Jorden vokser fine perler på få minutter

Rom blev ikke bygget på en dag, men nogle af Jordens fineste ædelstene var, ifølge ny forskning fra Rice University.

Akvamarin, smaragd, granat, zirkon og topas er kun nogle få af de krystallinske mineraler, der for det meste findes i pegmatitter, veneagtige formationer, der normalt indeholder både store krystaller og svært at finde elementer som tantal og niob. Et andet almindeligt fund er lithium, en vital komponent i elbilbatterier.

"Dette er et skridt i retning af at forstå, hvordan Jorden koncentrerer lithium på bestemte steder og mineraler, "sagde Ris -kandidatstuderende Patrick Phelps, medforfatter af en undersøgelse offentliggjort online i Naturkommunikation . "Hvis vi kan forstå det grundlæggende i pegmatitvæksthastigheder, det er et skridt i retning af at forstå hele billedet af, hvordan og hvor de dannes. "

Pegmatitter dannes, når stigende magma afkøles inde i Jorden, og de indeholder nogle af Jordens største krystaller. South Dakotas Etta -mine, for eksempel, har krystaller i logstørrelse af lithium-rige spodumen, inklusive en 42 fod lang i vejning af en anslået 37 tons. Undersøgelsen fra Phelps, Rices Cin-Ty Lee og det sydlige Californiens geolog Douglas Morton forsøger at besvare et spørgsmål, der længe har irriteret mineraloger:Hvordan kan så store krystaller være i pegmatitter?

"I magmatiske mineraler, krystalstørrelse er traditionelt forbundet med køletid, "sagde Lee, Rices Harry Carothers Wiess Professor i geologi og formand for Department of Earth, Miljø- og planetvidenskab ved Rice. "Ideen er, at store krystaller tager tid at vokse."

Magma, der afkøles hurtigt, som sten i lavede lavaer, indeholder mikroskopiske krystaller, for eksempel. Men den samme magma, hvis afkølet over titusinder af år, kan have krystaller i centimeter størrelse Sagde Lee.

"Pegmatitter køler relativt hurtigt, nogle gange på få år, og alligevel indeholder de nogle af de største krystaller på jorden, "sagde han." Det store spørgsmål er virkelig, 'Hvordan kan det være?' "

Da Phelps begyndte forskningen, hans mest umiddelbare spørgsmål handlede om, hvordan man formulerer et sæt målinger, der ville tillade ham, Lee og Morton for at besvare det store spørgsmål.

”Det var mere et spørgsmål om, "Kan vi finde ud af, hvor hurtigt de rent faktisk vokser?" "Phelps sagde." Kan vi bruge sporstoffer - elementer, der ikke hører hjemme i kvartskrystaller - til at finde ud af vækstraten? "

Det tog mere end tre år, en ekskursion for at samle prøvekrystaller fra en pegmatitmine i det sydlige Californien, hundredvis af laboratoriemålinger for præcist at kortlægge prøvernes kemiske sammensætning og et dybt dyk i nogle 50-årige materialevidenskabelige papirer for at skabe en matematisk model, der kunne omdanne de kemiske profiler til krystalvæksthastigheder.

"Vi undersøgte krystaller, der var en halv tomme brede og over en tomme lange, "Sagde Phelps." Vi viste, at de voksede i løbet af få timer, og der er intet, der tyder på, at fysikken ville være anderledes i større krystaller, der måler en meter eller mere i længden. Baseret på hvad vi fandt, større krystaller som den kunne vokse på få dage. "

Pegmatitter dannes, hvor stykker af jordskorpen trækkes ned og genbruges i planetens smeltede kappe. Alt vand, der er fanget i skorpen, bliver en del af smelten, og når smelten stiger og køler, det giver anledning til mange slags mineraler. Hver dannes og udfældes ud af smelten ved en karakteristisk temperatur og tryk. Men vandet forbliver, udgør en gradvist højere procentdel af kølesmelten.

"Til sidst, du får så meget vand til overs, at det bliver mere af en vanddomineret væske end en smeltedomineret væske, "Sagde Phelps." De resterende elementer i denne vandige blanding kan nu bevæge sig meget hurtigere. Kemisk diffusionshastighed er meget hurtigere i væsker, og væskerne har en tendens til at flyde hurtigere. Så når en krystal begynder at danne sig, elementer kan komme hurtigere til det, hvilket betyder, at den kan vokse hurtigere. "

Krystaller er ordnet arrangement af atomer. De dannes, når atomer naturligt falder ind i det arrangerede mønster baseret på deres kemiske egenskaber og energiniveauer. For eksempel, i minen, hvor Phelps samlede sine kvartsprøver, mange krystaller havde dannet sig i, hvad der syntes at være revner, der havde åbnet sig, mens pegmatitten stadig dannede sig.

"Du ser disse dukke op og gå gennem lagene af pegmatit selv, næsten som vener i venerne, ”Sagde Phelps.” Da disse revner åbnede sig, der sænkede trykket hurtigt. Så væsken skyndte sig ind, fordi alt udvider sig, og presset faldt dramatisk. Lige pludselig, alle elementerne i smelten er nu forvirrede. De vil ikke længere være i den fysiske tilstand, og de begynder hurtigt at komme sammen i krystaller. "

For at tyde, hvor hurtigt prøvekrystallerne voksede, Phelps brugte både katodoluminescensmikroskopi og laserablation med massespektrometri til at måle den præcise mængde sporstoffer, der var blevet inkorporeret i krystalmatrixen på snesevis af punkter under væksten. Fra eksperimentelt arbejde udført af materialeforskere i midten af ​​det 20. århundrede, Phelps var i stand til at tyde vækstraterne fra disse profiler.

"Der er tre variabler, "sagde han." Der er sandsynlighed for, at ting kommer ind. Det er partitionskoefficienten. Der er hvor hurtigt krystallen vokser, vækstraten. Og så er der diffusiviteten, så hvor hurtigt elementære næringsstoffer bringes til krystallen. "

Phelps sagde, at de hurtige vækstrater var en ganske overraskelse.

"Pegmatitter er temmelig kortvarige, så vi vidste, at de skulle vokse relativt hurtigt, "sagde han." Men vi viste, at det var et par størrelsesordener hurtigere, end nogen havde forudsagt.

"Da jeg endelig fik et af disse tal, Jeg husker, at jeg gik ind på Cin-Ty's kontor, og siger, 'Er dette muligt? Jeg synes ikke, det er rigtigt. '"Huskede Phelps." Fordi i mit hoved, Jeg tænkte stadig på en tusindårig tidsskala. Og disse tal betød dage eller timer.

"Og Cin-Ty sagde, 'Godt, hvorfor ikke? Hvorfor kan det ikke være rigtigt? '"Phelps sagde." Fordi vi havde regnet og fysik. Den del var sund. Selvom vi ikke forventede, at det ville være så hurtigt, vi kunne ikke komme med en grund til, at det ikke var sandsynligt. "