Mijnbouw
Schatten vind je aan de rand van kratons
Het verband was nooit opgemerkt, tot een paar onderzoekers zagen dat de voorraden kostbare metalen zijn geconcentreerd langs de randen van oude lithosfeer: de kratons.
De schatkaart van piratenkapitein Flint is er niets bij. Een kaart die nu is gepubliceerd in het vakblad Nature Geoscience laat zien waar je grote hoeveelheden kostbaar metaal kunt vinden. Geen gouden dubloenen, maar miljoenen tonnen lood, nikkel, koper en zink.
Die metalen zijn essentieel voor de industrie, maar er komen tekorten aan. De laatste 25 jaar blijven nieuwe vondsten in de bodem achter bij het verbruik. En dat ondanks het feit dat de mijnindustrie een fortuin uitgeeft aan opsporing: in 2017 8,4 miljard dollar.
Dat geld kun je veel efficiënter besteden, schrijft Mark Hoggard, als aardwetenschapper verbonden aan zowel Harvard University als Columbia University in de VS, samen met collega’s uit Australië en Groot-Brittannië. Want de grote ertsvoorkomens waar de industrie het van moet hebben, vind je vooral langs de randen van de oudste en dikste stukken van de continenten: de kratons.
Kratons vind je overal. Als je er een wilt bezoeken, hoef je niet verder dan Finland. Zuid-Afrika, Canada, de noordelijke VS en half Australië; ze hebben allemaal gemeen dat de harde schil van de aarde, de lithosfeer, er minstens 200 kilometer diep steekt. Terwijl je normaal gesproken maar 100 kilometer naar beneden zou hoeven gaan om bij de hete en zachte laag eronder, de asthenosfeer, aan te komen.
Het idee dat er tussen kratons en metaalvoorkomens een verband zou kunnen zijn, kregen de auteurs door te kijken naar Australië. Dat continent is een luilekkerland voor metaalbedrijven, met verscheidene grote vindplaatsen, zoals de Broken Hill-mijn, een van de grootste ertsvindplaatsen ter wereld. Een van de onderzoekers, Karol Czarnota van Australian National University, was bezig met het maken van een zo compleet mogelijke geologische kaart van Australië. Hoggard en enkele collega’s hadden een manier ontwikkeld om aan de hand van trillingen in de aarde, veroorzaakt door aardbevingen, te peilen hoe dik de lithosfeer is, en dus ook waar de kratons zich precies bevinden.
Herkenbaar patroon
Mede-auteur Fred Richards, die werkt aan de Harvard Universiteit en Imperial College in Londen: “We gaven Czarnota die kaart, en het viel hem op dat alle zink-afzettingen netjes op die randen lagen. We stonden versteld, niemand had dat ooit gezien. Toen breidden we de kaart uit naar heel Australië, en bleken alle grote metaalafzettingen langs die randen te liggen, zoals Broken Hill, en Olympic Town, de grootste uraniummijn die er is.”
De metaalvoorkomens die opeens in zo’n herkenbaar patroon vielen, heten ‘sedimentair’: ze zitten in materiaal dat geleidelijk werd afgezet op de zeebodem en later onder hoge druk in steen overging. Er bestaan ook metaalafzettingen die omgeven zijn door vulkanisch gesteente, maar die zijn meestal een stuk kleiner. Het zijn die sedimentaire voorraden, en dan vooral de reuzenvoorraden van meer dan tien miljoen ton metaal, waar de industrie naarstig naar zoekt, met steeds minder succes.
Dat is echt een probleem, vertelt Richards. “Om de economie los te weken van fossiele brandstoffen, hebben we meer en meer metalen nodig. En bij die grote voorkomens van de basismetalen vind je vaak kleinere hoeveelheden van andere, zoals kobalt, dat je nodig hebt in auto-accu’s.”
Maar er zijn op aarde miljoenen vierkante kilometers sedimentair terrein; driekwart van het landoppervlak was ooit een bassin waarin sediment bezonk. Op de locaties daarbinnen waar tot nu toe lood, nikkel, koper of zink gevonden is, werd al een eeuw vergeefs naar een patroon gezocht tot Hoggard en zijn collega’s naar de Australische kraton keken. En toen ze de gegevens combineerden van heel de aarde, bleek dat een statistisch hard verband te zijn. Als je langs de rand van alle bekende kratons een strook trekt van 200 kilometer breed, dan tref je daarin bijvoorbeeld 95 procent van alle sedimentaire kopervindplaatsen aan en zo’n 80 procent van de gecombineerde lood/zink voorkomens.
Voor mijnbouwbedrijven is dat een geschenk uit de hemel. Het verkleint de oppervlakte waarop ze moeten zoeken meteen met een factor drie. Maar klopt het echt? Daarvoor moesten de onderzoekers ook uitvinden waarom de randen van kratons zo gunstig zijn. Dat is ze gelukt, denken ze.
Een scheur in het continent
Het verhaal van een sedimentaire metaalvoorraad in de grond begint met een scheur in een continent. Zo’n rift kan in het uiterste geval leiden tot een complete splitsing, twee stukken aardplaat die uit elkaar drijven terwijl daar tussenin een nieuwe oceaan ontstaat. Maar bij minder radicale scheuren krijg je alleen dat tussen de twee randen van de scheur de aardkorst in stukken breekt en omlaag zakt. De zo ontstane laagte kan, als de omstandigheden gunstig zijn, een geologische machine worden die de sporen metaal die overal in de gesteenten van de aarde voorkomen, concentreert tot winbare hoeveelheden.
Daarvoor moet om te beginnen die laagte zich met water vullen en een groot meer of zelfs een binnenzee vormen. Met het water van rivieren en beken krijgt die voortdurend een beetje zout toegevoerd, terwijl de afvoer geheel of gedeeltelijk via verdamping gaat. De binnenzee wordt zo steeds zouter, en dat zoute water kan een transportmiddel worden voor metaal. Het kan langs de omlaag gezakte blokken aardkorst de ondergrond in sijpelen en een diepe reis door de aarde maken.
Tijdens die trip kan het zoute water uit bepaalde steensoorten metalen oplossen. Die neemt het dan mee tot het weer andere steensoorten tegenkomt, waarvan de chemische eigenschappen de metalen juist aanmoedigen uit oplossing te komen. Daar ontstaat dan de metaalafzetting: een pakket koper, zink, nikkel of looderts. Het luistert allemaal nauw, vertelt Richards. “De vloeistof moet een relatief constante temperatuur hebben, tussen de 100 en 150 graden Celsius, terwijl het door de rotsen sijpelt die de metalen bevatten.”
Zijn zegenrijke werk
Dat is in de praktijk vaak een probleem: terwijl de pekel naar beneden reist, komt hij dichter bij de hete, zachte gesteenten die onder de lithosfeer liggen en stijgt de temperatuur. Gaat hij omhoog, dan wordt het weer koeler. De periode waarin de temperatuur precies goed is, kan daardoor kort uitvallen, met weinig metaalafzetting tot gevolg.
En dat is waarom dit proces beter gaat in de buurt van een kraton, ontdekten Hoggard en zijn collega’s. Daar is de lithosfeer immers dikker. De hete asthenosfeer ligt dus dieper, en dat maakt de temperatuurstijging per kilometer kleiner. De door de scheuren sijpelende pekel zit daardoor veel langer in een temperatuurzone waar het zijn zegenrijke werk met de metaal-atomen kan verrichten.
Is dat eenmaal gelukt, dan is er nog iets dat nodig is om het metaal in handen van de mijnbouw en uiteindelijk in accu’s en mobiele telefoons te krijgen: geologische rust. Want een metaalafzetting die honderden miljoenen jaar geleden ontstond, kan in de lange periode sindsdien weer van alles meemaken. Hij kan door gebergtevorming omhoog komen, door erosie blootgelegd worden en daarna weer worden weggevaagd door de inwerking van wind en water.
Maar ook daarvoor heeft een plek dichtbij een kraton zijn voordelen. Alles wijst erop dat ze behoren tot de stabielste onderdelen van continentale platen, waardoor ook de metaalafzettingen aan hun randen goed bewaard blijven. Je kunt door analyse van het metaal de leeftijd van het erts bepalen. Je komt dan op een half miljard tot een kleine twee miljard jaar. En dat is een extra aanwijzing voor het vermoeden dat de kratons waar de afzettingen bij liggen geologisch zo goed als onverwoestbaar zijn: ze zijn bijna half zo oud als de aarde zelf.
Wat zijn kratons?
Behalve als wegwijzers naar rijkdommen onder de grond staan kratons de laatste jaren ook als geologische objecten steeds meer in de belangstelling, zegt Jeroen van Hunen, hoogleraar aardwetenschappen aan Durham University in Groot-Brittannië. Want terwijl elk continent ze heeft, is niet duidelijk hoe ze precies zijn ontstaan.
Zelfs de definitie is niet helemaal hard. “Kratons worden gezien als lithosfeer die heel oud is”, zegt Van Hunen. De oudste lithosfeer is van vier miljard jaar geleden, de jongste wordt vandaag de dag gevormd. Meestal noemen ze lithosfeer die ouder is dan zo’n twee miljard jaar kratons.
“De reden dat we ze een aparte naam en aandacht geven, is dat het eigenlijk heel apart is dat we die lithosfeer vandaag de dag kunnen vinden. De meeste lithosfeer die jonger is, vertoont al tekenen dat die langzaam aan het verdwijnen is. Dus dat oude materiaal, waarom is dat er nog steeds? Een ander verschil is dat bij kratons de lithosfeer veel dikker is. De totale plaatdikte is rond de 250 kilometer of zo. Dat is tweeënhalf keer zo dik als de lithosfeer onder Nederland.”
Het een hangt wellicht samen met het ander. Nieuwe lithosfeer ontstaat doordat het zachte materiaal vlak onder de lithosfeer plaatselijk en gedeeltelijk smelt. Vloeibaar en lichter materiaal stijgt omhoog tot aan het oppervlak, bijvoorbeeld als lava via vulkanen. Het materiaal dat overblijft is sterker dan het oorspronkelijke materiaal en wordt bij afkoeling harde steen: nieuwe lithosfeer.
In de jonge jaren van de aarde was de planeet warmer, en gebeurde dat smelten op grote diepte. Van Hunen: “Tegenwoordig begint dat proces pas op 70 kilometer, vroeger kon dat misschien wel op 200 kilometer diepte beginnen. Dat betekent dat het sterke materiaal ook al op die diepte begint, en dat is waarschijnlijk een van de redenen dat die kratons zo lang kunnen overleven.”
Die theorie gaat er vanuit dat de vroege aarde ongeveer zo werkte als de huidige aarde, hoogstens was ze wat warmer. Van Hunen: “Die denkrichting heet uniformitarianisme: alles blijft altijd hetzelfde. Maar daarom zijn mensen juist geïnteresseerd in kratons: als die op een andere manier gevormd werden, dat is het misschien aannemelijk dat ook andere processen verschilden.
Want het beeld van een op grote diepte ontstaan stuk lithosfeer heeft niet iedereen overtuigd. En zelfs de aanhangers weten dat er nog wat kunst- en vliegwerk nodig is om het model te laten kloppen. Zelfs in een warmere aarde is de temperatuur op 200 kilometer diepte vermoedelijk niet genoeg.
Een tweede theorie is, dat kratons op normale diepte worden gevormd en daarna samengedrukt worden, waardoor ze minder uitgestrekt worden en dikker. Maar ook dan is, om kratons hun huidige gedaante te geven, meer hitte nodig dan de aarde op dit moment te bieden heeft. Van Hunen: “We weten uit hun samenstelling dat de kraton-lithosfeer is gevormd uit materiaal dat zo’n 40 procent van zijn massa door smelt is kwijtgeraakt. Tegenwoordig smelt meestal maar zo’n 20 procent.”
Een derde theorie is dat kratons het resultaat zijn van subductie, waarbij de ene continentale plaat onder de ander schuift, en de lithosfeer dus dubbel zo dik wordt. Dat zou betekenen dat ook vandaag de dag zich nog kratons zouden kunnen vormen. Van Hunen: “Mensen hebben het erover dat misschien een plek als de Himalaya, als je nog twee miljard jaar verder in de toekomst gaat, een kraton is. Maar dat is speculatie, dat weten we gewoon niet.”
Lees ook:
Mysterieuze troebelingsstromen opgehelderd
Rivieren kunnen met donderend geweld sediment in de oceaan storten. Die mysterieuze troebelingsstromen stellen de wetenschap voor raadsels.
