För att förstå resurserna i den närmaste framtiden, geologer måste förstå vulkanerna från det avlägsna förflutna. Utforskning av forntida magmakammare på platser som Grönland har potential att tillhandahålla nya källor till de sällsynta metaller som ligger till grund för modern grön teknik.

Många sällsynta metaller – som neodym, niob och dysprosium – avgörande för produktionen av vindkraftverk och elbilar, utvinns från fossila vulkaner.

Vulkaner är naturens sätt att föra material från djupet av jorden upp till ytan. Smältprocesser inuti manteln – den inre delen av jorden mellan den överhettade kärnan och den tunna yttre skorpan – producerar magma som stiger upp hundratals kilometer och så småningom bryter ut på ytan som vulkaner.

Jordskorpan består av halvstyva tektoniska plattor som rör sig runt och kolliderar för att bilda berg eller sjunka under varandra i regioner som kallas subduktionszoner. Volymen material som förs till jordens yta av vulkaner balanseras av liknande mängder material som går tillbaka in i manteln via sjunkande tektoniska plattor.

Detta pekar på vad vi kallar "elementcykler, " där material från djupet kommer upp till ytan via vulkaner och sedan återvänder till manteln via subduktion. En av de stora frågorna inom geovetenskap är vad som händer med detta subducerade material och hur länge det vistas i manteln.

Fossila vulkaner

Vår senaste forskning studerade en grupp gamla vulkaner på södra Grönland. För cirka 1,3 miljarder år sedan, Grönland var ett vulkaniskt landskap med djupa sprickdalar ungefär som det moderna Östafrika. Betydande vulkaner bröt ut på landytan och stora flodsystem som liknar Nilen förde mineraler från dessa vulkaner över enorma områden.

Floderna och vulkanerna på Grönland är nu länge eroderade, men sedimenten som floden transporterade kan fortfarande hittas, och de vulkaniska "VVS-systemen" som fungerade under dessa gamla vulkaner har bevarat prover av magman som bröt ut.

Vi ville förstå hur elementcykling relaterar till koncentrationen av kritiska metaller i dessa gamla vulkaner på Grönland. Även om det är användbart att studera de värdefulla delarna i sig, ibland kan vi lära oss mer om jordens elementcykler genom att studera andra element som är associerade med dem.

Fingeravtryck svavel

I vår studie använde vi grundämnet svavel som det finns fyra stabila former av (kallade isotoper). Var och en har lite olika massa. Detta är viktigt eftersom naturliga processer selektivt kan separera lättare isotoper från tyngre isotoper. Ungefär som att småäta en påse M&M där du föredrar de röda och lämnar de bruna M&M bakom sig, geologiska processer leder till variationer i de relativa mängderna av varje element i olika material.

Genom att mäta mängden isotoper i bergarter, vi kan lära oss om processerna som bildade dem. svavelisotoper är särskilt användbara eftersom bio- och geokemiska processer på jordens yta (vid låga temperaturer) är mycket effektiva för att modifiera svavelsignaturer, medan magmatiska processer (vid höga temperaturer) inte skapar så stor variation mellan lätt och tungt svavel.

Så variationerna i svavelsignaturer i magmatiska bergarter tillåter oss att fingeravtrycka spår av återvunnet skorpmaterial i mantelkällan. Genom att välja vulkaner som var aktiva under olika perioder av geologisk tid, vi rekonstruerar hur mantelsammansättningen och svavlets kretslopp har varierat under jordens historia.

Geologer har länge vetat att jordens yta har förändrats djupt under de senaste 4,5 miljarder åren när livet uppstod och blev allt mer komplext. Det ökande avtrycket av liv på svavelcykeln har dramatiskt förändrat svavelisotopförhållandet av sediment på jordens yta, men detta avtryck har inte tidigare dokumenterats i stenar från manteln.

Vårt arbete visar för första gången att svavelsignaturen på jordens mantel förändrades på ett sätt som i stort sett överensstämmer med förändringarna i svavel på jordens yta. Biologiska och atmosfäriska effekter på ytans svavelsignatur verkar ha överförts hela vägen in i jordens inre.

Detta innebär att jordens yta och mantel är starkt sammankopplade – den ena reagerar på förändringar i den andra – även om tidsskalor för denna återvinning är okända. Våra data visar att svavel som en gång fanns på jordens yta gick tillbaka in i manteln genom tektonisk plattaktivitet och sedan - för 1,3 miljarder år sedan - hittade sig själv att komma tillbaka till ytan i de grönländska vulkanerna. Det är som geologiskt Deja vu .

En cykel eller många?

Hur många gånger har svavel återvunnits mellan jordskorpan och manteln under geologisk tid? Vi vet för närvarande inte svaret på detta men vår forskning målar upp en bild av jorden som ett globalt elementtransportband med ytsvavel och mantel nära sammanlänkade.

Studien har många implikationer. En viktig fråga inom geologi är hur sällsynta metallavlagringar bildas, särskilt de högteknologiska metallerna som är avgörande för revolutionen av grön energi. Berättelsen från svavel verkar stämma överens med vårt arbete med andra isotoper. Till exempel, en av världens största fyndigheter av grundämnet tantal (används i elektronik och även koncentrerad i en av de gamla vulkanerna på Grönland) har isotopiska fingeravtryck som också tyder på jordskorpans återvinning.

Det kan vara så att dessa globala cykler har tagit element från yta till mantel och tillbaka igen många gånger, 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.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.