Рим не был построен за один день, но некоторые из лучших драгоценных камней на Земле были построены, согласно новому исследованию Университета Райса.
Аквамарин, изумруд, гранат, циркон и топаз - это лишь некоторые из кристаллических минералов, встречающихся в основном в пегматитах, прожилкообразных образованиях, которые обычно содержат как крупные кристаллы, так и труднодоступные элементы, такие как тантал и ниобий. Другой распространенной находкой является литий, жизненно важный компонент аккумуляторов электромобилей.
«Это один шаг к пониманию того, как Земля концентрирует литий в определенных местах и минералах», - сказал аспирант Райс Патрик Фелпс, соавтор исследования, опубликованного онлайн в Nature Communications.«Если мы сможем понять основы скорости роста пегматитов, это будет один шаг в направлении понимания всей картины того, как и где они формируются».
Пегматиты образуются, когда восходящая магма остывает внутри Земли, и они содержат одни из самых больших кристаллов Земли. Например, шахта Этта в Южной Дакоте содержит кристаллы сподумена, богатого литием, размером с бревно, в том числе кристаллы длиной 42 фута и весом около 37 тонн. Исследование, проведенное Фелпсом, Син-Тай Ли из Райс и геологом из Южной Калифорнии Дугласом Мортоном, пытается ответить на вопрос, давно волнующий минералогов: как такие большие кристаллы могут находиться в пегматитах?
«В магматических минералах размер кристаллов традиционно связан со временем охлаждения», - сказал Ли, профессор геологии имени Гарри Карозерса Висса и заведующий кафедрой наук о Земле, окружающей среде и планетах в Райсе. «Идея в том, что для роста больших кристаллов требуется время».
Магма, которая быстро остывает, как горная порода в извергнутой лаве, содержит, например, микроскопические кристаллы. Но та же самая магма, если охлаждаться в течение десятков тысяч лет, может содержать кристаллы сантиметрового размера, сказал Ли.
«Пегматиты остывают относительно быстро, иногда всего за несколько лет, и тем не менее они содержат одни из самых больших кристаллов на Земле», - сказал он. "Большой вопрос на самом деле: "Как такое может быть?""
Когда Фелпс начал исследование, его самым непосредственным вопросом было то, как сформулировать набор измерений, которые позволили бы ему, Ли и Мортону ответить на главный вопрос.
«Это был скорее вопрос: «Можем ли мы выяснить, насколько быстро они на самом деле растут?», - сказал Фелпс. «Можем ли мы использовать микроэлементы - элементы, которых нет в кристаллах кварца - для определения скорости роста?»
На это ушло более трех лет, полевая поездка для сбора образцов кристаллов из пегматитовой шахты в Южной Калифорнии, сотни лабораторных измерений для точного картирования химического состава образцов и глубокое погружение в некоторые 50-летние исследования. старые статьи по материаловедению для создания математической модели, которая могла бы преобразовывать химические профили в скорости роста кристаллов.
«Мы исследовали кристаллы шириной полдюйма и длиной более дюйма», - сказал Фелпс. «Мы показали, что они вырастают за считанные часы, и нет никаких оснований предполагать, что физика будет другой в более крупных кристаллах длиной метр или более. дней."
Пегматиты образуются там, где куски земной коры опускаются вниз и перерабатываются в расплавленной мантии планеты. Любая вода, захваченная земной корой, становится частью расплава, и по мере того, как расплав поднимается и охлаждается, он дает начало многим видам минералов. Каждый образуется и выпадает в осадок из расплава при характерных температуре и давлении. Но вода остается, составляя все больший процент остывающего расплава.
«В конце концов, у вас остается так много воды, что она становится скорее жидкостью с преобладанием воды, чем жидкостью с преобладанием расплава», - сказал Фелпс. «Оставшиеся элементы в этой водянистой смеси теперь могут перемещаться намного быстрее. Скорость химической диффузии намного выше в жидкостях, и жидкости имеют тенденцию течь быстрее. Поэтому, когда кристалл начинает формироваться, элементы могут добраться до него быстрее, а значит, он может расти быстрее».
Кристаллы - это упорядоченное расположение атомов. Они образуются, когда атомы естественным образом попадают в этот упорядоченный паттерн, основанный на их химических свойствах и энергетических уровнях. Например, в шахте, где Фелпс собрал образцы кварца, многие кристаллы образовались в трещинах, которые открылись, когда пегматит еще формировался.
«Вы видите, как они всплывают и проходят через слои самого пегматита, почти как вены внутри вен», - сказал Фелпс. «Когда эти трещины открылись, это быстро снизило давление. Жидкость хлынула внутрь, потому что все расширилось, и давление резко упало. Внезапно все элементы в расплаве смешались. в этом физическом состоянии, и они быстро начинают собираться в кристаллы."
Чтобы расшифровать, как быстро росли кристаллы образца, Фелпс использовал как катодолюминесцентную микроскопию, так и лазерную абляцию с масс-спектрометрией, чтобы измерить точное количество микроэлементов, которые были включены в кристаллическую матрицу в десятках точек во время роста. Благодаря экспериментальной работе, проведенной учеными-материаловедами в середине 20-го века, Фелпс смог расшифровать скорость роста по этим профилям.
"Есть три переменных", сказал он. «Есть вероятность того, что что-то попадет внутрь. Это коэффициент распределения. Это то, как быстро растет кристалл, скорость роста. И еще есть коэффициент диффузии, то есть, как быстро элементарные питательные вещества попадают в кристалл».
Фелпс сказал, что высокие темпы роста стали настоящим сюрпризом.
«Пегматиты довольно недолговечны, поэтому мы знали, что они должны расти относительно быстро», - сказал он. «Но мы показали, что это было на несколько порядков быстрее, чем кто-либо предсказывал.
«Когда я, наконец, получил один из этих номеров, я помню, как зашел в офис Cin-Ty и сказал: «Это возможно? Я не думаю, что это правильно», - вспоминает Фелпс. «Потому что в моей голове я все еще думал о тысячелетней шкале времени. И эти числа означали дни или часы.
"И Cin-Ty сказал: "Ну, почему бы и нет? Почему это не может быть правильно?"" - сказал Фелпс. «Потому что мы сделали математику и физику. Эта часть была правильной. Хотя мы не ожидали, что это будет так быстро, мы не могли придумать причину, почему это было неправдоподобно».
Исследование было поддержано Национальным научным фондом.