وقتی یک قطعه کوارتز سفید از معدن طلا را می‌شکنید، ممکن است رگه‌های فلزی درخشان درون آن را ببینید. زمین‌شناسان بیش از یک قرن معتقد بودند که «طلا با آب داغ به اینجا رسیده است».
منظور آن‌ها این بود که مایعات فوق‌داغ از شکاف‌های سنگ عبور کرده، طلا را در خود حل کرده، سپس هنگام تغییر شرایط، این طلا را روی دیواره‌ها رسوب داده‌اند.
این نظریه بسیاری از موارد را توضیح می‌دهد، اما یک چالش اساسی باقی می‌ماند: چنین محلول‌هایی معمولاً مقدار بسیار کمی طلا نسبت به حجم آب حمل می‌کنند. پس چگونه این فرآیند می‌تواند توده‌های بزرگ فلزی درون کوارتز، ماده‌ای که تقریباً با هیچ چیز واکنش نمی‌دهد، باقی بگذارد؟
این معما همچنان ذهن زمین‌شناسان را به خود مشغول کرده است.
کوارتز الکتریکی و رشد ناگهانی طلا
کریستوفر وویسی، زمین‌شناس دانشگاه موناش، همراه با پژوهشگران CSIRO و مرکز پراکندگی نوترون ANSTO، رویکرد دیگری را آزمایش کردند: اینکه برق تولیدشده هنگام زمین‌لرزه می‌تواند به رشد طلا در رگه‌های کوارتز کمک کند.
آن‌ها بر ویژگی «پیزوالکتریسیته» در کوارتز تمرکز کردند. وقتی یک کریستال کوارتز فشرده، خم یا پیچیده می‌شود، ساختار اتمی آن کمی جابه‌جا می‌شود و بارهای مثبت و منفی از هم جدا می‌شوند.
در نتیجه یک سمت کریستال نسبتاً مثبت، سمت دیگر نسبتاً منفی می‌شود و ولتاژی درون آن شکل می‌گیرد. همین اثر در ساعت‌های کوارتز نیز استفاده می‌شود، البته در محیطی کاملاً کنترل‌شده.
رگه‌های کوارتز در پهنه‌های گسلی میزبان طلا فراوان‌اند. در این نواحی، سنگ‌ها هنگام حرکت صفحات تکتونیکی می‌شکنند، می‌لغزند و روی هم ساییده می‌شوند. در طول زمین‌لرزه، فشار در کوارتز بالا می‌رود و با رها شدن این فشار، بارهای پیزوالکتریک شکل می‌گیرند و از بین می‌روند.
سؤال اصلی تیم پژوهشی این بود: آیا این ولتاژها آن‌قدر قوی هستند که الکترون‌ها را جابه‌جا کنند، طلا را از محلول بیرون بکشند و آن را مستقیم روی سطح کوارتز بچسبانند؟
آزمایش کوارتز، طلا و زمین‌لرزه در آزمایشگاه
برای بررسی این ایده، پژوهشگران آزمایش‌های کنترل‌شده‌ای انجام دادند. آن‌ها قطعات کوارتز را در محلول‌هایی با طلا حل‌شده قرار دادند؛ مشابه مایعات هیدروترمال در اعماق زمین.
سپس کوارتز را به‌صورت مکانیکی تحت فشارهای سریع قرار دادند تا فشردگی و کشش‌های ناگهانی یک زمین‌لرزه شبیه‌سازی شود. پس از آن، سطح کریستال‌ها با میکروسکوپ‌های پیشرفته بررسی شد.
نتیجه شگفت‌انگیز بود: طلا روی سطوح ظاهر شد. لکه‌های درخشان، خوشه‌های نانوذرات و کریستال‌های کوچک شبه‌شش‌ضلعی روی دانه‌های کوارتز تشکیل شدند.
این شکل‌ها دقیقاً همان چیزی هستند که در «رسوب‌دهی الکتروشیمیایی» انتظار می‌رود؛ فرآیندی که در آن یون‌های طلا الکترون دریافت کرده، به فلز جامد تبدیل می‌شوند و روی یک سطح می‌نشینند.
در مرحله بعد، پژوهشگران به جای کوارتز خالص، از کوارتزی استفاده کردند که در ابتدا مقدار بسیار کمی طلا داشت؛ شبیه‌ترین حالت به رگه‌های طبیعی. در این حالت، دانه‌های کوچک طلا مانند رساناهای داخلی عمل کردند.
وقتی فشار باعث ایجاد میدان الکتریکی در کوارتز شد، این دانه‌های فلزی میدان را در اطراف خود متمرکز کردند و نانوذرات جدید تمایل داشتند روی همین دانه‌ها رشد کنند و خوشه‌های فشرده تشکیل دهند.
در این شرایط، بارهای الکتریکی می‌توانستند طلا را از محلول بیرون کشیده و لایه‌ای جدید روی سطح کوارتز ایجاد کنند و توده فلزی موجود را ضخیم‌تر کنند.
از دانه تا قطعه بزرگ طلا
وقتی حتی یک دانه بسیار کوچک طلا وجود داشته باشد، همان نقطه به محل ترجیحی رشد طلا تبدیل می‌شود.
کوارتز یک عایق الکتریکی است و اجازه نمی‌دهد الکترون‌ها درون آن آزادانه حرکت کنند. بنابراین شروع تشکیل طلا از صفر دشوار است.
اما طلا رسانای بسیار خوبی است. وقتی یک دانه کوچک طلا شکل می‌گیرد، میدان الکتریکی را روی سطح خود متمرکز می‌کند و الکترون‌ها در همان‌جا تجمع می‌کنند؛ دقیقاً جایی که تشکیل طلا نیاز دارد.
به این ترتیب یک الگوی «ثروتمندتر، ثروتمندتر می‌شود» ایجاد می‌شود: به‌جای ذرات کوچک متعدد، چند قطعه بزرگ‌تر طلا ساخته می‌شود.
در آزمایش دیگر، پژوهشگران کوارتز را در محلولی حاوی نانوذرات طلا قرار دادند. وقتی کوارتز تحت فشار قرار گرفت، این ذرات دیگر در محلول پخش نماندند؛ بلکه به سمت سطح کوارتز حرکت کردند و خوشه‌های بزرگ‌تر تشکیل دادند.
به گفته پروفسور اندی تامکینز از دانشگاه موناش:
«نتایج واقعاً شگفت‌انگیز بود. کوارتز تحت تنش نه‌تنها طلا را به‌صورت الکتروشیمیایی روی سطح خود رسوب داد، بلکه نانوذرات طلا را نیز شکل داد و جمع‌آوری کرد. طلا تمایل داشت روی دانه‌های موجود رشد کند، نه اینکه کریستال‌های کاملاً جدید بسازد.»
این رفتار نشان می‌دهد که میدان‌های الکتریکی اطراف کوارتز تحت فشار می‌توانند ذرات طلا را پیش از ترکیب کامل، گرد هم آورند و متمرکز کنند.
ولتاژهای واقعی در رگه‌های کوارتز
در یک پهنه گسلی که رگه‌های کوارتز و محلول‌های حاوی طلا از آن عبور می‌کنند، هر زمین‌لرزه برای لحظه‌ای کوتاه سیستم را به یک «سلول الکتروشیمیایی» طبیعی تبدیل می‌کند.
روی برخی سطوح کوارتز الکترون‌ها تجمع می‌کنند و گونه‌های حل‌شده طلا این الکترون‌ها را جذب کرده و به طلا تبدیل می‌شوند. در نقاط دیگر، واکنش‌های مکمل رخ می‌دهد و یون‌های باردار محلول، بارها را متعادل می‌کنند.
هر «فشار» — هر زمین‌لرزه — کوارتز را کمی شارژ می‌کند و مقداری طلا را روی دانه‌های موجود یا محل‌های جدید رسوب می‌دهد.
طلا، کوارتز و زمین‌لرزه‌ها
مکانیسم الکتریکی جایگزین مدل کلاسیک تشکیل طلا نمی‌شود. مایعات داغ همچنان باید از شکاف‌ها عبور کنند و تغییرات دما، فشار و ترکیب شیمیایی همچنان در جدایش طلا نقش دارند.
این پژوهش تنها یک گام تازه اضافه می‌کند: اینکه ولتاژهای پیزوالکتریک ایجادشده هنگام زمین‌لرزه، رشد طلا را روی نقاط خاصی از کوارتز متمرکز می‌کنند؛ به‌ویژه جایی که از قبل فلز وجود دارد.
بیشتر توده‌های بزرگ طلا در جهان از رگه‌های کوارتز در سیستم‌های طلای اوروژنیک به دست می‌آیند؛ مناطقی که تقریباً سه‌چهارم طلای استخراج‌شده تاریخ بشر از آن‌ها بوده است.
در بسیاری از این ذخایر، معدن‌کاران به جای پودرهای ریز طلا، توده‌های بزرگ فلزی را در رگه‌های ضخیم کوارتز پیدا می‌کنند.
به گفته دکتر وویسی:
«کوارتز مانند یک باتری طبیعی عمل می‌کند. با هر رویداد لرزه‌ای طلا روی الکترودهای طبیعی خود می‌نشیند و به‌مرور یک توده کوچک را به یک قطعه بزرگ تبدیل می‌کند.»
این مطالعه نشان می‌دهد که فعالیت لرزه‌ای، با شارژ و دشارژ کردن کوارتز در طول زمان زمین‌شناسی، می‌تواند دلیل پیوند نزدیک طلا و کوارتز و علت شکل‌گیری ندرت‌بار قطعات عظیم طلا در طبیعت باشد.
گزارش کامل این تحقیق در نشریه Nature Geoscience منتشر شده است.
برای آشنایی با علمی‌ترین یافته‌ها درباره زمین، طلا و انرژی‌های پنهان کوارتز، نظرتان را زیر همین مطلب بنویسید یا آن را با دوستان علاقه‌مندتان به اشتراک بگذارید.
