הבהלה לזהב

זה שנים רבות שגיאולוגים מבינים שכדי לחקור את חלקיו הפנימיים של כדור הארץ, יש לבחון את המתרחש על פני השטח. בדומה למצב שבו רופאים מנסים להבין את מצבו הפנימי של מטופל באמצעות בדיקות חיצוניות כדי להימנע מפעולות חודרניות, כך חוקרי כדור הארץ נדרשים לפרש את מה שקורה בעומק הפלנטה על סמך המידע הזמין על פני האדמה – פשוט משום שאינם מסוגלים לחדור למעמקיה. בנוסף, כשם שרופאים לומדים לעתים על מצבם הפנימי של החולים על ידי בחינה של חומר שנלקח מהגוף באמצעות פעולה חודרנית קלה יחסית, כמו בדיקת דם, כך גיאולוגים יכולים ללמוד על המבנה הפנימי של כדור הארץ באמצעות ניתוח סלעים געשיים, המגיעים אל פני השטח כתוצאה ישירה של תהליכים פנימיים. בדומה לבדיקת הדם של החולה, גם הסלעים הגעשיים יכולים לחשוף מידע חשוב על הרכב החומרים והדינמיקה של התהליכים המתרחשים בעומק כדור הארץ.

לאחרונה ביצעו גיאולוגים אנליזה מתקדמת לדגימות בזלת צעירות, שנפלטו בהתפרצויות געשיות באיי הוואי. החוקרים ביקשו להתחקות אחר הרכב המגמה שנפלטה, בתקווה לאתר חתימות כימיות שמקורן בעומקים גדולים, אולי אפילו מהגבול שבין גרעין כדור הארץ למעטפת שלו. הגרעין מורכב מליבה פנימית וחיצונית, והמעטפת מקיפה אותן. מעל המעטפת, שאף היא נחלקת למעטפת העליונה והתחתונה, מונח הקרום הסלעי עליו אנו חיים. מחקרים קודמים קבעו כי אזור הוואי משמש חלון אל מעמקי כדור הארץ, שכן המגמה הנפלטת בו ניזונה מזרמים העולים מהמעטפת התחתונה, סמוך לגבול עם הליבה החיצונית של גרעין כדור הארץ, כשלושה קילומטרים בקירוב מתחת לפני השטח. זרמים אלה מביאים איתם חומר עמוק שלא עבר ערבוב עם חומרים מן הקרום או מפני השטח.

כמה שיותר כבד

אילו חומרים חיפשו החוקרים? ראשית, יסודות כבדים, כמו זהב, פלטינה ורותניום, שעשויים להעיד כי המגמה אכן מגיעה מעומק רב. זהב ופלטינה מוכרים כמתכות אצילות ויקרות, ואילו רותניום – יסוד מסדרת מתכות המעבר – נפוץ, למשל, בשימושים תעשייתיים כמו באלקטרוניקה. יסודות אלו הם בעלי אטומים “כבדים” יותר, כלומר מורכבים מגרעין בעל מספר רב יותר של פרוטונים. היסודות הללו נפוצים הרבה יותר בליבת הפלנטה, מאחר ובמהלך היווצרות כדור הארץ, לפני כ-4.5 מיליארד שנה, רוב המתכות הכבדות והיקרות שקעו והתרכזו בליבה, ורק כמויות זעירות נותרו מחוצה לה, בקרום ובמעטפת. באשר לזהב למשל, ההערכה היא כי 99.9 אחוזים מהזהב בכדור הארץ מרוכז בליבה. 

מעבר לסוגי היסודות עצמם, בחנו החוקרים גם את הרכב האיזוטופים שלהם. ליסודות כימיים קיימים איזוטופים שונים – גרסאות של אותו יסוד בעלות מספר זהה של פרוטונים ואלקטרונים (ולכן בעלי תכונות כימיות דומות), אך מסה שונה. ההבדל במסה נובע ממספר שונה של נויטרונים בגרעין, והוא משפיע על היציבות הפיזיקלית של היסוד. אצל חלק מהאיזוטופים הכבדים, ההבדל הזה יכול להפוך אותם לרדיואקטיביים, אולם חלקם נותרים יציבים. בעוד איזוטופים קלים נפוצים יותר על פני השטח או בתת-הקרקע הרדוד, האיזוטופים הכבדים נוטים להתרכז בליבת כדור הארץ.

היחסים האיזוטופיים נמדדו עבור דגימות הבזלת שנאספו באמצעות ספקטרומטר מסות – מעין “מאזניים של אטומים”: המכשיר מפריד בין איזוטופים שונים של אותו יסוד לפי המסה שלהם, ומאפשר למדוד את יחסיהם בדיוק גבוה מאוד. שיטה זו אפשרה לחוקרים לקבוע את ההרכב האיזוטופי של היסודות הכבדים. להפתעתם של החוקרים, הם זיהו בסלעים הגעשיים ריכוז חריג של איזוטופ נדיר יחסית וכבד של היסוד רותניום, Ru100. איזוטופ זה מצוי בריכוזים גבוהים בליבה, ובריכוזים פחותים במעטפת. בנוסף ל-Ru100, החוקרים זיהו עקבות של מתכות יקרות נוספות, בהן זהב ופלטינה, שגם הן נחשבות לנפוצות בליבת כדור הארץ, ולא במעטפת.

“מצאנו זהב”

החוקרים קובעים כי הריכוזים הגבוהים של איזוטופ הרותניום לצד נוכחות המתכות הכבדות מעידים על תהליך שבו חומר שמקורו בגבול שבין הליבה למעטפת הצליח להבקיע את דרכו כלפי מעלה, והגיע לבסוף אל פני השטח באמצעות פעילות געשית. זאת מכיוון שמתכות אלו אמורות להישאר שקועות בליבה, ולכן ריכוזים גבוהים במעטפת תומכים במסקנה כי חומר זה דלף ממקור עמוק בגבול הליבה-מעטפת.

“כשהתוצאות הראשונות התקבלו, הבנו, פשוטו כמשמעו, שממש מצאנו זהב”, אמר נילס מסלינג (Messling), גיאוכימאי מאוניברסיטת גטינגן, ל-POPULAR SCIENCE. “הנתונים שלנו אישרו שחומר מליבת כדור הארץ, כולל זהב ומתכות יקרות אחרות, דולף אל המעטפת מעליה”.

לממצאים הללו חשיבות מדעית משמעותית, משום שהם מוכיחים כי חומר הליבה, הנחשב מבודד ובלתי נגיש, מצליח לחדור כלפי מעלה ולמצוא את דרכו אל פני השטח נישא על זרמי מגמה. מדובר בשינוי משמעותי של תפיסת הדינמיקה הפנימית של כדור הארץ. כמו כן, מידת הרגישות של שיטות המדידה מדגימה כיצד ניתן להבין באמצעות דוגמאות סלע על פני השטח תהליכים המתרחשים בעומק רב, ואף לזהות את החתימות הכימיות, היסודות והאיזוטופים של החומרים שקיימים באזורים שנחשבו עד כה בלתי נגישים למחקר ישיר.