Metallerne der ikke rigtig passer ind

Når et kontinent deler sig, kan der sommetider dannes sjældne mineraler, som indeholder flere sjældne jordartsmetaller end normalt. Historien om disse forekomsters dannelse er dog ikke sjælden, men nærmere en klassiker.

De sjældne jordartsmetaller blev altid valgt sidst til fodbold, da der skulle dannes mineraler i jordskorpen. De er nemlig ikke helt ‘normale’, passer dårligt ind i de mineralske sammenhænge og vil egentlig helst bare være sammen med sig selv eller andre tilsvarende
mærkelige grundstoffer.

Men som det både sker i amerikanske film OG ofte i virkeligheden, ender de sjældne jordartsmetaller senere i livet med at være eftertragtede, så vi mennesker ligefrem leder efter de steder, hvor de samlede sig med deres ligemænd uden for ‘det gode selskab’.

De sjældne jordartsmetaller er alle ret store atomer (atomnummer 57 til 71 plus scandium, nr. 21, og yttrium, nr. 39, der også tælles med), har høj ladning (typisk 3⁺), og flere af dem er magnetiske.

Mineraldannelse sker altid ved opbygning af fine, geometriske krystalgitre, og den proces tilgodeser altid mindre, lettere og generelt mere ‘almindelige’ atomer. Naturen er nemlig ofte doven og vil helst udføre opgaven på den nemmeste måde, for eksempel ved at bygge mineraler af de byggeklodser, der passer bedst sammen.

Sprukne kontinenter

På et tidspunkt, og under særlige geologiske forhold, begynder naturen at løbe tør for de almindelige byggeklodser, og så må man jo gribe ud efter dem, der er tilovers. Som for
eksempel vores sjældne jordartsmetaller. Det er netop det, der er sket de steder rundt om i verden, hvor der er dannet mineraler med usædvanligt høje koncentrationer af jordartsmetaller – også kaldet forekomster (af sjældne jordartsmetaller).

En yderst kompliceret proces, som heldigvis kan forklares af chefkonsulent Jakob Kløve Keiding fra De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland (GEUS). Han er leder af GEUS’ Videncenter for Mineralske Råstoffer og Materialer (MiMa), som blandt andet arbejder med forekomster af sjældne jordartsmetaller.

“Man kan sige, at der helt overordnet findes to grupper af forekomster: den magmatiske og den sedimentære,” begynder han og tilføjer, at den vigtigste er den magmatiske, da langt
størstedelen af verdens sjældne jordartsmetaller produceres fra disse forekomster (se kort herunder).

“De magmatiske forekomster af sjældne jordartsmetaller dannes for eksempel i geologiske miljøer med riftzoner, altså områder, hvor et kontinent begyndte at dele sig,” forklarer han.

Når kontinenter deler sig, vil det medføre, at skorpen i det aktive område bliver mere skrøbelig, så smeltet stenmasse (kaldet smelte) fra Jordens indre kan stige op i de øvre dele af skorpen. I de svagere dele af skorpen kan massen trænge helt op til overfladen, og så er der skabt en vulkan (se figur 1).

Nogle steder kan dele af smelten dog støde på et lag i undergrunden, som den ikke kan trænge igennem, og hvor der ikke er nogle sprækker. Så bliver den hængende der som en magmaboble, der langsomt køler af (se figur 2).

“Den opadgående strøm af smelte, der stadig kommer nedefra, kan i nogle tilfælde skubbe til den omkringliggende sten i skorpen og gøre plads til større områder, hvor store lommer af den smeltede stenmasse samler sig. De kan være flere kilometer i diameter, og de vil langsomt krystallisere til bjergarter i jordskorpen,” fortæller Jakob Kløve Keiding.

Førstevælgerne i mineraldannelse

Det er inden i maven på de fangne lommer, at der kan ske en langsom udskilning og koncentration af de sjældne jordartsmetaller. Stenmassen i kammeret køler langsomt, så der opstår krystaller, og så kaldes massen for magma. Derfor omtales lommerne som magmakamre.

“Den øvre del af jordskorpen, hvor magmakammeret nu befinder sig, er koldere end magmaen selv, og derfor begynder magmaen langsomt at køle af. Det medfører, at mineraler begynder at krystallisere,” forklarer Jakob Kløve Keiding.

Man skal jo huske, at magma er smeltet sten/mineral, så når den størkner, må den i sagens natur blive til sten igen, en proces, der hedder krystallisering eller mineralisering.

“Processen med krystallisering i magmaen foregår altid i en særlig rækkefølge, så de grundstoffer, der er mange af, og som passer godt sammen i et krystalgitter, dannes først.”

Derfor er det typisk grundstoffer som silicium (Si), kalcium (Ca), jern (Fe) og så videre, der finder sammen først og begynder at danne grupper. Nu er vi altså fremme ved den akavede udvælgelse til fodboldholdet.

Læs også: 2-kredsløb”>Kend dit CO2-kredsløb

“De grundstoffer, der er færre af, og som geokemisk er lidt anderledes og ikke passer ret godt ind i de gængse krystalgitre, der er ved at blive dannet, bliver tilbage i den del af
magmaen, der stadig er flydende (smeltefasen),” siger han.

Derfor bliver der langsomt en højere og højere koncentration af ‘mærkelige grundstoffer’, som for eksempel de sjældne jordartsmetaller, i den tilbageværende del af magmakammeret, som ikke er størknet til forskellige mineraler endnu. Her er der altså ved at blive dannet et afgrænset område i skorpen med højere koncentration af sjældne jordartsmetaller end i omgivelserne.

Lagdelingen af stensuppen

Processen stopper dog ikke der, forklarer Jakob Kløve Keiding, for inde i det langsomt afkølende og derfor krystalliserende magmakammer sker der yderligere gruppedannelser. Øverst i kammeret er magmaen tættest på jordoverfladen, så her er der køligere. Derfor er det heroppe, at afkølingen for alvor begynder, og dermed også her, massen først begynder at danne mineraler. De nydannede mineraler i magmaen, der er forholdsvis lette, vil meget langsomt stige til vejrs i kammeret.

“I toppen af kammeret vil de relativt lette mineraler samle sig, og her passer de sjældne jordartsmetaller ikke ind i krystalgitrene, så her vil være en lav koncentration,” siger Jakob Kløve Keiding.

Som årtusinderne går, bliver laget af nydannede mineraler tykkere og tykkere fra toppen og nedefter (det hele sker meget, meget langsomt). Det modsatte sker i kammerets bund – her vil mange af de tungere mineraler med tiden synke ned. Derfor dannes der også tiltagende tykke lag af mineraler fra bunden og opad (se figur herunder, klik for forstørrelse). De sjældne jordartsmetaller passer lidt bedre ind de mineraler, som krystalliserer i bunden, så de bygges derfor ind i mineralerne i lidt højere grad end i toppen.

Der er dog stadig mange andre grundstoffer i ‘stensuppen’, der passer bedre ind i krystalgitrene end de sjældne jordartsmetaller, og som derfor vælges først. I takt med at mere og mere magma krystalliserer og størkner i top og bund, får den tilbageværende masse i midten altså en højere koncentration af sjældne jordartsmetaller.

Smelten i midten er derfor stærkt beriget med de grundstoffer, som ikke passede ind andre steder, og det er her, man får den højeste koncentration af sjældne jordartsmetaller i kammeret.

Tre lag, to med forekomster

Jakob Kløve Keiding fortæller, at når en dag den sidste dråbe magma i kammeret endelig har krystalliseret sig til et mineral, vil der være skabt tre forskellige minerallag, hvor de to
nederste indeholder hver deres sammensætning af sjældne jordartsmetaller:

“Alle 17 jordartsmetaller er altså til stede i begge lag, for i de krystalgitre, de passer ind i, vil alle 17 passe ind. Der er så bare forskel på, hvilke sjældne jordarter der er flest af, og hvilke andre grundstoffer de sidder sammen med.”

Heldigvis for vores moderne samfund og glæde ved smartphones og tv-skærme har geologien mange steder sørget for at bringe lagene med sjældne jordartsmetaller op til overfladen, så de nemmere kan udvindes. Det sker for eksempel ved hjælp af ‘forvitring’, som er en kemisk og mekanisk nedbrydning, som jordoverfladen udsættes for fra vind og vejr (især syrlig regn og frostsprængninger).

Læs også: Dinosaurlagene på Bornholm

Processen er langsomt, men kontinuerlig, og over mange millioner år kan de dybt begravede magmakamre komme op til overfladen, simpelthen fordi lagene ovenover er ‘høvlet af’ (se figuren herunder).

De sedimentære forekomster

Som nævnt er der to hovedgrupper af sjældne jordartsmetal-forekomster i naturen, altså geologiske miljøer med forhøjet koncentration af jordartsmetallerne. Du har lige hørt en masse om den magmatiske, og faktisk udspringer de sedimentære forekomster fra den.

Når forvitringen har fjernet de geologiske lag over det forstenede (mineraliserede) magmakammer, holder den ikke pludselig op. Forvitringen fortsætter ufortrødent, og det betyder ,at det nu også er magmakammeret, der nedbrydes til mindre og mindre stykker. Stenstykker, der sprænges af i frostsprængninger, males med tiden til sandkorn og andre partikler (til sammen sedimenter), som føres med regnen ned i floderne (se figur herunder).

Når forvitringen når ned til de midterste og nederste lag af magmakammeret, vil de sandkorn, der høvles af og føres med floderne, indeholde en vis andel mineraler med sjældne jordartsmetaller i.

Læs også: Er din sandsten lodden eller kantet?

Over lang tid ophobes de på de steder ved flodernes buer (kaldet mæanderbuer), hvor vandets strømning tillader dem at falde til bunds og samle sig. De områder i floden kan med tiden blive til de såkaldte sedimentære forekomster.

Jokeren: Ion-adsorption i lerformationer

Ja, lidt af en ædruelighedstest at sige. De to forekomsttyper her på siden er de mest udbredte, men der findes flere slags. For eksempel forekomster i særlige lerlag (se figur).

Selvom denne forekomsttype ikke er meget fremherskende, bliver der alligevel drevet en del minedrift på denne type. Her sidder de sjældne jordartsmetaller nemlig direkte ‘limet’ fast på lerpartikler i jorden, og derfor er de nemme at vaske fri med diverse kemikalier. Så har man dem på ren form frem for at skulle knuse en masse sten.

Forekomsterne findes der, hvor grundvandets lave indhold af sjældne jordartsmetaller over mange tusinde år er blevet opkoncentreret i lerlag med særlige pH-forhold.

---