ما هي المعادن الوفيرة والنادرة جيوكيميائياً؟

يمكن تقسيم المعادن المستخدمة في التطبيقات الصناعية والتكنولوجية إلى فئتين على أساس وفرتها في قشرة الأرض، (المعادن الوفيرة والمعادن النادرة) المعادن الوفيرة من الناحية الجيوكيميائية والتي يوجد منها خمسة (الألمنيوم والحديد والمغنيسيوم والمنغنيز والتيتانيوم) وتشكل هذه المعادن أكثر من 0.1 في المائة من وزن القشرة الأرضية.

في حين أن المعادن النادرة جيوكيميائياً، والتي تشمل جميع المعادن الأخرى (بما في ذلك تلك المألوفة) مثل النحاس والرصاص والزنك والذهب والفضة، وتشكل هذه المعادن أقل من 0.1٪، وفي كل صخرة تقريباً، يمكن اكتشاف كميات ضئيلة على الأقل من جميع المعادن عن طريق التحليل الكيميائي الحساس، ومع ذلك هناك اختلافات مهمة في الطريقة التي تحدث بها المعادن الوفيرة والندرة في الصخور الشائعة.

تميل المعادن الوفيرة من الناحية الجيوكيميائية إلى أن تكون موجودة كمكونات أساسية في المعادن، وعلى سبيل المثال البازلت وهو صخر ناري شائع يتكون بشكل كبير من معادن الزبرجد الزيتوني والبيروكسين (كلاهما سيليكات المغنيسيوم والحديد) والفلسبار (سيليكات الصوديوم والكالسيوم والألومنيوم) والإلمنيت (أكسيد الحديد والتيتانيوم).

سيكشف التحليل الكيميائي الدقيق للبازلت عن وجود معظم المعادن النادرة جيوكيميائياً أيضاً، ولكن لن يكشف أي قدر من البحث عن المعادن التي يكون فيها واحد أو أكثر من المعادن النادرة مكوناً أساسياً.

نادراً ما تشكل المعادن النادرة جيوكيميائياً معادن في الصخور الشائعة، بدلاً من ذلك يتم حملها في هياكل المعادن الشائعة المكونة للصخور (معظمها من السيليكات) من خلال عملية الاستبدال الذري، وتتضمن هذه العملية الاستبدال العشوائي لذرة في معدن بواسطة ذرة أجنبية ذات نصف قطر أيوني وتكافؤ مماثل دون تغيير التعبئة الذرية للمعدن المضيف.

يمكن لذرات النحاس والزنك والنيكل فعلى سبيل المثال أن تحل محل ذرات الحديد والمغنيسيوم في الأوليفين والبيروكسين، ومع ذلك نظراً لأن استبدال الذرات الأجنبية ينتج سلالات في عبوة ذرية فهناك حدود لهذه العملية على النحو الذي تحدده درجة الحرارة والضغط والمعلمات الكيميائية المختلفة.

في الواقع إن حدود الاستبدال لمعظم المعادن النادرة في معادن السيليكات الشائعة منخفضة (ذلك في كثير من الحالات فقط بضع مئات من الذرات التي تحل محل كل مليون ذرة مضيفة) ولكن حتى هذه الحدود نادراً ما يتم تجاوزها في الصخور الشائعة.

إحدى النتائج المهمة التي تنجم عن الطريقة التي تحدث بها المعادن الوفيرة والندرة في الصخور الشائعة هي أن معادن خام المعادن الوفيرة يمكن العثور عليها في العديد من الصخور الشائعة، بينما لا يمكن العثور على معادن خام المعادن النادرة إلا في حالة تكون بعض العمليات الجيولوجية الخاصة والمقيدة التخصيب الموضعي الذي يتجاوز حدود الاستبدال الذري.

ما المقصود بالمعادن الخام؟

هناك عاملان يحددان ما إذا كان معدن معين مناسباً ليكون معدناً خاماً، العامل الأول هو السهولة التي يمكن بها فصل المعادن عن الشوائب وتركيزها للصهر، تشمل عمليات التركيز التي تعتمد على الخصائص الفيزيائية للمعادن الفصل المغناطيسي وفصل الجاذبية والطفو.

العامل الثاني هو الصهر (أي تحرير المعدن من العناصر الأخرى التي يرتبط بها كيميائياً في المعدن)، ولكن الأهمية الأساسية في هذا الاعتبار لمدى ملاءمة معدن خام هو كمية الطاقة اللازمة لكسر الروابط الكيميائية وإطلاق المعدن، وبشكل عام هناك حاجة إلى طاقة أقل لصهر معادن الكبريتيد أو الأكسيد أو الهيدروكسيد مما هو مطلوب لصهر معدن السيليكات.

لهذا السبب فإن القليل من معادن السيليكات هي معادن خام، نظراً لأن الجزء الأكبر من قشرة الأرض (حوالي 95 في المائة) يتكون من معادن السيليكات والكبريتيد والأكسيد ومعادن خام الهيدروكسيد، فهي في أحسن الأحوال مكونات ثانوية فقط من قشرة الأرض (وفي كثير من الحالات تكون مكونات نادرة جداً).

يوجد معدنان فقط (الذهب والبلاتين) بشكل أساسي في حالتهما الأصلية وفي كلتا الحالتين تكون المعادن الأصلية هي معادن الخام الأولية، كما توجد الفضة والنحاس والحديد والأوزميوم والعديد من المعادن الأخرى في الحالة الأصلية، وهناك عدد قليل من التكرارات كبيرة بما يكفي (وغنية بدرجة كافية) لتكون رواسب خام.

وأحد الأمثلة على ذلك هو الرواسب الغنية للنحاس الأصلي في منطقة ليك سوبيريور في ميشيغان في الولايات المتحدة، ويوجد النحاس هنا في تكتلات متداخلة (صخرة رسوبية تتكون من حصى وصخور) وتدفقات الحمم البازلتية ومعظمها حويصلي ولها طبقات مجزأة من الأنقاض البازلتية فوق كل تدفق.

وفي البازلت يملأ النحاس الأصلي ومعادن الشوائب المرتبطة بالحويصلات والتجاويف في الأنقاض أما في التكتل يملأ النحاس الفراغات بين الحصى ويحل جزئياً محل بعض شظايا الصخور الأصغر، وقد تم اكتشافها وعملها في الأصل من قبل الأمريكيين الأصليين الذين قاموا بتصنيع وتداول الحلي من النحاس المرن، كما تم تعدين رواسب النحاس الكبيرة في ميتشجان لأول مرة في عام 1845 واستمرت في الإنتاج لأكثر من قرن.

ما هي آلية تكوين الرواسب المعدنية؟

تتكون الرواسب المعدنية لأن بعض الوسط يعمل كعامل تركيز ونقل للمعادن الخام وتتسبب بعض العمليات لاحقاً في قيام عامل النقل بترسيب المعادن أو ترسيبها، ومن أمثلة عوامل التركيز والنقل المياه الجوفية ومياه البحر والصهارة، ومن الأمثلة على عمليات الترسيب الغليان (كما في الينابيع الساخنة) وتبريد المحلول الساخن وتبلور الصهارة والتفاعل الكيميائي بين المحلول والصخور التي يتدفق من خلالها.

تشارك نفس أنواع عامل التركيز والنقل ونفس أنواع عملية الترسيب في تكوين رواسب لكل من المعادن الوفيرة جيوكيميائياً والندرة جيوكيميائياً، وهناك ستة عوامل تركيز ونقل رئيسية إلى جانب فئات الإيداع التي يشكلونها، وفيما يلي أهمها:

1. تركيز الصخور المنصهرة: الصهارة عبارة عن صخور منصهرة مع أي حبيبات معدنية معلقة وغازات مذابة تتشكل عندما ترتفع درجات الحرارة ويحدث الذوبان في الوشاح أو القشرة، وعندما ترتفع الصهارة إلى سطح الأرض من خلال الشقوق والفتحات البركانية يطلق عليها اسم الحمم البركانية، حيث تبرد الحمم وتتبلور بسرعة بحيث تميل الصخور النارية المتكونة من الحمم البركانية إلى أن تتكون من حبيبات معدنية صغيرة، (وفي بعض الأحيان يمكن أن يكون التبريد سريعاً جداً بحيث لا يمكن أن تتشكل حبيبات معدنية وينتج عن الزجاج)، ومن ناحية أخرى تبرد الصهارة الجوفية وتتبلور ببطء وتميل الصخور النارية الناتجة إلى احتواء حبيبات معدنية على الأقل نصف سنتيمتر (حوالي واحد أي ربع بوصة) في القطر.

2. رواسب البغماتيت: يعتبر تبلور الصهارة عملية معقدة لأن الصهارة مادة معقدة، وتحتوي بعض الصهارة مثل تلك التي تشكل الجرانيت على نسبة قليلة من الماء الذائب فيها، وعندما تبرد الصهارة الجرانيتية تميل المعادن الأولى التي تتبلور إلى أن تكون لا مائية (فعلى سبيل المثال الفلسبار) لذلك تبقى بقايا غنية بالمياه بشكل متزايد، كما تتركز بعض العناصر الكيميائية النادرة مثل الليثيوم والبريليوم والنيوبيوم، التي لا تدخل بسهولة في الاستبدال الذري في معادن الجرانيت الرئيسية (الفلسبار والكوارتز والميكا) في الصهارة المتبقية الغنية بالمياه.

إذا حدثت عملية التبلور على عمق حوالي خمسة كيلو متر أو أكثر، فإن الصهارة المتبقية الغنية بالمياه قد تهاجر وتشكل أجساماً صغيرة من الصخور النارية أو من الأقمار الصناعية إلى الكتلة الجرانيتية الرئيسية، والتي تكون غنية بالعناصر النادرة، إن هذه الأجسام النارية الصغيرة التي تسمى البغماتيت المعدني النادر تكون أحياناً ذات حبيبات خشنة للغاية مع حبيبات فردية من الميكا والفلسبار والبيريل يصل عرضها إلى متر واحد.

تم اكتشاف البغماتيت في جميع القارات مما يوفر جزءاً مهماً من الليثيوم والبريليوم والسيزيوم والنيوبيوم والتنتالوم في العالم، البغماتيت هي أيضاً المصدر الرئيسي للميكا الصفيحية ومصادر مهمة للأحجار الكريمة وخاصة التورمالين وأشكال الأحجار الكريمة من البريل (الزبرجد والزمرد).

3. رواسب الكربوناتيت: الكربوناتيت هي صخور نارية تتكون إلى حد كبير من معادن كربونات الكالسيت والدولوميت وتحتوي أيضاً في بعض الأحيان على معادن خام الأرض النادرة مثل الباستنيسيت، الباريسيتي، والمونازيت، خام النيوبيوم البيركلور المعدني (ذلك في حالة ترسب الكربوناتيت في (Palabora) في جنوب إفريقيا)، معادن خام كبريتيد النحاس.

إن أصل الصهارة الكربونية غير معروف، تحدث معظم الكربونات بالقرب من تداخل الصخور النارية القلوية (تلك الغنية بالبوتاسيوم أو الصوديوم بالنسبة لمحتوياتها من السيليكا) أو الصخور النارية فوق المافية (الصخور التي يقل وزنها عن 50 بالمائة تقريباً) والمعروفة باسم كيمبرلايت ولامبرويت، وتشير هذه الارتباطات إلى اشتقاق مشترك لكن تفاصيل الطريقة التي قد تركز بها صهارة الكربوناتيت المعادن النادرة جيوكيميائياً تظل تخمينية.

تم العثور على الكربوناتيت في جميع القارات، كما أنها تتراوح على نطاق واسع في العمر من الرواسب في الوادي المتصدع في شرق إفريقيا التي تشكلت خلال العصر الجيولوجي الحالي إلى رواسب جنوب إفريقيا التي يعود تاريخها إلى أوائل عصر البروتيروزويك (2.5 مليار إلى 543 مليون سنة مضت).

 4. تراكم الصخور المنصهرة: إن الفصل البركاني هو مصطلح عام يشير إلى أي عملية يتم من خلالها تركيز معدن أو أكثر محلياً (منفصل) أثناء تبريد وتبلور الصهارة، تسمى الصخور المتكونة نتيجة الفصل المنصهر بالتراكمات الصخرية.

في حين أن الصهارة قد تبدأ كسائل متجانس فإن الفصل الصهاري أثناء التبلور يمكن أن ينتج تجمعاً من التراكمات بتركيبات مختلفة على نطاق واسع.