Giải mã bí ẩn về sự hình thành của các mỏ đất hiếm

Một nhóm các nhà khoa học quốc tế mới đây tuyên bố đã làm sáng tỏ một bí ẩn lâu đời về cách các mỏ đất hiếm hình thành dưới lòng đất và đôi khi chúng biến mất không dấu vết.

Nguyên tố đất hiếm (REEs) là tập hợp 17 nguyên tố hóa học có giá trị cực kỳ quan trọng trong sản xuất thiết bị công nghệ, được sử dụng làm nguyên liệu thô quan trọng trong mọi thứ từ điện thoại thông minh đến ổ đĩa, tuabin gió, vệ tinh, xe điện hay thiết bị y tế.

Mặc dù tên gọi của chúng cho thấy chúng rất hiếm, nhưng trên thực tế, chúng có thể là nguồn tài nguyên tương đối dồi dào trong vỏ Trái đất. Sự phân tán tán xạ của chúng làm cho chúng khó bị cô lập và chiết xuất từ dưới bề mặt, chưa nói đến những cách thân thiện với môi trường.

Vì lý do này, các mỏ REE cô đặc là một nguồn tài nguyên thiên nhiên rất được thèm muốn và các nhà khoa học đang liên tục tìm kiếm những cách thức mới tốt hơn để tìm kiếm và bảo đảm các khoáng sản có giá trị.

Trong một nghiên cứu mới do nhà địa chất học Michael Anenburg từ Đại học Quốc gia Úc dẫn đầu, các nhà nghiên cứu kỳ vọng khám phá các cơ chế hóa học mà REE hình thành dưới bề mặt, cụ thể là trong và xung quanh đá cacbonatite liên kết chặt chẽ với các nguyên tố.

“Những loại đá quý hiếm này và các dẫn xuất bị thay đổi, phong hóa của chúng cung cấp hầu hết REE trên thế giới. Không có mô hình thống nhất nào giải thích tất cả các đặc điểm của REE liên quan đến cacbonatite làm ảnh hưởng mạnh mẽ đến việc thăm dò cần thiết để đảm bảo nguồn cung trong tương lai”, các nhà nghiên cứu giải thích.

Để điều tra các quá trình khoáng hóa đằng sau trầm tích REE liên quan đến cacbonatite, Anenburg và nhóm nghiên cứu của ông đã mô phỏng điều gì xảy ra khi đá cacbonatite nóng lên dưới áp suất cao, trước khi làm mát và giảm áp giống như trong các quá trình magma tự nhiên.

Đưa một lượng nhỏ cacbonatite tổng hợp vào các viên nang bạc hoặc niken trong một thiết bị xi-lanh piston, các nhà nghiên cứu đã đặt các mẫu này ở nhiệt độ lên đến 1.200 độ C với áp suất lên đến 2,5 gigapascals (GPa), trước khi dần dần giải nén và làm lạnh chúng xuống 200 độ C và 0,2 GPa.

Trước đây, người ta nghĩ rằng một số phối tử nhất định – các phân tử có khả năng liên kết với REE, bao gồm clo và flo – là cần thiết để làm cho REE hòa tan, có khả năng huy động các hóa chất thành các nồng độ tinh thể có khả năng chiết xuất.

Nhưng đó không phải là những gì thí nghiệm cho thấy. Thay vào đó, kết quả cho thấy rằng các hóa chất kiềm cần thiết để vận chuyển REE trong và xung quanh cacbonatite như một tiền chất cho quá trình khoáng hóa cấp kinh tế. Thí nghiệm cho thấy rằng natri và kali đã giúp REEs hòa tan.

Theo các nhà nghiên cứu, cacbonatite mang kiềm có khả năng hình thành chất lỏng giàu REE có thể di chuyển xa trong điều kiện giống magma, trong khi vẫn giữ được khả năng hòa tan REE cao.

Chúng ta đã thấy điều này trong điều kiện phòng thí nghiệm nhưng không nhất thiết có nghĩa là chúng ta sẽ quan sát các phản ứng chính xác giống nhau trong các hệ thống mở của tự nhiên, trong đó sự hiện diện của nước và tất cả các loại hóa chất khác trong môi trường có thể thay đổi mọi thứ. Tuy nhiên, đó là một bước cải tiến kiến thức của chúng ta về các quy trình nền liên quan đến sự hình thành và tập trung REE.

“Đây là một giải pháp giúp chúng ta hiểu rõ hơn về nơi mà đất hiếm “nặng” như dysprosi và đất hiếm “nhẹ” như neodymium có thể tập trung trong và xung quanh sự xâm nhập của cacbonatite. Chúng tôi luôn tìm kiếm bằng chứng về các dung dịch chứa clorua nhưng không tìm thấy. Những kết quả này cho ra những ý tưởng mới”, tác giả và nhà địa chất cao cấp Frances Wall từ Đại học Exeter giải thích.