Minerales críticos
El primer estudio geológico nacional de Estados Unidos en una generación podría revelar suministros muy necesarios de minerales críticos.
Desde el aire, Maine es un mar verde uniforme: los bosques cubren el 90 % del estado. Pero debajo del follaje y la tierra se encuentra una serie de terrenos geológicos que son mucho más diversos, construidos a partir de las reliquias de las islas volcánicas que chocaron con América del Norte hace cientos de millones de años. Hace dos años, aviones cargados de sensores comenzaron a inspeccionar estos terrenos geoquímicamente ricos en busca de minerales preciosos. Los investigadores detectaron una señal anómala que salía de Pennington Mountain, a 50 kilómetros de la frontera con Canadá. Los geólogos recorrieron los bosques de pinos delimitados por la fábrica de papel, tomando muestras de rocas. Eventualmente descubrieron depósitos que contenían circonio, niobio y otros elementos por valor de miles de millones de dólares que son críticos en la electrónica, la defensa y las tecnologías de energía renovable. “Fue un descubrimiento perfecto”, dice John Slack, científico emérito del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) que trabajó en el hallazgo de Maine. Él espera más como él. “Creemos que hay potencial en los Apalaches”.
Pocos temas atraen más apoyo bipartidista en Washington, D.C., que la necesidad de que Estados Unidos encuentre fuentes confiables de "minerales críticos", una colección de 50 sustancias extraídas que ahora provienen en su mayoría de otros países, incluidos algunos que son hostiles o inestables.
La lista, creada por USGS bajo la dirección del Congreso, contiene no solo los 17 elementos de tierras raras producidos principalmente en China, sino también materiales menos exóticos como el zinc, utilizado para producir acero, y el cobalto, utilizado en baterías de automóviles eléctricos.
“Estos productos básicos son necesarios para todo”, dice Sarah Ryker, directora asociada de energía y minerales de USGS.
“También son un punto crítico para el conflicto”.
Pero la década pasada, cuando los legisladores comenzaron a preguntarle al USGS sobre los suministros estadounidenses, la respuesta fue inquietante: la agencia ni siquiera sabía dónde buscar.
Durante décadas, las empresas habían estado trasladando sus operaciones mineras al exterior, en parte para evitar las regulaciones ambientales estadounidenses relativamente estrictas. La exploración básica necesaria para identificar los recursos minerales y estimular el interés empresarial había languidecido. La última encuesta a nivel nacional, una búsqueda de uranio, terminó en la década de 1980. Ryker dice que EE. UU. está "infravalorado" en comparación con la mayoría de los países desarrollados, incluidos Australia, Canadá e incluso Irlanda. “Estamos en un punto vergonzoso”.
Anomalías magnéticas (rojo) debajo del sureste de Missouri revelan depósitos de óxido de hierro formados hace 1.400 millones de años.
Para comenzar a llenar este vacío de conocimiento, USGS en 2019 comenzó lo que llama la Iniciativa de Recursos de Mapeo de la Tierra, o Earth MRI. Con un modesto presupuesto anual de $10 millones, la agencia comenzó a trabajar con estudios geológicos estatales para digitalizar datos y encargar trabajo de campo para mapear el terreno más prometedor con gran detalle. Luego, en 2021, la Ley de Infraestructura Bipartidista destinó $320 millones al programa, casi un tercio de todo el presupuesto del USGS que se gastará en 5 años. Ese gasto ya ha permitido cientos de vuelos topográficos y está abriendo una era dorada para la geología económica.
También es una bendición para la ciencia básica que llena los vacíos en la historia geológica, identifica fallas sísmicas desconocidas y revela sistemas geotérmicos. “Estamos viendo un renacimiento en todo el país”, dice Virginia McLemore, geóloga económica de la Oficina de Geología y Recursos Minerales de Nuevo México. “He estado entrenando toda mi vida para llegar a este punto”.
Los descubrimientos podrían provocar una oleada de minería, y los ambientalistas se muestran cautelosos. Si USGS detecta sistemas minerales prometedores, las empresas tendrán que demostrar que pueden desarrollarlos de manera segura y con un impacto ambiental mínimo, dice Melissa Barbanell, directora de participación internacional de EE. UU. en el Instituto de Recursos Mundiales, una organización ambiental sin fines de lucro. “Nunca puede ser cero daño”, dice ella. “Pero, ¿cómo podemos minimizar el daño y mantenerlo en la mina misma?”
Mientras tanto, las compañías mineras están adoptando Earth MRI. Donald Hinks, geofísico del gigante minero mundial Rio Tinto, que tiene docenas de operaciones en todo el mundo pero solo unas pocas en los EE. UU., dice que ha alentado a otros mineros a colaborar y compartir datos con el programa.
Rio Tinto incluso financió algunos vuelos de USGS en Montana, a cambio de un año de acceso exclusivo a los datos. “Tener estos datos a gran escala y de alta calidad en el dominio público generará nuevas ideas y nuevos descubrimientos”, dice Hinks.
DURANTE LA MAYOR PARTE DE LA HISTORIA de la minería, la historia del origen de una veta mineral no venía al caso.
Los buscadores lo encontraron y los mineros lo desenterraron. Pero por ahora, la mayoría de los hallazgos obvios se han ido, dice Anne McCafferty, geofísica del USGS. “La fruta madura ha sido recogida”.
Esta escasez ha llevado a Earth MRI a adoptar un enfoque de "sistemas minerales", iniciado por primera vez en Australia, que intenta predecir dónde se pueden encontrar minerales críticos en función de los procesos que los forman.
Por ejemplo, una búsqueda de minerales de tierras raras podría comenzar buscando un tipo inusual de roca rica en carbono llamada carbonatita, que a menudo contiene bolsas de tierras raras formadas cuando se cristalizó en la lava. O los geólogos pueden buscar rocas ricas en arcilla o sedimentos que puedan capturar concentraciones de tierras raras después de que el agua las erosione de una roca madre.
Los buscadores también buscarían señales de que estas rocas minerales se preservaron a lo largo de los eones (eón (en griego eternidad) se refiere a cada una de las divisiones mayores de tiempo de la historia de la Tierra usadas en la escala temporal geológica). Para ensamblar estas historias reveladoras de rocas, los científicos del USGS necesitan integrar una variedad de fuentes de información.
Algunos ya existen, mapas geológicos a gran escala basados en décadas de trabajo de campo y estudios de la estructura profunda de las formaciones rocosas basados en los reflejos de las ondas sísmicas de terremotos artificiales o naturales.
Los estudios aéreos de Earth MRI, con vuelos a solo 100 metros sobre la superficie, agregarán muchos más detalles e informarán una nueva generación de mapas geológicos más nítidos.
Una herramienta adherida a la aeronave es un magnetómetro, que detecta rocas ricas en hierro y otros minerales magnéticos, a menudo una pista de que contienen minerales críticos.
A partir de este tipo de datos se obtiene información sobre profundidad y distribución del basamento de una cuenca, cartografía geológica y estructural de una determinada área, prospectividad de depósitos minerales, entre otras. Estos datos son luego procesados e interpretados en laboratorio para generar productos aplicables en la exploración.
Otro es un espectrómetro de rayos gamma, que como un contador Geiger puede capturar la radiación emitida por el torio, el uranio y el potasio. Esos elementos frecuentan las mismas rocas volcánicas que los minerales de tierras raras y, a menudo, se incorporan a sus estructuras cristalinas
Otros aviones llevan altímetros láser que pueden mapear el relieve de la superficie para revelar la historia geológica.
Y un instrumento "hiperespectral" pionero desarrollado por la NASA puede identificar los minerales expuestos en la superficie en función de las longitudes de onda específicas de la luz que absorben. En los datos combinados, "se puede ver toda la geología subyacente", dice Anjana Shah, la geofísica del USGS que dirige los estudios aéreos de la costa este de la agencia. “Es una forma muy poderosa de entender la Tierra”.
Armado con un impulso de $ 320 millones del Congreso, el Servicio Geológico de EE. UU. está financiando campañas aéreas y de campo para identificar rocas que probablemente contengan minerales críticos para la energía renovable y la electrónica, como el litio y los elementos de tierras raras.
La campaña, llamada Earth Mapping Resources Initiative (Earth MRI), es la primera evaluación importante de la riqueza mineral del país en casi medio siglo.
Está desplegando diferentes técnicas dependiendo de la geología de cada región.
Caza alta y baja
Huella
Divergencia del haz
GEOFISICA
Los aviones que vuelan a baja altura equipados con magnetómetros pueden estudiar rocas con contenido de hierro escondidas en la tierra poco profunda. Los espectrómetros de rayos gamma buscan la firma radiactiva de los elementos de tierras raras.
HIPERESPECTRAL
En el árido oeste, donde los árboles no bloquean la vista, los vuelos que utilizan un instrumento hiperespectral de la NASA buscarán los minerales característicos en cientos de canales de luz reflejada.
LIDAR
Earth MRI está ayudando a completar un altímetro laser aerotransportado topográfico de alta resolución o lidar. Estos datos son esenciales para el mapeo geológico y pueden revelar la expresión superficial de las formas de relieve antiguas.
BASADO EN TIERRA
La agencia está patrocinando campañas de mapeo de campo por parte de geólogos estatales. También está financiando estudios geoquímicos más amplios y estudios de los recursos minerales que quedan en las antiguas pilas de desechos mineros.
En las primeras incursiones, los aviones Earth MRI cruzaron Carolina del Norte y Carolina del Sur, rastreando las antiguas raíces del paisaje. Ocultas debajo de las granjas de tabaco de los estados hay playas fosilizadas que marcan las costas que quedaron durante los períodos cálidos entre las glaciaciones pasadas, cuando los niveles del mar eran más altos que en la actualidad. Mapas de altímetro láser que capturan un florecimiento de relieve sutil con esas costas y los ríos paleo que las diseccionaron, dice Kathleen Farrell, geomorfóloga del Servicio Geológico de Carolina del Norte. “Hay mucha más llanura costera de lo que nadie pensaba”.
Las antiguas playas albergan depósitos de arenas negras, erosionadas de las montañas y depositadas por los ríos, ricas en elementos pesados. Al combinar los nuevos datos aéreos recopilados por Shah con el mapeo de campo y los pozos perforados para tomar muestras de los sedimentos profundos, Farrell y sus colegas esperan saber cómo se originaron las arenas de Carolina.
Quieren saber cómo se ensamblaron las llanuras costeras a lo largo del tiempo, por qué las arenas pesadas se formaron solo durante ciertos períodos y de dónde provienen río arriba esas arenas. Las respuestas deberían ayudar a guiar a los geólogos hacia nuevos depósitos de metales pesados; sitios similares en el norte de Florida se encuentran entre las pocas fuentes comerciales de titanio en los EE. UU.
Las campañas aerotransportadas en Carolina del Sur tendrán otro beneficio, agrega Shah, volaron sobre Charleston, recopilando datos magnéticos que, al identificar cambios y compensaciones en las rocas del subsuelo, revelan las fallas sísmicas ocultas que se rompieron en 1886 en un terremoto de magnitud 7. Tal terremoto, si volviera a ocurrir hoy, causaría miles de millones de dólares en daños.
Este año, una encuesta de resonancia magnética de la Tierra que cubre partes de Missouri, Kentucky, Tennessee, Arkansas, Illinois e Indiana investigará otra misteriosa zona sísmica.
Enterrado bajo kilómetros de sedimentos se esconde el Reelfoot Rift, un corte en el lecho rocoso del continente que probablemente se creó hace unos 750 millones de años cuando el supercontinente Rodinia comenzó a resquebrajarse.
En 1811 y 1812, las fallas vinculadas a esta grieta provocaron los terremotos de Nuevo Madrid, los más grandes que jamás hayan azotado los EE. UU. al este de las Montañas Rocosas. Pero a pesar del peligro potencial, la zona de falla sigue siendo poco conocida.
El Reelfoot y las deformaciones cercanas del lecho rocoso no solo crean peligros; también crean oportunidades para que se formen minerales.
Las grietas proporcionaron conductos para que el magma brotara mucho más tarde en el tiempo geológico, cuando África chocó con América del Norte para formar las Montañas Apalaches.
Se cree que este magma expulsó gases que fluyeron hacia las calizas, alterándolas químicamente. Un resultado es el distrito de fluorita del sur de Illinois, que una vez produjo la mayor parte de la fluorita del país utilizada para fundir acero y crear ácido fluorhídrico.
Esas inyecciones de magma podrían haber jugado un papel en la creación de Hicks Dome, que se eleva 1 kilómetro sobre el campo de Illinois y es lo más parecido a un volcán que tiene el estado. Jared Freiburg, jefe de minerales críticos del Servicio Geológico del Estado de Illinois, lo llama "una estructura explosiva criptovolcánica magmática loca".
Aparece como una anomalía magnética en los datos aéreos del USGS, y los núcleos perforados del domo son ricos en minerales de tierras raras.
Los trazadores geoquímicos de los núcleos sugieren que los depósitos más profundos en el domo se formaron a partir de carbonatitas, las rocas volcánicas inusuales asociadas con los mejores depósitos de tierras raras del mundo. “Es como un fregadero de cocina de minerales críticos allí”, dice McCafferty.
En Nevada, un helicóptero que remolca una bobina de inducción mide la resistencia eléctrica del subsuelo (arriba a la izquierda) y un investigador calibra los datos recopilados por un sensor hiperespectral aerotransportado (derecha). En Maine, los geólogos llevan sensores para trazar la radiactividad de las rocas (abajo a la izquierda).
(EN EL SENTIDO DE LAS AGUJAS DEL RELOJ DESDE LA PARTE SUPERIOR IZQUIERDA) BRETT
ROBINSON/XCALIBUR MULTIPHYSICS A TRAVÉS DEL SERVICIO GEOLÓGICO DE LOS ESTADOS UNIDOS; USGS; ANJI SHAH/USGS.
Las encuestas del medio continente también podrían ayudar a los geólogos a evaluar otro recurso, el hidrógeno natural, un combustible de combustión limpia. Actualmente, todo el hidrógeno se fabrica, pero algunos investigadores creen, contrariamente a la sabiduría convencional, que la Tierra produce y atrapa grandes cantidades de gas.
Las rocas volcánicas ricas en hierro de Reelfoot son exactamente del tipo que podría producir hidrógeno.
Yaoguo Li, geofísico de la Escuela de Minas de Colorado, está desarrollando una propuesta de subvención del Departamento de Energía (DOE) para buscar rocas generadoras de hidrógeno con los datos del USGS. “Todavía no hemos hecho nada”, dice. “Pero puedo ver que hay mucho que podemos hacer”.
Además de identificar recursos para extraer, las encuestas podrían generar otros dividendos. Están identificando las cubiertas de acero de los pozos de petróleo y gas abandonados que a menudo tienen fugas de gases de efecto invernadero.
Ayudarán a identificar depósitos de roca porosa, delimitados por fallas, que podrían contener el dióxido de carbono capturado de las chimeneas, manteniéndolo fuera de la atmósfera. Y también podrían mapear variaciones en las rocas radiactivas que emiten gas radón, un peligro para la salud.
Estos días, ningún mineral puede ser más crítico que el litio, que se usa en las baterías de los teléfonos celulares y los automóviles eléctricos, que mueve una cantidad cada vez mayor de electrones del mundo. Sin embargo, solo existe una mina de litio en los EE. UU., en Nevada, y su litio en bruto se envía al extranjero para su procesamiento.
El estado tiene potencial para contener mucho, mucho más, y podría convertirse en un "epicentro" internacional de litio, dice James Faulds, geólogo del estado de Nevada. El litio se encuentra a menudo en el magma de las rocas ígneas que cristalizó en la corteza o en la lava que se enfrió en la superficie. Muchos de los depósitos de litio conocidos se encuentran en el norte del estado, en la caldera McDermitt, un cráter volcánico formado hace 16 millones de años por el punto caliente de la Tierra profunda que actualmente alimenta a Yellowstone.
El agua de lluvia que cae dentro de la caldera o el agua caliente desde abajo ha concentrado litio dentro de los depósitos de arcilla de la caldera a niveles que no se ven en otros lugares, en otras erupciones del punto caliente de Yellowstone.
"¿Por qué sucedió esta mineralización?" pregunta Carolina Muñoz-Saez, geóloga de la Universidad de Nevada, Reno. Ella y sus colaboradores están estudiando la geoquímica del litio y las arcillas para averiguar si el elemento se formó y se concentró durante la erupción por agua sobrecalentada o si la concentración se produjo más tarde, cuando el agua se infiltró en las rocas ricas en cenizas de la caldera. La respuesta podría llevar a los geólogos a otros yacimientos igualmente ricos.
Mountain Pass en California es la única mina estadounidense que produce elementos de tierras raras. El Servicio Geológico de los Estados Unidos espera que la Iniciativa de Recursos de Mapeo de la Tierra fomente más minería. TMY350/WIKIMEDIA COMMONS
Earth MRI ya ha demostrado que los buscadores de litio no necesitan ceñirse a las calderas. Los geólogos de campo han encontrado rocas que parecen ser ricas en litio en cuencas delimitadas por bloques de corteza levantados tectónicamente.
Nevada, famosa por su topografía de "cuenca y cordillera", tiene muchos lugares así, dice Faulds. Aún mejor, las cuencas tienden a albergar sistemas de salmuera caliente, una fuente potencial de energía geotérmica, una de las razones por las que el DOE financia estudios en el estado, dice Jonathan Glen, geofísico del USGS.
Justo al sur de Nevada, el DOE ha invertido de manera similar en vuelos del USGS sobre el Mar Salton de California, que se está separando por el movimiento de las placas tectónicas del Pacífico y América del Norte, dejando la corteza delgada y caliente. “Las temperaturas son realmente altas”, dice Glen.
“Hay un enorme potencial geotérmico”. Más allá de mapear los posibles depósitos de litio y los sitios geotérmicos, las encuestas también han encontrado nuevas fallas en el extremo sur de San Andreas y lo que parecen ser volcanes enterrados debajo del Mar de Salton. “Esto es algo completamente nuevo”, dice Glen. “No sabíamos nada de esto”.
El mineral estibina es el mineral para el antimonio, utilizado en baterías. NIKI
WINTZER/USGS
Esa información proviene de vuelos con magnetómetro, radiométricos y altímetros láser. Pero Earth MRI también está planeando estudios hiperespectrales que escanearán la superficie árida y sin árboles en busca de tierra rentable. El litio y los elementos de tierras raras, por ejemplo, tienen fuertes reflejos espectrales; y otras firmas pueden revelar los minerales de hierro o arcilla asociados con el litio u otros minerales. Más allá de la prospección, los datos serán valiosos para detectar peligros volcánicos.
Estos incluyen rocas en los flancos de los volcanes que se han transformado en arcillas blandas por el derretimiento de la nieve y el calor, dice Bernard Hubbard, un geólogo de teledetección del USGS. “Esos se vuelven inestables y luego colapsan”.
Además de identificar las formaciones rocosas que probablemente contengan depósitos minerales, Earth MRI ha acelerado los esfuerzos del USGS para detectar recursos valiosos que quedan en los relaves de las minas de cobre o hierro desaparecidas.
La década pasada, Shah detectó las firmas radiactivas distintivas de las tierras raras en tales pilas en Mineville, una aldea de Nueva York.
Con las agencias geológicas estatales, el USGS está compilando una base de datos nacional de sitios de desechos mineros, junto con métodos para que los investigadores evalúen el potencial mineral de los desechos. "¿Cuál es el punto de cavar otro hoyo en el suelo si puedes volver a minar las rocas?" pregunta Darcy McPhee, coordinadora del programa Earth MRI en el USGS. Esas pilas de relaves persistentes son un recordatorio del daño ambiental que puede causar la minería. Durante décadas, EE. UU. evitó los debates ambientales sobre la minería al subcontratarla a otros países. El nuevo consenso es que el trabajo debería ocurrir aquí, dice Ryker.
“Pero eso significa que tenemos que lidiar con el conflicto”. La encuesta revelará nuevos recursos. Pero el resto depende de nosotros, dice ella. “¿Cuánto debemos desarrollar? Esa es una pregunta mucho más complicada”.
Esas preguntas ahora se están desarrollando, estado por estado. En Nevada, la prospección de litio está en auge, impulsada por el mandato de la Ley de Reducción de la Inflación de que los autos eléctricos deben usar algunos minerales de origen estadounidense para que los compradores obtengan un crédito fiscal.
Pero en Maine, los legisladores promulgaron una estricta ley minera en 2017, cuando el mayor terrateniente del estado, la empresa forestal canadiense J.D. Irving, consideró explotar las reservas de oro, plata y cobre que se encuentran en sus tierras.
Tras el descubrimiento de depósitos de tierras raras en Pennington Mountain y litio en otras partes del estado, los legisladores ahora están considerando modificar la ley para permitir cierta minería responsable.
Dadas las demandas de la tecnología verde y el imperativo de reducir las emisiones de carbono, muchos grupos ambientalistas están suavizando su postura sobre la minería de minerales críticos, dice Barbanell. Esta explotación no tiene que continuar para siempre, agrega.
A diferencia del carbón, que debe extraerse indefinidamente a medida que se quema, los minerales utilizados para las baterías y las turbinas eólicas casi siempre se pueden reciclar, siempre que los legisladores presionen para su reutilización. Slack también agradecería algo de minería.
Se retiró a Maine por su esplendor natural, pero hasta que el reciclaje pueda cubrir las necesidades de la sociedad, la explotación crítica de minerales debe ocurrir en algún lugar. “No podemos tener un futuro bajo en carbono y tecnología verde sin minería”, dice. “No es una opción. Es una necesidad. Es esencial"
Martin Eduardo Lucione
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Extraido Science Paul Voosen
