Мощное рентгеновское излучение раскрывает механизм формирования гигантских месторождений редкоземельных элементов и может указать путь к устойчивой добыче

Более десяти лет назад так называемый "кризис редкоземельных элементов" показал уязвимость цепочек поставок этих металлов, критически важных для перехода к углеродно-нейтральной экономике. Большая часть мировых запасов этих минералов сосредоточена в нескольких гигантских рудных месторождениях, однако о процессах их формирования известно мало. Чтобы это понять, ученые воссоздали экстремальные температуры, давления и химические условия, существующие на километровых глубинах, и использовали интенсивное рентгеновское излучение для исследования поведения редкоземельных элементов на молекулярном уровне.

Было обнаружено ранее неизвестный процесс, в ходе которого редкоземельные элементы могут связываться с обычным карбонат-ионом в горячих флюидах под высоким давлением. Это дает ключ к пониманию формирования месторождений, а также к возможности "обратного проектирования" процесса для более устойчивой добычи этих металлов. Современные гигантские месторождения, такие как Баян-Обо во Внутренней Монголии, связаны с карбонатитовыми и щелочными магмами, но для образования руды требуется второй этап концентрации с участием горячих флюидов, богатых карбонатами.

Исследование проводилось на линии поглощения FAME в Европейском центре синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле, Франция. Ученые использовали специальный автоклав ("геологическую кастрюлю") для создания температур до 600°C и давлений до 200 МПа, что соответствует глубинам около 7 км в земной коре. Мощный синхротрон позволил зондировать состав и молекулярную структуру флюидов и растворенных в них материалов.

Результаты показали, что богатые карбонатом флюиды могут переносить большие количества редкоземельных элементов, а добавление фтора почти не влияет на эту способность. Это означает, что такие флюиды могут транспортировать редкоземельные элементы и фтор вместе, что приводит к осаждению рудных минералов вроде бастнезита при охлаждении. Эксперименты также показывают, что карбонатные флюиды по-разному концентрируют легкие (например, лантан) и тяжелые (например, гадолиний и иттербий) редкоземельные элементы при разных температурах, что важно для экономической оценки руд. Полученные данные открывают новый путь для переработки руд: использование экологически безопасных карбонатных растворов для выщелачивания редкоземельных элементов из руды при высоких температурах.