تكوين الخامات

العمليات السطحية هي الظواهر الفيزيائية والكيميائية التي تؤدي إلى تركيز المواد الخام داخل التربة السطحية ، وعادةً ما يكون ذلك بفعل العوامل البيئية. ويشمل ذلك الرواسب الغرينية ، ورواسب اللاتريت ، والرواسب المتبقية أو الطميية . وتشمل عمليات تكوين الخام في الرواسب السطحية ما يلي:

• تآكل المواد غير المعدنية.
• الترسيب عن طريق العمليات الرسوبية، بما في ذلك التذرية ، وفصل الكثافة (على سبيل المثال؛ رواسب الذهب الغرينية).
• التجوية عن طريق الأكسدة أو الهجوم الكيميائي للصخور، إما لتحرير شظايا الصخور أو لتكوين الطين المترسب كيميائياً أو اللاتريت أو الإثراء فوق الجيني .
• الترسيب في بيئات منخفضة الطاقة في البيئات الشاطئية .
• الرواسب الرسوبية الناتجة عن الزفير (SEDEX)، والتي تشكلت في قاع البحر من المحاليل الملحية الحاملة للمعادن.

تُستخرج خامات الحديد في الغالب من رواسب قديمة تُعرف باسم تكوينات الحديد الشريطية . تتكون هذه الرواسب من معادن أكسيد الحديد المترسبة في قاع البحر. وتتطلب عملية نقل كميات كافية من الحديد في مياه البحر لتكوين هذه الرواسب ظروفًا بيئية خاصة، مثل الأجواء الحمضية والفقيرة بالأكسجين خلال حقبة البروتيروزويك .

في كثير من الأحيان، يتطلب تحويل معادن الماغنيتيت المعتادة إلى الهيماتيت ، الذي يسهل معالجته، عمليات تجوية حديثة . بعض رواسب الحديد في منطقة بيلبارا بغرب أستراليا هي رواسب غرينية ، تتشكل من تراكم حصى الهيماتيت المعروفة باسم البيزوليت، والتي تُكوّن رواسب حديد القنوات . وتُفضّل هذه الرواسب لانخفاض تكلفة استخراجها.

عادة ما تكون رواسب الرصاص والزنك مصحوبة بالفضة ، الموجودة داخل معدن كبريتيد الرصاص الغالينا أو داخل معدن كبريتيد الزنك السفاليريت .

تتشكل رواسب الرصاص والزنك نتيجةً لتدفق المحلول الملحي الرسوبي العميق إلى قاع البحر (وتُسمى رواسب بركانية تصاعدية أو SEDEX)، أو نتيجةً لاستبدال الحجر الجيري في رواسب السكارن ، وبعضها مرتبط بالبراكين البحرية (وتُسمى رواسب خام الكبريتيد الضخمة البركانية أو VMS)، أو في هالة التداخلات الجرانيتية تحت البركانية . الغالبية العظمى من رواسب الرصاص والزنك من نوع SEDEX تعود إلى حقبة البروتيروزويك ، على الرغم من وجود أمثلة مهمة من العصر الجوراسي في كندا وألاسكا.

يُعدّ نمط رواسب الإحلال الكربوني مثالاً على رواسب خام وادي المسيسيبي (MVT) . وتنشأ رواسب MVT وما شابهها نتيجة إحلال وتدهور طبقات الكربونات بواسطة الهيدروكربونات ، التي يُعتقد أنها مهمة لنقل الرصاص.

تتشكل رواسب الذهب عبر مجموعة واسعة من العمليات الجيولوجية . تُصنف هذه الرواسب إلى رواسب أولية، أو رواسب طميية ، أو رواسب متبقية، أو رواسب لاتيريتية . غالباً ما تحتوي الرواسب على مزيج من الأنواع الثلاثة للخام.

تُعدّ حركة الصفائح التكتونية الآلية الأساسية لتكوين رواسب الذهب. وتندرج غالبية رواسب الذهب الأولية ضمن فئتين رئيسيتين: رواسب الذهب العروقية أو الرواسب المرتبطة بالتدخلات النارية .

تُعرف رواسب الذهب العروقية ، أو الذهب الأوروجيني ، عمومًا بأنها رواسب عالية الجودة، رقيقة، وتوجد في العروق والفوالق. تتكون هذه الرواسب بشكل أساسي من عروق الكوارتز، المعروفة أيضًا باسم العروق الصخرية أو الشعاب المرجانية ، والتي تحتوي إما على الذهب الحر أو كبريتيدات وتيلوريدات الذهب . عادةً ما توجد رواسب الذهب العروقية في البازلت أو في الرواسب المعروفة باسم التوربيديت ، ولكن عند وجودها في الفوالق ، قد تتواجد في الصخور النارية المتداخلة مثل الجرانيت .

ترتبط رواسب الذهب العروقي ارتباطًا وثيقًا بتكوين الجبال وأحداث تصادم الصفائح التكتونية الأخرى في التاريخ الجيولوجي. ويُعتقد أن معظم رواسب الذهب العروقي تنشأ من الصخور المتحولة نتيجةً لجفاف البازلت أثناء التحول. وينتقل الذهب عبر الصدوع بفعل المياه الحرارية المائية ، ويترسب عندما تبرد المياه لدرجة لا تسمح لها بالاحتفاظ بالذهب ذائبًا.

يتواجد الذهب المرتبط بالصخور النارية المتداخلة ( لانغ وبيكر، 2001) عادةً في الجرانيت أو البورفيري ، أو نادرًا في السدود النارية . ويحتوي هذا الذهب عادةً على النحاس ، وغالبًا ما يرتبط بالقصدير والتنغستن ، ونادرًا ما يرتبط بالموليبدينوم والأنتيمون واليورانيوم . وتعتمد رواسب الذهب المرتبطة بالصخور النارية المتداخلة على وجود الذهب في السوائل المصاحبة للصهارة (وايت، 2001)، وعلى التدفق الحتمي لهذه السوائل الحرارية المائية إلى الصخور المحيطة (لوينسترن، 2001). وتُعد رواسب السكارن مثالًا آخر على الرواسب المرتبطة بالصخور النارية المتداخلة.

تُعدّ رواسب الذهب الغرينية رواسب ثانوية ناتجة عن رواسب ذهب سابقة. تتشكل هذه الرواسب بفعل العمليات الطميية في الأنهار والجداول وعلى الشواطئ . وتتكون رواسب الذهب الغرينية بفعل الجاذبية ، حيث تتسبب كثافة الذهب في ترسبه في مواقع احتجاز ضمن قاع النهر، أو في المناطق التي تنخفض فيها سرعة المياه، مثل منعطفات الأنهار وخلف الصخور. غالبًا ما توجد هذه الرواسب ضمن الصخور الرسوبية، وقد يصل عمرها إلى مليارات السنين، كما هو الحال في رواسب ويتواترسراند في جنوب إفريقيا . تُعرف رواسب الذهب الغرينية الرسوبية باسم "الرواسب العميقة".

غالباً ما يتم استخراج الرواسب الغرينية عن طريق التنقيب ، ويُعد التنقيب عن الذهب هواية شائعة.

تتشكل رواسب الذهب اللاتريتية من رواسب ذهب موجودة مسبقًا (بما في ذلك بعض الرواسب الغرينية) خلال عمليات التجوية المطولة للصخور الأساسية. يترسب الذهب داخل أكاسيد الحديد في الصخور المتجوية أو التربة السطحية ، وقد يزداد تركيزه بفعل التعرية. تتشكل بعض رواسب اللاتريت بفعل التعرية الريحية للصخور الأساسية، تاركةً بقايا من معدن الذهب الخام على السطح.

تلعب بكتيريا Cupriavidus metallidurans دورًا حيويًا في تكوين شذرات الذهب عن طريق ترسيب الذهب المعدني من محلول رباعي كلوريد الذهب (III) ، وهو مركب شديد السمية لمعظم الكائنات الحية الدقيقة الأخرى. ^{[ 8 ]} وبالمثل، يمكن لبكتيريا Delftia acidovorans تكوين شذرات الذهب. ^{[ 9 ]}

يُعدّ البلاتين والبلاديوم من المعادن النفيسة التي توجد عادةً في الصخور فوق المافية . ومصدر رواسب البلاتين والبلاديوم هو الصخور فوق المافية التي تحتوي على كمية كافية من الكبريت لتكوين معدن كبريتي أثناء سيولة الصهارة. يكتسب هذا المعدن الكبريتي (عادةً البنتلانديت ، أو البيريت ، أو الكالكوبيريت ، أو البيروتيت ) البلاتين من خلال اختلاطه مع معظم الصهارة، لأن البلاتين مُحبّ للكبريت ويتركز في الكبريتيدات. كما يوجد البلاتين أيضاً مرتبطاً بالكروميت، إما داخل معدن الكروميت نفسه أو داخل الكبريتيدات المرتبطة به.

لا تتشكل أطوار الكبريتيد في الصهارة فوق المافية إلا عندما تصل الصهارة إلى حالة تشبع بالكبريت. ويُعتقد عمومًا أن هذا يكاد يكون مستحيلاً عن طريق التبلور الجزئي البحت، لذا تتطلب نماذج تكوين الخامات عادةً عمليات أخرى لتفسير تشبع الكبريت. وتشمل هذه العمليات تلوث الصهارة بمواد قشرية، لا سيما الصخور المحيطة الغنية بالكبريت أو الرواسب؛ واختلاط الصهارة؛ واكتساب أو فقدان المواد المتطايرة.

غالباً ما يرتبط البلاتين برواسب النيكل والنحاس والكروم والكوبالت .​

توجد رواسب النيكل عموماً في شكلين، إما على شكل كبريتيد أو لاتريت.

تتشكل رواسب النيكل الكبريتية بنفس طريقة تشكل رواسب البلاتين تقريبًا . النيكل عنصر محب للكبريتات، لذا فإن الصخور فوق المافية أو المافية التي تحتوي على طور كبريتي في الصهارة قد تُكوّن كبريتيدات النيكل. وتتشكل أفضل رواسب النيكل حيث يتراكم الكبريتيد في قاعدة أنابيب الحمم البركانية أو التدفقات البركانية ، وخاصة حمم الكوماتيت .

يُعتقد أن رواسب كبريتيد النيكل والنحاس الكوماتيتية تتكون من مزيج من فصل الكبريتيدات، وعدم امتزاجها، والتآكل الحراري للرواسب الكبريتية. وتُعتبر هذه الرواسب ضرورية لتعزيز تشبع الكبريت.

تحتوي بعض العتبات البركانية الفرعية في حزام طومسون بكندا على رواسب كبريتيد النيكل، التي تشكلت نتيجة ترسب الكبريتيدات بالقرب من فتحة التغذية. تراكم الكبريتيد بالقرب من الفتحة بسبب انخفاض سرعة الصهارة عند سطحها. ويُعتقد أن رواسب النيكل الضخمة في خليج فويسي قد تشكلت عبر عملية مماثلة.

تتشابه عملية تكوين رواسب اللاتريت النيكل بشكل أساسي مع عملية تكوين رواسب اللاتريت الذهبي، باستثناء أنها تتطلب صخورًا فوق قاعدية أو قاعدية . وعمومًا، تتطلب رواسب اللاتريت النيكل وجود تداخلات صخرية فوق قاعدية كبيرة جدًا تحتوي على الأوليفين. ومن المعادن المتكونة في رواسب اللاتريت النيكل الجبسيت .

يوجد النحاس مرتبطاً بالعديد من المعادن الأخرى وأنماط الترسيب المختلفة. وعادةً ما يتشكل النحاس إما داخل الصخور الرسوبية، أو مرتبطاً بالصخور النارية .

تتشكل رواسب النحاس الرئيسية في العالم ضمن نمط النحاس البورفيري الجرانيتي . ويتركز النحاس بفعل عمليات تحدث أثناء تبلور الجرانيت، ويتشكل على هيئة كالكوبيريت - وهو معدن كبريتي - ينتقل مع الجرانيت.

في بعض الأحيان تنفجر الصخور الجرانيتية إلى السطح على شكل براكين ، ويتشكل تمعدن النحاس خلال هذه المرحلة عندما تبرد الصخور الجرانيتية والبركانية عبر الدوران الحراري المائي .

يتشكل النحاس الرسوبي داخل أحواض المحيطات في الصخور الرسوبية. ويتشكل عادةً بفعل المحلول الملحي الناتج عن الرواسب المدفونة في أعماق البحار، والذي يصب في أعماق البحار، مُرسباً النحاس، وغالباً ما يُرسب معه كبريتيدات الرصاص والزنك مباشرةً على قاع البحر. ثم يُدفن هذا النحاس تحت طبقات أخرى من الرواسب. وهذه العملية مشابهة لعملية ترسب الزنك والرصاص في الصخور الرسوبية، مع وجود بعض الأمثلة التي تتواجد فيها هذه الرواسب في الصخور الكربوناتية.

غالباً ما يرتبط النحاس برواسب الذهب والرصاص والزنك والنيكل .

تُستخرج رواسب اليورانيوم عادةً من الجرانيت المشع ، حيث تُرشّح معادن معينة، مثل المونازيت، أثناء النشاط الحراري المائي أو دوران المياه الجوفية . يذوب اليورانيوم بفعل الظروف الحمضية، ويترسب عند معادلة هذه الحموضة. يحدث هذا عادةً في رواسب كربونية معينة، ضمن عدم توافق في الطبقات الرسوبية. ويُستمد معظم الطاقة النووية في العالم من اليورانيوم الموجود في هذه الرواسب.

يوجد اليورانيوم أيضاً في جميع أنواع الفحم تقريباً بنسب تصل إلى عدة أجزاء في المليون ، وفي جميع أنواع الجرانيت. ويُعدّ غاز الرادون مشكلة شائعة أثناء استخراج اليورانيوم لأنه غاز مشع.

يوجد اليورانيوم أيضاً مرتبطاً ببعض الصخور النارية، مثل الجرانيت والبورفيري . ويُعدّ منجم أولمبيك دام في أستراليا مثالاً على هذا النوع من رواسب اليورانيوم، إذ يحتوي على 70% من حصة أستراليا البالغة 40% من مخزون اليورانيوم العالمي المعروف القابل للاستخراج بتكلفة منخفضة.

تُعدّ الرمال المعدنية النوع السائد من رواسب التيتانيوم والزركونيوم والثوريوم . تتشكل هذه الرمال نتيجة تراكم هذه المعادن الثقيلة في أنظمة الشواطئ ، وهي نوع من الرواسب الغرينية . تشمل المعادن التي تحتوي على التيتانيوم الإلمنيت والروتيل واللوكوسين ، بينما يوجد الزركونيوم في الزركون ، ويوجد الثوريوم عادةً في المونازيت . تُستخرج هذه المعادن بشكل أساسي من صخور الجرانيت بفعل التعرية ، ثم تُنقل إلى البحر بواسطة الأنهار حيث تتراكم في رمال الشواطئ. وفي حالات نادرة، ولكن ذات أهمية، قد تتشكل رواسب الذهب والقصدير والبلاتين في الرواسب الغرينية الشاطئية.

تتشكل هذه المعادن الثلاثة عمومًا في نوع معين من الجرانيت ، عبر آلية مشابهة لآلية تشكل الذهب والنحاس المرتبطين بالصخور النارية المتداخلة. ويتم تناولها معًا لأن عملية تكوين هذه الرواسب متطابقة جوهريًا. يُعد التمعدن من نوع سكارن، المرتبط بهذه الجرانيتات، نوعًا مهمًا جدًا من رواسب القصدير والتنغستن والموليبدينوم. تتشكل رواسب سكارن نتيجة تفاعل السوائل المعدنية من الجرانيت مع الصخور المحيطة، مثل الحجر الجيري . كما يُعد التمعدن من نوع سكارن مهمًا أيضًا في تمعدن الرصاص والزنك والنحاس والذهب ، وأحيانًا اليورانيوم .

يُعد جرانيت جريسن نمطًا آخرًا مرتبطًا بتمعدن القصدير والموليبدينوم والتوباز.

توجد الغالبية العظمى من العناصر الأرضية النادرة والتنتالوم والليثيوم داخل البغماتيت . وتتنوع نظريات نشأة هذه الخامات وتتعدد، لكن معظمها يشير إلى التحول الصخري والنشاط الناري . ^{[ 10 ]} يوجد الليثيوم داخل البغماتيت على شكل سبودومين أو ليبيدوليت .

تُعدّ تداخلات الكربوناتيت مصدراً مهماً لهذه العناصر. وتُشكّل المعادن الخام جزءاً أساسياً من التركيب المعدني غير المألوف للكربوناتيت.

يُستخدم الفوسفات في الأسمدة. وتوجد كميات هائلة من صخور الفوسفات أو الفوسفوريت في رواسب الجرف القاري، التي يتراوح عمرها من حقبة ما قبل الكامبري إلى البيئات التي تتشكل حاليًا. ^{[ 11 ]} يُعتقد أن رواسب الفوسفات ناتجة عن هياكل الكائنات البحرية النافقة التي تراكمت في قاع البحر. ومثل رواسب خام الحديد والنفط، يُعتقد أن ظروفًا معينة في المحيط والبيئة قد ساهمت في تكوين هذه الرواسب في الماضي الجيولوجي.

تتشكل رواسب الفوسفات أيضاً من الصخور النارية القلوية مثل سيانيت النيفيلين والكربوناتيت وأنواع الصخور المرتبطة بها. وفي هذه الحالة، يوجد الفوسفات داخل الأباتيت الصهاري أو المونازيت أو فوسفات العناصر الأرضية النادرة الأخرى.

بسبب وجود الفانابينات ، يبلغ تركيز الفاناديوم في خلايا دم أسيديا جيماتا، التابعة لرتبة فليبوبرانشيا الفرعية ، عشرة ملايين ضعف تركيزه في مياه البحر المحيطة. وقد تكون عملية بيولوجية مماثلة قد ساهمت في تكوين خامات الفاناديوم . كما يتواجد الفاناديوم في رواسب الوقود الأحفوري ، مثل النفط الخام والفحم والصخر الزيتي والرمال النفطية . وقد سُجلت تراكيز تصل إلى 1200 جزء في المليون في النفط الخام . 

نشأت المعادن النفيسة كالذهب والبلاتين ، بالإضافة إلى العديد من المعادن النادرة والنبيلة الأخرى ، في الغالب نتيجة تصادمات النجوم النيوترونية ، وهي تصادمات بين بقايا المستعرات العظمى الضخمة والكثيفة للغاية . في اللحظات الأخيرة من التصادم، تكون الظروف الفيزيائية قاسية للغاية لدرجة تسمح بتكوّن هذه العناصر النادرة الثقيلة ، ثم تُقذف إلى الفضاء. تحتوي سحب الغبار والغاز بين النجوم على بعض هذه العناصر، كما هو الحال في سحابة الغبار التي تشكلت منها المجموعة الشمسية .

سقطت تلك المعادن الثقيلة في مركز اللب المنصهر للأرض، ولم تعد متاحة. ولكن بعد حوالي 200 مليون سنة من تكوّن الأرض، اصطدمت بها نيازك كثيفة في وقت متأخر . ولأن الأرض كانت قد بدأت بالفعل في التبريد والتصلب، أصبحت المواد (بما فيها المعادن الثقيلة) التي نتجت عن ذلك القصف جزءًا من قشرة الأرض ، بدلًا من أن تسقط في أعماق اللب. وخضعت هذه المواد للمعالجة والكشف بفعل العمليات الجيولوجية على مدى مليارات السنين. ويُعتقد أن هذا يُمثل أصل العديد من العناصر، وجميع المعادن الثقيلة، الموجودة حاليًا على الأرض. ^{[ 12 ] [ 13 ]}