Forskare vid University of Oxford visar hur det är möjligt att direkt utvinna värdefulla metaller från heta salta vätskor ('saltlösningar') som fångas i porösa stenar på djup av cirka 2 km under vilande vulkaner. De föreslår denna radikala gröna gruvdrift för att tillhandahålla essentiella metaller för en nettonoll framtid – koppar, guld, zink, silver och litium – på ett hållbart sätt.

Magma under vulkaner släpper ut gaser som stiger upp mot ytan. Dessa gaser är rika på metaller. När trycket sjunker, gaserna separeras i ånga och saltlake. De flesta metaller lösta i den ursprungliga magmatiska gasen koncentreras i den täta saltlösningen, som i sin tur fastnar i poröst berg. Ju mindre tät, och metallutarmad ånga fortsätter upp till ytan, där det kan bilda fumaroler, som de som ses vid många aktiva vulkaner.

I en ny tidning, publiceras idag i Open Science , Oxford forskare, baserad på institutionen för geovetenskaper, avslöja hur detta fångade, underjordisk saltlake är en potentiell "flytande malm" som innehåller en mängd värdefulla metaller, inklusive guld, koppar och litium, som skulle kunna utnyttjas genom att extrahera vätskorna till ytan via djupa brunnar.

Deras modeller visar att saltlösningarna potentiellt innehåller flera miljoner ton koppar. Koppar är en nyckelmetall för att göra övergången till nettonoll, på grund av dess betydelse för elproduktion och överföring, och elfordon.

Professor Jon Blundy, baserad på institutionen för geovetenskaper och huvudförfattare, säger att "Att komma till nettonoll kommer att ställa en aldrig tidigare skådad efterfrågan på naturmetallresurser, krav som återvinningen ensam inte kan möta. Vi måste tänka på lågenergi, hållbara sätt att utvinna metaller från marken. Vulkaner är ett uppenbart och allestädes närvarande mål."

Uppsatsen visar också hur geotermisk kraft kommer att vara en betydande biprodukt av en grön gruvdrift, vilket innebär att verksamheten vid brunnshuvudet blir koldioxidneutral.

Konventionell gruvdrift extraherar metaller, som koppar, från djupa gropar eller underjordiska gruvor i form av fasta malmer som sedan behöver krossas och bearbetas. När det gäller koppar är över 99 % av det krossade berget avfall. Sådana gruvor är miljöpåverkande, mycket dyr att bygga och avveckla, producera enorma avfallshögar av gråberg, och är mycket energikrävande och CO ₂ -producera.

Utsikten att utvinna metaller i lösningsform från brunnar minskar kostnaderna för gruvdrift och malmbearbetning, plus utnyttjar geotermisk kraft för att driva verksamheten. Detta minskar avsevärt miljöpåverkan från metallproduktion.

Professor Blundy, säger att "aktiva vulkaner runt om i världen släpper ut enorma mängder värdefulla metaller till atmosfären. En del av denna metallbegåvning når inte ytan, men fastnar som vätskor i heta stenar på cirka 2 km djup. Grön gruvdrift representerar ett nytt sätt att utvinna både metallbärande vätskor och geotermisk kraft, på ett sätt som dramatiskt minskar miljöpåverkan från konventionell gruvdrift."

Forskningen är en del av en internationell satsning (mellan Storbritannien och Ryssland) som använder vulkanologi, hydrodynamisk modellering, geokemi, geofysik och högtemperaturexperiment.

Teamet har arbetat med borrkärna från ett antal djupa geotermiska system (i Japan, Italien, Montserrat, Indonesien, Mexiko) för att bekräfta sina förutsägelser om metallrika saltlösningar.

Professor Blundy, som nu finansieras av en forskningsprofessur från Royal Society för att arbeta med vulkaner och grön gruvdrift, säger att "grön gruvdrift är en vetenskaplig och ingenjörsmässig utmaning som vi hoppas att både forskare och regeringar kommer att anamma i strävan mot nettonoll."

Forskarna säger att geofysiska undersökningar av vulkaner visar att nästan varje aktiv och vilande vulkan är värd för en potentiellt exploateringsbar "lins" av metallrik saltlösning. Detta innebär att metallprospektering kanske inte är begränsad till relativt få länder som det är för närvarande (Chile, U.S., Peru, Kina, DRC etc), på grund av vulkaner runt om i världen.

De huvudsakliga riskerna är tekniska. Processen innebär att man borrar i berg på 2 km djup och vid temperaturer över 450 °C. De extraherade vätskorna är frätande, vilket sätter gränser för typerna av borrmaterial. De extraherade vätskorna tenderar att dumpa sin metalllast i borrhålet, ett problem som kallas "fjällning" (lite som kalkavlagringar i en vattenkokare). Att förhindra beläggningsbildning kommer att kräva komplext tänkande om dynamiken i vätskeflödet och tryck-temperaturkontroll i borrhålet. För att förhindra korrosion av borrhål kommer det att krävas utveckling inom materialvetenskap för att skapa resistiva beläggningar.

Enligt Oxford-teamet, många av dessa utmaningar hanteras redan genom djupa, heta geotermiska borrprojekt. I vissa fall har dessa projekt nått temperaturer över 500 °C; ibland har de tappat i små fickor av smält sten, till exempel på Island och Hawaii.

Att säkerställa att vätskorna fortsätter att strömma in i brunnen när de väl har borrats är ett komplext problem och permeabiliteten och porositeten hos heta, duktilt berg är ett utmanande område. Oxford-teamet har redan patenterat en idé för vätskeextraktion.

De säger att risken för att utlösa vulkanutbrott är mycket liten, men måste bedömas. De planerar inte att borra i själva magma, men in i de heta klipporna ovanför magmakammaren, vilket avsevärt minskar risken för att möta magma

Forskarna har ägnat de senaste fem åren åt att minska risken för konceptet, och är nu redo att borra en prospekteringsbrunn vid en vilande vulkan. Detta kommer att klargöra många av de risker och utmaningar som beskrivs, och kommer att förebåda ett nytt framsteg i vår förståelse av vulkaner och deras enorma mängd energi och metaller.

Professor Blundy, säger att "att fortsätta arbetet med att minska riskerna, som vi driver på många fronter genom ett internationellt samarbete, är viktigt. Likaså, vi måste identifiera den bästa vulkanen i testfallet för att borra en prospekteringsbrunn."

De säger att en fungerande "saltgruva" kan vara fem till 15 år bort, beroende på hur väl utmaningarna kan hanteras.