التخليق تحت ضغط عالٍ لـ U2[CO3]3 و U[CO3]2 كطورين محتملين لاستضافة اليورانيوم في غلاف الأرض السفلي

حرارة خفية في أعماق الأرض

جزء كبير من حرارة الأرض الداخلية ناتج عن التحلل الإشعاعي البطيء لعناصر مثل اليورانيوم. هذه الحرارة تحرك صفائح الارض، تغذي البراكين، وتشكل الكوكب على مدى مليارات السنين. ومع ذلك، لا يزال العلماء لا يعرفون تمامًا أين وبأي شكل يُخزن اليورانيوم في أعماق الغلاف. تستكشف هذه الدراسة إمكانية غير متوقعة: أن بعض الصخور الغنية بالكربون عميقًا تحت أقدامنا قد تختبئ اليورانيوم داخل معادن كربونية خاصة، مما يساعد على تفسير كيفية توليد الحرارة وكيفية حركة العناصر داخل باطن الأرض.

لماذا يهم موطن اليورانيوم العميق

تقيس جسيمات شبحية تُدعى الجيونيوترينوات أن اليورانيوم يزوّد جزءًا كبيرًا من حرارة الأرض الداخلية. قرب السطح، يوجد اليورانيوم في معادن متنوعة، غالبًا مرتبطًا بالأكسجين في أشكال معروفة مثل أورانينيت وكربونات الأورانيل. لكن الغلاف—الطبقة الصخرية الواسعة بين القشرة واللب—مختلف. المعادن الأكثر شيوعًا في الغلاف لا تستوعب كثيرًا من اليورانيوم بسهولة، لذا يجب أن تكون هناك مضيفات أخرى أغرب. في الوقت نفسه، نعلم من الألماس والتجارب عالية الضغط أن أجزاء من الغلاف العميق يمكن أن تكون غنية بالكربون بشكل مفاجئ. هذا يثير سؤالًا رئيسيًا: هل يمكن أن تحبس معادن الكربونات، المبنية من مجموعات الكربون والأكسجين، اليورانيوم تحت الضغوط الهائلة والدرجات الحرارية العالية الموجودة على بعد مئات الكيلومترات تحت السطح؟

إعادة خلق أعماق الأرض في المختبر

لاختبار هذه الفكرة، أعاد الباحثون خلق ظروف شبيهة بمنطقة الانتقال في الغلاف الأرضي، على عمق يقارب 600 كيلومتر تحت السطح. استخدموا جهازًا يسمى خلية سندان الألماس، الذي يضغط عيّنة صغيرة بين ماسة وماسة لتبلغ الضغوط نحو 20 جيجا باسكال—أكثر من 200000 ضعف ضغط الجو. وضعوا بلورة صغيرة من ثاني أكسيد اليورانيوم، وهو أكسيد يورانيوم شائع، داخل هذه الحجرة الضاغطة المحيطة بثاني أكسيد الكربون الصلب. ثم سخنوا العيّنة بواسطة ليزر إلى نحو 1800 كيلفن، وهي درجات حرارة مماثلة لتلك المتوقعة في تلك الجزء من الغلاف. أثناء التسخين وبعده، فحصوا العينة باستخدام مطيافية رامان، التي تكشف تداخل الضوء مع اهتزازات الذرات، وأشعة سينية قوية من سينكروترون قادرة على الكشف عن الترتيب الذري لأي بلورات جديدة تشكلت.

اكتشاف معادن جديدة حاملة لليورانيوم

أظهرت التجارب أن ثاني أكسيد اليورانيوم تفاعل مع ثاني أكسيد الكربون المضغوط لتكوين كربونات يورانيوم جديدة بالكامل، اثنتان منها خاليتان من الماء في تركيبتيهما. أحد المركبات، المسمى U2[CO3]3، يحتوي على يورانيوم في حالة شحنة نسبية منخفضة نسبيًا (غالبًا ما توصف بأنها «ثلاثية التكافؤ»)، بينما الآخر، U[CO3]2، يحمل اليورانيوم في حالة شحنة أعلى قليلًا («رباعية التكافؤ»). في كلا المعدنين، يشكل الكربون والأكسجين مجموعات مستوية مثلثية تتكدس وتترابط بطرق مختلفة، بينما تحاط ذرات اليورانيوم بأقفاص غير منتظمة من ذرات الأكسجين. باستخدام حيود الأشعة السينية من السنكروترون، حدد الفريق الترتيب الثلاثي الأبعاد التفصيلي للذرات لكل مركب. ثم استخدموا حسابات حاسوبية متقدمة مبنية على ميكانيكا الكم للتأكد من أن هذه التراكيب مستقرة وللبحث في مدى قابلية هذه المعادن للانضغاط تحت الضغط.

ما تكشفه البنى الذرية

تُظهر البيانات التركيبية والحسابات أن هذه الكربونات اليورانية الجديدة تتصرف بطريقة مشابهة إلى حد كبير لكربونات الضغط العالي الأخرى التي تحتوي على معادن أكثر شيوعًا مثل الكالسيوم أو السترونشيوم. المسافات بين ذرات اليورانيوم والأكسجين، والطريقة التي ترتبط بها مجموعات الكربونات، تتسق مع روابط قوية ومستقرة حتى عند ضغوط عالية جدًا. والأهم من ذلك، أن اليورانيوم موجود في أشكال مخفضة مقارنةً بحالته المشحونة بشدة المعتادة في معادن الأورانيل القريبة من السطح. هذا يتوافق مع ظروف أكثر فقرًا بالأكسجين — ظروف تقليلية — المتوقعة في أعماق الغلاف. الخصائص الميكانيكية—طريقة انضغاط البلورات—تقع أيضًا في نفس النطاق مع كربونات معروفة ذات صلة بالغلاف، ما يشير إلى أن هذه الأطوار قد تصمد تحت ظروف عميقة واقعية داخل الأرض.

ماذا يعني ذلك لباطن الأرض

من خلال تخليق وتوصيف هذين النوعين الجديدين من كربونات اليورانيوم، تُظهر الدراسة أن معادن كربونات بسيطة وخالية من الماء يمكنها بالفعل أن تستضيف اليورانيوم عند ضغوط ودرجات حرارة الغلاف العميق، لا سيما في مناطق غنية بالكربون. هذا يوفر تفسيرًا محتملاً لمكان تواجد بعض اليورانيوم في الأرض مع انزلاق الصفائح التكتونية للصخور السطحية نحو الأسفل. إذا تَشكّلت كربونات الأورانيل القريبة من السطح ثم دُرِست عميقًا في الغلاف، فقد تتحول إلى كربونات يورانيوم مخفضة مثل تلك المكتشفة هنا، مما يساعد على تخزين العناصر الإشعاعية وحرارتها في أعماق بعيدة تحت أقدامنا. ستوضح الأعمال المستقبلية حول مدى ثبات هذه المعادن إلى جانب صخور الغلاف الأخرى بشكل أفضل كيفية توزيع اليورانيوم في باطن الأرض وكيف يسهم في المحرك الحراري طويل الأمد لكوكبنا.

الاستشهاد: Spahr, D., Bayarjargal, L., Bykova, E. et al. High-pressure synthesis of U₂[CO₃]₃ and U[CO₃]₂ as potential host phases for uranium in the Earth’s mantle. Commun Chem 9, 112 (2026). https://doi.org/10.1038/s42004-026-01911-0

الكلمات المفتاحية: كربونات اليورانيوم, غلاف الأرض, معادن عالية الضغط, دورة الكربون العميقة, الحرارة الناجمة عن الإشعاع