نقشه گنج دانشمندان برای یافتن عناصر نادر خاکی؛ منابع پنهانی که جهان مدرن را روشن نگه می‌دارند

در اعماق زمین، شاید گنجینه‌هایی پنهان شده باشند که ارزششان از الماس (Diamond)، یاقوت سرخ (Ruby) و یاقوت کبود (Sapphire) هم بیشتر باشد: عناصر نادر خاکی (Rare Earth Elements) یا به اختصار آر‌ای‌ای‌ها (REEs). این عناصر ممکن است در کانسارهایی در زیر سطح زمین نهفته باشند و اکنون دانشمندان نوعی «نقشه گنج» ساخته‌اند که می‌تواند آن‌ها را به این منابع ارزشمند برساند.

این عناصر از نظر نام «نادر» هستند، اما در واقع در سراسر پوسته زمین (Earth’s Crust) پراکنده‌اند. مشکل اینجاست که به‌ندرت در حجم‌هایی یافت می‌شوند که برای استخراج معدنی (Mining) به‌صرفه و مناسب باشند. حالا پژوهشگران با استفاده از داده‌های لرزه‌ای ناشی از زمین‌لرزه‌ها (Earthquakes)، تصاویری توموگرافیک از درون زمین ساخته‌اند تا نشان دهند این عناصر احتمالاً در کجاها بیشتر متمرکز شده‌اند.

آنچه این پژوهش نشان می‌دهد

بر اساس محتوای این پژوهش، چند نکته اصلی اهمیت دارد:

• عناصر نادر خاکی (Rare Earth Elements) در واقع تقریباً همه‌جا وجود دارند، اما کانسارهای بزرگ و قابل استخراج آن‌ها به‌سادگی در لیتوسفر (Lithosphere)، یعنی بخش شامل پوسته و گوشته زمین (Crust and Mantle)، پیدا نمی‌شوند.
• پژوهشگران از داده‌های لرزه‌ای زمین‌لرزه‌ها برای ساخت تصاویر توموگرافیک (Tomographic Images) استفاده کردند؛ تصاویری که نشان می‌دهند این عناصر در کدام مناطق بیشترین احتمال یافت‌شدن را دارند.
• این تیم پژوهشی قصد دارد در آینده سنگ‌های بسیار قدیمی‌تر را بررسی کند؛ سنگ‌هایی که شاید دارای ذخایر بزرگ‌تر عناصر نادر خاکی باشند.

چرا عناصر نادر خاکی این‌قدر مهم‌اند؟

عناصر نادر خاکی در بسیاری از فناوری‌های مدرن کاربرد دارند. برای مثال، نئودیمیوم (Neodymium) در گوشی‌های هوشمند و دیگر ابزارهای فناوری استفاده می‌شود. این عناصر همچنین برای نسل جدید فناوری‌های سبز، از جمله فناوری‌هایی که به گذار انرژی و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی کمک می‌کنند، اهمیت زیادی دارند.

به همین دلیل، یافتن منابع تازه این عناصر فقط یک موضوع زمین‌شناسی نیست؛ بلکه مسئله‌ای راهبردی برای آینده فناوری، اقتصاد و انرژی جهان است.

تیم پژوهشی و هدف آن‌ها

یک تیم بین‌المللی از پژوهشگران به سرپرستی امیلی بومن (Emilie Bowman)، سنگ‌شناس آذرین (Igneous Petrologist) از دانشگاه کمبریج (Cambridge University)، نقشه‌ای تهیه کرده‌اند که محل سنگ‌های آتشفشانی غیرمعمول را برجسته می‌کند؛ سنگ‌هایی که ممکن است حاوی عناصر نادر خاکی باشند.

این پژوهش در نشریه نیچر ژئوساینس (Nature Geoscience) منتشر شده است. بومن توضیح می‌دهد که شناخت محل قرارگیری این ماگماها روی سطح زمین و فرایندهایی که توزیع مکانی آن‌ها را کنترل می‌کنند، برای دو هدف مهم ضروری است: نخست، پیشبرد دانش ما درباره چرخه جهانی دی‌اکسید کربن (Global CO2 Cycling)، و دوم، یافتن محل کانسارهای معدنی اقتصادی (Economic Mineral Deposits).

او در این مطالعه می‌گوید: «درک این‌که این ماگماها در کجای سطح زمین جای‌گذاری می‌شوند و چه فرایندهایی توزیع فضایی آن‌ها را کنترل می‌کنند، برای پیشبرد دانش ما درباره چرخه جهانی دی‌اکسید کربن و همچنین مکان‌یابی کانسارهای معدنی اقتصادی ضروری است.»

وابستگی جهان به ذخایر چین

تا امروز، بخش بزرگی از جهان به ذخایر عناصر نادر خاکی موجود در چین وابسته بوده است. این ذخایر معمولاً در ماگمایی شکل می‌گیرند که سرشار از دی‌اکسید کربن (Carbon Dioxide / CO2) است. چنین ماگمایی در نهایت سرد و سخت می‌شود و به سنگ‌های آذرینی مانند سیلیکات‌ها (Silicates) و کربناتیت‌ها (Carbonatites) تبدیل می‌شود.

برخی از این گونه‌های سنگ آذرین پیش‌تر تصور می‌شد در بخش‌های کم‌عمق‌تر لیتوسفر قرار دارند. برخی دیگر نیز با لبه‌های کراتون‌ها (Cratons) مرتبط دانسته می‌شدند؛ کراتون‌ها قدیمی‌ترین و پایدارترین بخش‌های پوسته قاره‌ای (Continental Crust) هستند.

اما پرسش اصلی این بود: چرا تجمع‌های بزرگ‌تر عناصر نادر خاکی در برخی مناطق خاص لیتوسفر پیدا می‌شوند؟ همین پرسش، بومن و تیمش را به بررسی دقیق‌تر واداشت.

عمق لیتوسفر چه چیزی را آشکار می‌کند؟

عمق لیتوسفر می‌تواند سرنخ‌هایی درباره محل برخی کانسارهای عناصر نادر خاکی بدهد. اما مشکل این است که برآوردها اغلب بر اساس انواع ماگماها و سنگ‌های آذرینی انجام می‌شود که پیش‌تر در عمق‌های مشخص کشف شده‌اند.

در این تقسیم‌بندی:

• بازانیت‌ها (Basanites) نزدیک‌ترین سنگ‌ها به سطح هستند؛ البته اگر عمق حدود ۶۲ مایل یا ۱۰۰ کیلومتر را بتوان «نزدیک» دانست.
• کربناتیت‌ها (Carbonatites) در بخش میانی قرار می‌گیرند. این‌ها سنگ‌هایی بسیار عجیب‌اند، زیرا برخلاف اغلب سنگ‌های آذرین که معمولاً از کانی‌های سیلیکاتی تشکیل شده‌اند، مقدار زیادی کربنات (Carbonate) دارند.
• کیمبرلیت‌ها (Kimberlites) در عمیق‌ترین بخش‌ها دفن شده‌اند.

جست‌وجوی شواهد فراتر از دانسته‌های قبلی

امیلی بومن به دنبال شواهدی بود که فراتر از فرضیه‌ها و پیشنهادهای قبلی درباره محل این کانسارها باشد. برای این کار، او و همکارانش پایگاه داده‌ای شامل حدود ۹۰۰۰ نمونه سنگ آذرین را که از سراسر جهان کشف شده بودند بررسی کردند.

آن‌ها همچنین از داده‌های امواج لرزه‌ای (Seismic Waves) مربوط به زمین‌لرزه‌های گذشته استفاده کردند تا بفهمند درون زمین واقعاً چه می‌گذرد.

پژوهشگران داده‌های زمین‌لرزه را به تصاویری تبدیل کردند که گویی لیتوسفر را برش می‌زنند. این تصاویر نشان دادند متخصصان در چه مناطقی بیشترین احتمال را دارند که سنگ‌های آذرینی با ترکیب شیمیایی مناسب برای شکل‌گیری عناصر نادر خاکی پیدا کنند.

نتیجه تصاویر توموگرافیک چه بود؟

این تصاویر نشان دادند سنگ‌های آذرین سرشار از دی‌اکسید کربن در شرایط فشار بالا و در قدیمی‌ترین و ضخیم‌ترین مناطق لیتوسفر شکل می‌گیرند.

در این مناطق، گرمای کمتر باعث می‌شود سنگ‌ها کمتر مستعد ذوب‌شدن باشند. بنابراین، در میان توده‌ای که عمدتاً از سنگ جامد تشکیل شده، فقط تعداد کمی حباب یا توده کوچک ماگما (Magma) وجود دارد.

اگر این سنگ‌ها بر اثر جابه‌جایی صفحات تکتونیکی (Tectonic Plates) یا دیگر پدیده‌های زمین‌شناختی ذوب شوند و سپس دوباره جامد شوند، عناصر نادر خاکی می‌توانند به‌تدریج بیشتر و بیشتر متمرکز شوند. در نهایت، این تمرکز ممکن است به شکل‌گیری کانسارهایی بینجامد که آن‌قدر بزرگ باشند که استخراج آن‌ها ارزش اقتصادی داشته باشد.

چرا این پژوهش فقط آغاز راه است؟

سنگ‌هایی که در این مطالعه بررسی شدند، از نظر زمین‌شناسی نسبتاً جوان بودند و کمتر از ۲۰۰ میلیون سال عمر داشتند. اما بومن قصد دارد در پژوهش‌های آینده بسیار عقب‌تر برود و سنگ‌هایی را بررسی کند که مربوط به دوران پیش از فروپاشی پانگه‌آ (Pangea) هستند.

پانگه‌آ ابرقاره‌ای بود که پیش از جدا شدن قاره‌های امروزی وجود داشت. بومن فکر می‌کند سنگ‌های بسیار قدیمی‌تر ممکن است بزرگ‌ترین کانسارهای کشف‌نشده عناصر نادر خاکی را در خود پنهان کرده باشند. برخی از مهم‌ترین معادن عناصر نادر خاکی در سنگ‌هایی قرار دارند که شاید حتی پیش از بیرون آمدن نخستین دایناسورها از تخم شکل گرفته باشند.

البته شناسایی ذخایر نادر خاکی در چنین لایه‌های سنگی بسیار قدیمی آسان نیست، زیرا طی میلیاردها سال، فرایندهای زمین‌شناختی متعدد آن‌ها را دچار دگرگونی و آشفتگی کرده‌اند. با این حال، همین سنگ‌های کهن ممکن است گنجینه‌های بیشتری را آشکار کنند.

بومن می‌گوید: «مطالعات آینده مشخص خواهند کرد که آیا رابطه میان ضخامت لیتوسفر و نوع ماگما در طول زمان زمین‌شناختی تغییر کرده است یا نه؛ پرسشی که با توجه به برخی از بزرگ‌ترین کانسارهای عناصر نادر خاکی اهمیت ویژه‌ای دارد.»

اشاره به جست‌وجوی مدرن برای گنج‌های معدنی

در متن اصلی همچنین به این نکته اشاره شده که ماجرا شبیه نوعی تب طلای امروزی است؛ حتی از گزارشی مرتبط با عنوان «یک تب طلای مدرن در وایومینگ در حال شکل‌گیری است» درباره وایومینگ (Wyoming) یاد شده است. با این تفاوت که این‌بار هدف فقط طلا نیست؛ بلکه عناصر نادر خاکی‌اند، موادی که شاید برای آینده فناوری و انرژی از طلا هم ارزشمندتر باشند.

همچنین در همان متن، به مطلب مرتبط دیگری با عنوان «بلورهای آتشفشانی ممکن است به یافتن فلزات نادر خاکی کمک کنند» اشاره شده بود؛ موضوعی که نشان می‌دهد دانشمندان از مسیرهای مختلف، از سنگ‌های آتشفشانی تا داده‌های لرزه‌ای، به دنبال یافتن این منابع حیاتی هستند.

عناصر نادر خاکی برخلاف نامشان کاملاً کمیاب نیستند، اما یافتن ذخایر بزرگ و قابل استخراج آن‌ها در لیتوسفر بسیار دشوار است. پژوهش تازه به سرپرستی امیلی بومن از دانشگاه کمبریج، با ترکیب داده‌های هزاران نمونه سنگ آذرین و اطلاعات لرزه‌ای زمین‌لرزه‌ها، نوعی نقشه راه برای یافتن این منابع پنهان ارائه می‌دهد.

این نقشه نشان می‌دهد سنگ‌های آذرین غنی از دی‌اکسید کربن در بخش‌های قدیمی و ضخیم لیتوسفر می‌توانند محل شکل‌گیری کانسارهای ارزشمند عناصر نادر خاکی باشند. آینده این پژوهش به بررسی سنگ‌های بسیار کهن‌تر، به‌ویژه سنگ‌های پیش از فروپاشی پانگه‌آ، گره خورده است؛ جایی که شاید بزرگ‌ترین گنجینه‌های کشف‌نشده جهان مدرن هنوز در انتظار یافتن باشند.