Sjældne jordelementer er kritiske for mange industrier – der bruges i elektriske motorer, medicinsk billeddannelse og diagnostik, olie- og gasraffinering og computer- og telefonskærme. De 17 sjældne jordelementer har alle vigtige anvendelser og er nu i nyhederne, hvor Kina stopper eksporten til USA i gengæld for told og en nyligt underskrevet aftale for os adgang til disse og andre mineraler i Ukraine.
Sjældne jordelementer er faktisk ikke sjældne – men de findes sjældent i koncentrerede, økonomisk levedygtige mineralformer. Og når de er koncentreret i mineraler, findes disse mineraler i aflejringer, der er meget spredt på isolerede steder over hele verden, med sparsom tilgængelighed nær overfladen. Det påvirker, hvilke lande der kan producere dem – og kontrollere markedet.
I slutningen af 1990’erne og begyndelsen af 2000’erne, for eksempel, øgede Kina produktionen på sin Bayan Obo sjældne jordelementindskud og oversvømte det globale marked og undergraver priserne fra andre miner over hele kloden, inklusive USA, i sidste ende at sætte dem ud af drift.
“Dette efterlod landene efter Kinas nåde som den primære kilde til sjældne jordelementer,” siger Jill Vantongeren, professor og formand for Institut for Jorden og Klimavidenskab.
Sjældne Earth Minerals har en lang geologisk historie, der forklarer deres spredte placeringer og forhold til geopolitik, bemærker hun.
Jordens overflade er bemærkelsesværdigt flydende, siger Vantongeren, med landmasser, der bevæger sig rundt i kloden over millioner og milliarder af år.
“De fleste af os er bekendt med Pangea-det superkontinent, der dannede sig for omkring 300 millioner år siden, og at de nuværende syv kontinenter brød af for at danne deres nutidige arrangement,” sagde Vantongeren.
“Men Pangea er kun det seneste superkontinent. I hele Jordens historie har der været mindst fem store superkontinentcyklusser – perioder, når kontinenter alle samles og derefter spreder sig tilbage igen i forskellige stykker. Vi tror, at denne proces sker omtrent hvert 500 millioner år.”
Efterhånden som kontinenterne flyttede fra hinanden, blev der nedbrydt, at rifts, der blev dannet, hvor tektoniske plader adskilte sig. Magmas genereret i de tidlige stadier af kontinental riftning kan indeholde usædvanligt store koncentrationer af sjældne jordelementer, som derefter størkner og krystalliseres til aflejringer.
“Når klipperne skubbes fra hinanden, dekomprimerer de og forårsager smeltning. Det er lidt som at fjerne låget af en sodavlaske, og boblerne stiger op til overfladen,” sagde Vantongeren.
“Disse tidlige magmas indeholder den højeste overflod af sjældne jord og andre uforenelige elementer, der derefter går ind i skorpen, enten bryder ud i vulkanske centre eller størkner i dybden.”
Nogle af disse magmatiske aflejringer kommer til overfladen, mens mange andre bliver genanvendt ned i mantlen over geologisk tid. Andre indskud kan ende stadig for dybt til at nå med den nuværende mineteknologi.
Det, der er tilbage, er et relativt lille antal kendte indskud, der er tilgængelige for minedrift. Næsten 70% af aktivt udvindede sjældne jordmineraler findes i Bayan OBO -minen i det centrale Kina med mindre aflejringer i US Mountain Pass Mine i det sydøstlige Californien og et par andre lande, siger hun.
Anerkendelse af Kinas markedsdominans som en national sikkerhedsrisiko, loven om infrastruktur og job i 2021, og det amerikanske forsvarsministerium investerede i at placere Mountain Pass tilbage online for at genoprette en indenlandsk forsyningskæde, selvom processen kan tage op til 10 år. De sjældne jordaflejringer i Ukraine kunne repræsentere en betydelig tilføjelse til markedet, skønt deres koncentration, karakter og økonomisk levedygtighed forbliver usikker.
“Politiske grænser og ønsket om at få adgang til mineralressourcer har været kilden til økonomiske og militære konflikter gennem menneskets historie,” siger Vantongeren. “Dette vil sandsynligvis fortsætte, når verden skifter mod grøn energi og en større afhængighed af sjældne jordelementer i fremtiden.”
At finde kilder til mineraler, der ikke er nedsænket i konflikt, er implicit i hendes forskning, der har taget hende over hele verden, fra et skib ud for kysten af Antarktis, til platinminerne i Sydafrika, de høje Atlas -bjerge i Marokko og endda en nyligt opdaget lithiumaflejring i Maine.
“Det er et fascinerende studieområde delvis fordi det ligger ved krydset mellem videnskab, økonomi og politik,” siger hun.
Tufts University har sin egen skattekiste af mineraler i PT Barnum Mineral Collection, der i øjeblikket blev afholdt i kælderen i Lane Hall på Medford/Somerville campus. Tusinder af bemærkelsesværdigt smukke – og nogle sjældne – specifikationer kan findes på skærmen og opbevares væk i skabe, hvoraf mange blev samlet af Pt Barnum selv fra hans rejser rundt om i verden.
“I slutningen af 1800 -tallet blev det betragtet som moderigtigt for mange fremtrædende individer at samle deres egne naturhistoriske samlinger,” siger Jill Vantongeren.
“PT Barnum var en af de største samlere på den tid. Hans samling af dyr, planter og mineraler var blandt de første gaver til Tufts University og en del af en begavelse til at etablere tufts som et af de største naturhistoriske museer i landet.”
Mens det blev flyttet til Lane Hall efter forbrænding af Barnum Museum of Natural History i 1975, er mineralsamlingen vokset gennem årene, inklusive prøver fra Vantongerens eget feltarbejde. Samlingen flytter igen i sommer til den nyrenoverede Bacon Hall, der vil rumme Department of Earth and Climate Sciences.
“Min pie-in-the-himmel vision er at oprette et mineralgalleri med både en permanent udstilling såvel som pop-up-udstillinger hvert semester, der fremhæver mineraler, der er vigtige for teknologi, relateret til anden forskning på universitetet eller til globale begivenheder,” siger Vantongeren.
“Jeg vil gerne hjælpe med at bringe Barnums vision om at bringe skønheden i og en påskønnelse af den naturlige verden til campus.”