Om världen ska upprätthålla en hållbar ekonomi och avvärja de värsta effekterna av klimatförändringarna, åtminstone en industri kommer snart att behöva öka dramatiskt:brytningen av metaller som behövs för att skapa en enorm infrastruktur för förnybar kraftproduktion, lagring, överföring och användning. Problemet är, Efterfrågan på sådana metaller kommer sannolikt att vida överstiga för närvarande både kända fyndigheter och den befintliga teknik som används för att hitta fler malmkroppar.

Nu, i en ny studie, Forskare har upptäckt tidigare okända strukturella linjer 100 miles eller mer nere i jorden som verkar signalera var gigantiska avlagringar av koppar finns, leda, zink och andra vitala metaller som ligger tillräckligt nära ytan för att brytas, men för långt ner för att kunna hittas med nuvarande prospekteringsmetoder. Upptäckten kan avsevärt begränsa sökområdena, och minska fotavtrycket från framtida gruvor, säger författarna. Studien visas denna vecka i tidskriften Naturgeovetenskap .

"Vi kan inte komma bort från dessa metaller - de finns i allt, och vi kommer inte att återvinna allt som någonsin gjorts, " sa huvudförfattaren Mark Hoggard, en postdoktor vid Harvard University och Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory. "Det finns ett verkligt behov av alternativa källor."

Studien fann att 85 procent av alla kända basmetallavlagringar som finns i sediment - och 100 procent av alla "gigantiska" avlagringar (de som innehåller mer än 10 miljoner ton metall) - ligger ovanför djupt begravda linjer som omsluter planeten som markerar kanterna av antika kontinenter. Specifikt, avlagringarna ligger längs gränserna där jordens litosfär - planetens styva yttersta beklädnad, bestående av skorpan och den övre manteln tunnar ut till cirka 170 kilometer under ytan.

Tills nu, alla sådana avlagringar har hittats i stort sett på ytan, och deras platser har verkat vara något slumpmässiga. De flesta upptäckter har i princip gjorts av geologer som finkammat marken och slagit mot stenar med hammare. Geofysiska utforskningsmetoder som använder gravitation och andra parametrar för att hitta begravda malmkroppar har kommit in under de senaste decennierna, men resultaten har varit överväldigande. Den nya studien presenterar geologer med en ny, högteknologisk skattkarta som talar om för dem var de ska leta.

På grund av kraven från modern teknik och tillväxten av befolkningar och ekonomier, behovet av basmetaller under de kommande 25 åren förväntas överträffa alla basmetaller som hittills utvunnits i mänsklighetens historia. Koppar används i i princip all elektronikledning, från mobiltelefoner till generatorer; bly för solceller, högspänningskablar, batterier och superkondensatorer; och zink för batterier, samt gödningsmedel i regioner där det är en begränsande faktor i jordar, inklusive stora delar av Kina och Indien. Många basmetallgruvor ger också mer sällsynta behövliga element, inklusive kobolt, iridium och molybden. En nyligen genomförd studie tyder på att för att utveckla en hållbar global ekonomi, mellan 2015 och 2050 måste elektriska personfordon öka från 1,2 miljoner till 1 miljard; batterikapacitet från 0,5 gigawattimmar till 12, 000; och solcellskapacitet från 223 gigawatt till mer än 7, 000.

Den nya studien startade 2016 i Australien, där mycket av världens leder, zink och koppar bryts. Regeringen finansierade arbete för att se om gruvor i den norra delen av kontinenten hade något gemensamt. Den byggde på det faktum att de senaste åren, forskare runt om i världen har använt seismiska vågor för att kartlägga litosfärens mycket varierande djup, som sträcker sig ner till 300 kilometer i kärnorna i de äldsta, ostörda kontinentala massor, och avsmalnar till nära noll under de yngre stenarna på havsbotten. När kontinenter har förändrats, kolliderade och spricker under många eoner, deras underytor har utvecklat ärrliknande litosfäriska oregelbundenheter, varav många nu har kartlagts.

Studiens författare fann att de rikaste australiensiska gruvorna låg prydligt längs linjen där tjocka, gamla litosfären graderar ut till 170 kilometer när den närmar sig kusten. De utökade sedan sin utredning till cirka 2, 100 sedimentgruvor över hela världen, och hittade ett identiskt mönster. Några av de 170 kilometer långa gränserna ligger nära nuvarande kustlinjer, men många är inbäddade djupt inne i kontinenterna, ha bildats på olika punkter i det avlägsna förflutna när kontinenterna hade olika former. Vissa är upp till 2 miljarder år gamla.

Forskarnas karta visar sådana zoner som går genom alla kontinenter, inklusive områden i västra Kanada; Australiens kuster, Grönland och Antarktis; den västra, sydöstra och stora sjöarna i USA; och stora delar av Amazonas, nordvästra och södra Afrika, norra Indien och Centralasien. Medan några av de identifierade områdena redan har enorma gruvor, andra är helt tomma på gruvkartan.

Författarna tror att metallavlagringarna bildades när tjocka kontinentala bergarter sträckte ut sig och föll för att bilda en fördjupning, som en tuggummi som dras isär. Detta tunnade ut litosfären och tillät havsvatten att strömma in. Under långa perioder, dessa vattniga låga fläckar fylldes ut med metallbärande sediment från angränsande, högre höjder. Saltvatten cirkulerade sedan nedåt tills det nådde djup där kemiska och temperaturförhållanden var helt rätt för metaller som plockades upp av vattnet i djupa delar av bassängen för att fällas ut och bilda gigantiska avlagringar, allt från 100 meter till 10 kilometer under den dåvarande ytan. Nyckelingrediensen var litosfärens djup. Där det är tjockast, lite värme från den heta nedre manteln stiger till potentiella ytnära malmbildande zoner, och där den är tunnast, mycket värme kommer igenom. Den 170 kilometer långa gränsen verkar vara Goldilocks-zonen för att skapa precis rätt temperaturförhållanden, så länge som rätt kemi också finns.

"Det träffar verkligen bara den söta punkten, ", sa Hoggard. "Dessa avlagringar innehåller massor av metall bunden i högvärdiga malmer, så när du hittar något sånt här, du behöver bara gräva ett hål." De flesta nuvarande basmetallgruvor är utbredda, destruktiva dagbrottsoperationer. Men i många fall, fyndigheter som börjar så långt ner som en kilometer skulle förmodligen kunna brytas ekonomiskt, och dessa skulle "nästan säkert tas ut via mycket mindre störande schakt, sa Hoggard.

Studien lovar att öppna prospektering i hittills dåligt utforskade områden, inklusive delar av Australien, centralasien och västra Afrika. Baserat på en preliminär rapport av den nya studie som författarna presenterade vid en akademisk konferens förra året, ett fåtal företag verkar redan ha tagit mark i Australien och Nordamerika. Men gruvindustrin är notoriskt hemlig, så det är ännu inte klart hur utbredd sådan verksamhet kan vara.

"Detta är ett verkligt djupt fynd och är första gången någon har föreslagit att mineralavlagringar som bildats i sedimentära bassänger ... på djup av bara kilometer i jordskorpan kontrollerades av krafter på djup på hundratals kilometer vid basen av litosfären , ", sa en rapport i Mining Journal som granskade den preliminära presentationen förra året.

Studiens andra författare är Karol Czarnota från Geoscience Australia, vem ledde det inledande australiska kartläggningsprojektet; Fred Richards från Harvard University och Imperial College London; David Huston från Geoscience Australia; och A. Lynton Jaques och Sia Ghelichkhan från Australian National University.

Hoggard har satt studien i ett globalt sammanhang på sin hemsida:https://mjhoggard.com/2020/06/29/treasure-maps