Драгоценные кристаллы могут появиться в земной породе за несколько лет

Пегматиты образуются там, где части земной коры опускаются и преобразуются в расплавленную мантию планеты. Любая вода, находящаяся в коре, становится частью расплава, и по мере того, как лава поднимается и охлаждается, она дает начало многим видам минералов. Каждый из них образуется и выпадает в осадок из расплава при определенной температуре и давлении

Аквамарин, изумруд, гранат, циркон и топаз - это лишь некоторые из кристаллических минералов, встречающихся в пегматитах, жильных образованиях, которые содержат как легкодоступные крупные кристаллы, так и трудноизвлекаемые элементы, такие как тантал и ниобий. Еще один распространенный элемент, встречающийся в таких структурах, - это литий, ключевой компонент аккумуляторных батарей.

«Это еще один шаг к пониманию того, как в земле в определенных местах и минералах концентрируется литий». «Если удастся понять, от чего зависит скорость образования пегматита, то станет понятна полная картина того, где и как он образуется».

Пегматиты формируются, когда поднимающаяся магма из земных недр остывает, проходя через породу, образуя залежи кристаллов больших размеров. Вопрос, который долгое время беспокоил минералогов: каким образом в пегматитах образуются такие большие кристаллы?

«В магматических минералах размер кристаллов традиционно связан со временем их остывания». «Существующая идея состоит в том, что для получения больших кристаллов требуется много времени»: магма, которая быстро остывает, содержит микроскопические кристаллы. Но та же самая магма, если будет остывать в течение десятков тысяч лет, может содержать кристаллы уже сантиметрового размера.

«Пегматиты относительно быстро остывают, иногда всего за несколько лет, и все же они содержат одни из самых больших кристаллов на Земле». «И здесь встает главный вопрос: как такое может быть?»

Чтобы создать математическую модель, которая могла бы связать химический состав минералов со скоростью роста кристаллов, исследователям потребовалось более трех лет, поездка на место для сбора образцов кристаллов из пегматитового рудника в Южной Калифорнии, сотни лабораторных измерений для точного картирования химического состава образцов и глубокое погружение в некоторые документы по материаловедению 50-летней давности.

«Были исследованы кристаллы шириной полтора и длиной более трех сантиметров». «Было продемонстрировано, что они выросли за считанные часы, и не было никаких оснований предполагать, что подобный физический процесс будет иным для больших кристаллов, длина которых составляет метр и более. Было обнаружено, что крупные кристаллы могут вырасти за считанные дни».

Пегматиты образуются там, где части земной коры опускаются и преобразуются в расплавленную мантию планеты. Любая вода, находящаяся в коре, становится частью расплава, и по мере того, как лава поднимается и охлаждается, она дает начало многим видам минералов. Каждый из них образуется и выпадает в осадок из расплава при определенной температуре и давлении. Но вода остается, составляя все более высокий процент в остывающем расплаве.

«В конце концов, в структуре остается так много воды, что она становится материалом с преобладающим содержанием воды, чем минерального расплава». «Оставшиеся элементы в этой водянистой смеси теперь могут перемещаться намного быстрее. Скорость химической диффузии в жидкостях намного выше, и жидкости имеют способность быстрее течь. Поэтому, когда кристалл начинает формироваться, необходимые элементы могут добраться до него быстрее, а это значит, что он может быстрее расти».

Кристаллы - это упорядоченно расположенные атомы. Они образуются, когда атомы естественным образом образуют эту упорядоченную структуру в зависимости от их химических свойств и наличия энергетических уровней. В шахте, где исследователи брали образцы кварца, многие кристаллы образовались в открытых трещинах во время формирования пегматита.

«Видно, как они прорываются и проходят через слои пегматита, почти как жилы внутри жил». «Когда появились трещины, давление быстро снизилось. Жидкость устремилась внутрь и давление резко упало. Внезапно все элементы в расплаве перемешались и быстро начали объединяться в кристаллы».

Чтобы определить, насколько быстро происходил рост кристаллов, была использована как катодолюминесцентная микроскопия, так и лазерная абляция с масс-спектрометрией, чтобы измерить точное количество микроэлементов, которые были включены в кристаллическую матрицу в десятках отслеживаемых точках.

«Пегматиты довольно недолговечны, поэтому было известно, что они должны расти относительно быстро». «И ученые показали, что этот рост происходил на несколько порядков быстрее, чем кто-либо мог предположить».

Связанная статья журнала Nature Communications:

https://doi.org/10.1038/s41467-020-18806-w

Источник: Rice University