Kỹ thuật Phân tích mới khai phá một kho tàng khoáng sản kỳ lạ

Cảnh đẹp của bán đảo Kamchatka ngẩng mình với hơi nước lưu hương lưu huỳnh, 29 núi lửa hoạt động tạo nên một hình nền mờ cho đàn tuần lộc và dòng sông cá hồi của vùng. Là một trong những nơi có hoạt động địa chất nhiều nhất trên thế giới, Kamchatka trông giống như một phiên bản lớn của Florida. Một quá trình gần giống như giả kimia xảy ra ở đây: Giống như những cái nồi sôi, các núi lửa của Kamchatka kết hợp các sự kết hợp không bình thường của các nguyên tố nguyên tử để tạo ra khoáng sản khác biệt với bất cứ nơi nào khác trên thế giới.

Và trong vài năm qua, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một số khoáng sản mới trên Kamchatka. “Chúng xuất hiện ngẫu nhiên,” nói Joël Brugger, một nhà địa chất tại Đại học Monash ở Úc, người đã giúp phát hiện ra một khoáng sản mới trên bán đảo có tên nataliyamalikite vào năm 2017. “Bạn chỉ cần để mắt mở.” Thông thường, các nhà nghiên cứu không đặt ra mục tiêu để tạo ra những phát hiện như vậy. Thay vào đó, họ vô tình phát hiện ra khoáng sản mới trong quá trình nghiên cứu về các quy trình địa chất tổng quát có thể, ví dụ, làm cho các kim loại quý hiếm tập trung ở nồng độ bất thường lớn trong một núi lửa cụ thể.

Những phát hiện này là một phần của làn sóng khám phá khoáng sản hiện nay trên toàn cầu. Trung bình, từ năm 2009 trở đi, các nhà địa chất và người sưu tập khoáng sản đã báo cáo hơn 100 khoáng sản mới mỗi năm, theo cơ sở dữ liệu liên quan đến Hiệp hội Khoáng vật Quốc tế. “Với mức độ khám phá suốt 100 năm qua, bạn có thể nghĩ rằng chúng ta đã sắp hết khoáng sản để mô tả,” nói Brugger, người đã tham gia vào việc phát hiện ra 23 khoáng sản mới. “Nhưng số lượng phát hiện đang tăng.” Để được coi là khoáng sản mới, các vật liệu này phải là sự kết hợp tự nhiên chưa từng thấy của một hoặc nhiều nguyên tố trong dạng chất rắn, được sắp xếp trong một cấu trúc lặp đi lặp lại. Kim cương và thạch anh mỏng là cả hai đều là khoáng sản, trong khi opal, không có cấu trúc tinh thể lặp lại, và đá quý tổng hợp, không tự nhiên, không phải là khoáng sản. Trong số 5.477 khoáng sản đã biết, hơn 1.000 đã được phát hiện trong chỉ 10 năm qua.

Những phát hiện này thường được các nhà nghiên cứu thực hiện ở những vùng địa chất cực kỳ khắc nghiệt; vì vậy, núi lửa. Mỗi năm, cũng có một số ít khoáng sản mới được phát hiện trong thiên thạch. Nhưng nguồn cung cấp khoáng sản mới nhiều nhất—hai phần ba phát hiện trong thế kỷ qua—là các mỏ, mỏ đá, và các địa điểm khác của khám phá tài nguyên, theo nhà địa chất Isabel Barton của Đại học Arizona. Điều này bởi vì người ta thường muốn đào và khoan ở những nơi có cấu trúc địa chất không bình thường từ đầu. Ví dụ, các mỏ được đặt ở các tầng khoáng, nơi các nguyên tố quý như vàng, bạc, hoặc uranium xuất hiện ở nồng độ cao hàng nghìn lần so với hầu hết các nơi trong vỏ Trái đất. “[Điều này tạo ra] cơ hội tạo ra hợp chất với các nguyên tố mà bạn thường không thể tìm thấy,” Barton nói. Những hợp chất mới này sau đó có thể tinh chế thành khoáng sản hiếm.

Để tuyên bố một phát hiện khoáng sản, bạn phải tìm hiểu nguyên tử nào tạo nên mẫu của bạn, và ở tỉ lệ nào. Nhưng có thể quan trọng hơn, bạn phải xác định rằng những nguyên tử đó được xếp chồng lên nhau trong một cấu trúc duy nhất. Bước này quan trọng vì đôi khi cùng sự kết hợp nguyên tử có thể tạo ra cấu trúc tinh thể khác nhau. Ví dụ, canxi cacbonat, chẳng hạn, có thể tạo thành một số khoáng sản khác nhau, bao gồm canxit và aragonit.

Brugger ghi nhận sự tăng lên trong các phát hiện nhờ vào các tiến bộ trong công nghệ cho phép các nhà địa chất kiểm tra các mẫu ngày càng nhỏ hơn. Cách đây một thế kỷ, họ cần một miếng khoáng tương đối tinh khiết có kích thước ít nhất là một hạt cơ bản để xác nhận một phát hiện. Bây giờ, họ có thể dễ dàng làm điều đó bằng cách sử dụng các mảnh có kích thước 1/30 so với kích thước đó.

Việc phát hiện khoáng sản nataliyamalikite, chẳng hạn, được thực hiện dựa trên một mẫu rất nhỏ. Trước hết, các đồng nghiệp của Brugger ở Nga hạ cánh một chiếc trực thăng trên núi lửa Avacha của Kamchatka, nơi họ đặt một ống thạch anh xuống một trong những khe hút khói nóng để thu thập một số hơi lưu huỳnh. Chất bám đọng bên trong ống, sau khi phân tích, chứa một lượng thallium không bình thường lớn. Nghi ngờ rằng môi trường có thể chứa các hợp chất thallium không bình thường, các nhà nghiên cứu đã thu thập mẫu đá gần khe hút và đưa chúng đến cho Brugger. Ở Úc, đội ngũ của Brugger sử dụng kính hiển vi để kiểm tra các mẫu để tìm vết khoáng sản mới tiềm năng. Sau đó, bằng cách sử dụng tia ion tập trung chặt, họ cắt những hạt ứng cử viên, nhỏ hơn chiều rộng của một sợi tóc người, ra khỏi đá. Đó là một quá trình tinh tế. “Nếu bạn hơi quá mạnh, nó sẽ nổ,” Brugger nói. “Chúng tôi làm hỏng vài mảnh đẹp.”

Họ xác nhận cấu trúc và thành phần khoáng sản bằng cách sử dụng một hạt chỉ năm micron rộng, nhỏ hơn một tế bào máu đỏ. Nataliyamalikite bao gồm một cấu trúc gần như lập phương của các nguyên tử thallium và iodine với tỷ lệ bằng nhau, tạo thành tinh thể thallium iodide. Theo Brugger, các nhà hóa học thực sự đã tổng hợp thallium iodide từ nhiều thập kỷ trước và nó được sử dụng trong một số thiết bị phát hiện bức xạ. Nhưng chưa ai từng thấy nó ở dạng này tự nhiên.

Khoáng sản được đặt tên theo một nghiên cứu viên 38 tuổi, Natalja Malik, người đã thu thập hơi lưu huỳnh núi lửa đầu tiên từ nơi họ phát hiện khoáng sản. Nhưng một cách đáng chú ý, Malik không phải là tác giả của bài báo mô tả về phát hiện này. Điều này bởi vì cộng đồng tuân theo một truyền thống trong đó bạn không viết tác phẩm về việc phát hiện một khoáng sản mang tên bạn. Mảnh khoáng sản mà họ phân tích hiện đang được lưu giữ trong bộ sưu tập của Bảo tàng Victoria ở Melbourne, Úc, nơi nó quá nhỏ để có thể trưng bày.

Các tiến bộ trong công nghệ tia X cũng mang lại cho các nhà nghiên cứu cái nhìn tốt hơn về những hạt khoáng sản nhỏ hơn. Các nhà nghiên cứu chiếu tia X vào mẫu của họ và đo lường cách tia X phản xạ từ các nguyên tử trong khoáng sản để hiểu cấu trúc của khoáng sản. Để có hình ảnh 3D, họ thường phải cắt khoáng sản ra khỏi một tảng đá và sau đó chiếu tia X từ nhiều hướng. Nhưng nhà vật lý Nobumichi Tamura của Lawrence Berkeley National Lab đã giúp phát triển một kỹ thuật được biết đến là tia X Laue microdiffraction, giúp các nhà khoa học có thể nhìn thấy toàn bộ cấu trúc khoáng sản ngay cả khi tia X chỉ chiếu vào nó từ một bên. Điều này có nghĩa là họ không cần phải cắt khoáng sản ra để nghiên cứu các góc khác nhau của nó, điều này giúp họ nghiên cứu những hạt nhỏ trong thiên thạch mà họ không muốn phá hủy, theo Tamura. Tháng 5, ông và đồng nghiệp đã báo cáo về việc phát hiện khoáng sản mang tên ognitite, ban đầu được phát hiện ở Siberia, bằng cách sử dụng phương pháp này. Mẫu của họ, rộng khoảng 50 micron, vẫn chỉ là vật thể nhìn thấy được đối với mắt người.

Những khoáng sản mới này xuất hiện với số lượng rất nhỏ, nhưng chúng không chỉ là đồ chơi sưu tập. Chúng là những dấu hiệu về các quá trình địa chất cực kỳ mạnh mẽ tạo ra núi lửa và tầng chứa khoáng sản. “Nataliyamalikite có thể không phải là khoáng sản quan trọng nhất trên thế giới, nhưng nó cho chúng ta biết có điều gì đó rất lạ đang diễn ra ở ngọn núi lửa đó,” Brugger nói. Ngọn núi lửa này phát ra khói với nồng độ thallium ít nhất là mười lần cao hơn bất kỳ hơi nước núi lửa nào từng được nghiên cứu. Brugger nghĩ rằng từ lâu, thallium tan hóa và tập trung gần đáy biển ngoại khơi bờ biển Kamchatka. Thallium biển sâu này sau đó sẽ rơi vào lõi ở khu vực nguyên tố chạm dưới lớp kiến tạo khác. Sau một số triệu năm, ngọn núi lửa sau đó phun thallium ra, nó tinh chế dưới dạng nataliyamalikite. Sử dụng cả thí nghiệm hóa học và mô phỏng máy tính, đội ngũ của Brugger đang cố gắng xác định liệu mô hình này về sự giàu thallium có phù hợp với địa chất của phần còn lại của bán đảo hay không.

Đừng mong đợi là cơn bùng phát của sự khám phá sẽ kết thúc sớm. “Có, trời ơi, gần như không thể đếm được số lượng kết hợp có thể có của các nguyên tố, trong nhiều cấu trúc khác nhau,” Barton nói. “Chúng ta chỉ mới chạm vào bề mặt ở điểm này.” Bạn không bao giờ biết được bạn có thể tìm thấy gì trong hạt bụi nhỏ nhất.

More Great Mytour Stories

• Instagram is sweet and sort of boring—but the ads!
• Change your life: bestride the bidet
• Jigsaw bought a Russian troll campaign as an experiment
• Everything you want—and need—to know about aliens
• A very fast spin through the hills in a hybrid Porsche 911
• 💻 Upgrade your work game with our Gear team’s favorite laptops, keyboards, typing alternatives, and noise-canceling headphones
• 📩 Want more? Sign up for our daily newsletter and never miss our latest and greatest stories