantello nel corso del tempo geologico? Al momento non conosciamo la risposta a questa domanda, ma la nostra ricerca dipinge un'immagine della Terra come un nastro trasportatore di elementi globali con zolfo superficiale e mantello strettamente collegati.

Lo studio ha molte implicazioni. Una delle principali domande in geologia è come si formano i depositi di metalli rari, in particolare i metalli ad alta tecnologia che sono essenziali per la rivoluzione dell'energia verde. La storia dello zolfo sembra essere coerente con il nostro lavoro su altri isotopi. Per esempio, 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.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.