Rome is niet op een dag gebouwd, maar enkele van de mooiste edelstenen van de aarde waren, Dat blijkt uit nieuw onderzoek van Rice University.

Aquamarijn, smaragd, granaat, zirkoon en topaas zijn slechts enkele van de kristallijne mineralen die meestal in pegmatieten worden aangetroffen, aderachtige formaties die gewoonlijk zowel grote kristallen als moeilijk te vinden elementen zoals tantaal en niobium bevatten. Een andere veel voorkomende vondst is lithium, een essentieel onderdeel van accu's van elektrische auto's.

"Dit is een stap om te begrijpen hoe de aarde lithium concentreert op bepaalde plaatsen en mineralen, " zei Rice afgestudeerde student Patrick Phelps, co-auteur van een studie die online is gepubliceerd in Natuurcommunicatie . "Als we de basis van pegmatietgroeisnelheden kunnen begrijpen, het is een stap in de richting van het begrijpen van het hele plaatje van hoe en waar ze zich vormen."

Pegmatieten worden gevormd wanneer opkomend magma in de aarde afkoelt, en ze bevatten enkele van de grootste kristallen van de aarde. Etta-mijn in South Dakota, bijvoorbeeld, bevat log-sized kristallen van lithiumrijk spodumeen, waaronder een 42 voet lang met een gewicht van naar schatting 37 ton. Het onderzoek van Phelps, Rice's Cin-Ty Lee en Zuid-Californië geoloog Douglas Morton proberen een vraag te beantwoorden die mineralogen al lang gekweld heeft:hoe kunnen zulke grote kristallen in pegmatieten zitten?

"In magmatische mineralen, kristalgrootte is traditioneel gekoppeld aan afkoeltijd, " zei Leen, Harry Carothers Wiess van Rice, hoogleraar geologie en voorzitter van de afdeling Aarde, Milieu- en planetaire wetenschappen bij Rice. "Het idee is dat grote kristallen tijd nodig hebben om te groeien."

Magma dat snel afkoelt, als rots in uitbarstende lava's, bevat microscopisch kleine kristallen, bijvoorbeeld. Maar hetzelfde magma, indien afgekoeld gedurende tienduizenden jaren, zou centimetergrote kristallen kunnen bevatten, zei Lee.

"Pegmatieten koelen relatief snel af, soms binnen een paar jaar, en toch bevatten ze enkele van de grootste kristallen op aarde, "zei hij. "De grote vraag is eigenlijk, 'Hoe kan dat zijn?'"

Toen Phelps met het onderzoek begon, zijn meest directe vragen gingen over het formuleren van een reeks metingen waarmee hij, Lee en Morton om de grote vraag te beantwoorden.

"Het was meer een kwestie van 'Kunnen we erachter komen hoe snel ze daadwerkelijk groeien?', zei Phelps. 'Kunnen we sporenelementen gebruiken - elementen die niet in kwartskristallen thuishoren - om de groeisnelheid te berekenen?'

Het heeft meer dan drie jaar geduurd, een excursie om kristalmonsters te verzamelen uit een pegmatietmijn in Zuid-Californië, honderden laboratoriummetingen om de chemische samenstelling van de monsters nauwkeurig in kaart te brengen en een diepe duik in zo'n 50 jaar oude materiaalwetenschappelijke papers om een ​​wiskundig model te creëren dat de chemische profielen zou kunnen omzetten in kristalgroeisnelheden.

"We onderzochten kristallen die een centimeter breed en meer dan een centimeter lang waren, "Zei Phelps. "We hebben laten zien dat die binnen een paar uur groeiden, en er is niets dat erop wijst dat de fysica anders zou zijn in grotere kristallen die een meter of meer lang zijn. Op basis van wat we vonden, zulke grotere kristallen zouden in een paar dagen kunnen groeien."

Pegmatieten vormen waar stukken van de aardkorst naar beneden worden getrokken en gerecycled in de gesmolten mantel van de planeet. Al het water dat in de korst zit, wordt onderdeel van de smelt, en als de smelt stijgt en afkoelt, het geeft aanleiding tot vele soorten mineralen. Elk vormt en precipiteert uit de smelt bij een karakteristieke temperatuur en druk. Maar het water blijft die een steeds hoger percentage van de koelsmelt vormen.

"Eventueel, je krijgt zoveel water over dat het meer een door water gedomineerde vloeistof wordt dan een door smelting gedomineerde vloeistof, " zei Phelps. "De overgebleven elementen in dit waterige mengsel kunnen zich nu veel sneller verplaatsen. Chemische diffusiesnelheden zijn veel sneller in vloeistoffen en de vloeistoffen hebben de neiging sneller te stromen. Dus wanneer een kristal zich begint te vormen, elementen kunnen er sneller bij, wat betekent dat het sneller kan groeien."

Kristallen zijn geordende rangschikking van atomen. Ze vormen zich wanneer atomen van nature in dat geordende patroon vallen op basis van hun chemische eigenschappen en energieniveaus. Bijvoorbeeld, in de mijn waar Phelps zijn kwartsmonsters verzamelde, er waren veel kristallen gevormd in wat leek op scheuren die waren geopend terwijl het pegmatiet zich nog aan het vormen was.

"Je ziet deze opduiken en door de lagen pegmatiet zelf gaan, bijna als aderen in aderen, ' zei Phelps. 'Toen die scheuren opengingen, waardoor de druk snel daalde. Dus de vloeistof stroomde naar binnen, omdat alles zich uitbreidt, en de druk daalde dramatisch. Plotseling, alle elementen in de smelt zijn nu verward. Ze willen niet meer in die fysieke staat zijn, en ze beginnen snel samen te komen in kristallen."

Om te ontcijferen hoe snel de monsterkristallen groeiden, Phelps gebruikte zowel kathodoluminescentiemicroscopie als laserablatie met massaspectrometrie om de precieze hoeveelheid sporenelementen te meten die tijdens de groei op tientallen punten in de kristalmatrix waren opgenomen. Uit experimenteel werk gedaan door materiaalwetenschappers in het midden van de 20e eeuw, Phelps was in staat om de groeipercentages uit deze profielen te ontcijferen.

"Er zijn drie variabelen, ' zei hij. 'Er is een kans dat er dingen worden binnengebracht. Dat is de verdelingscoëfficiënt. Zo snel groeit het kristal, de groeisnelheid. En dan is er de diffusie, dus hoe snel worden elementaire voedingsstoffen naar het kristal gebracht."

Phelps zei dat de snelle groeicijfers nogal een verrassing waren.

"Pegmatieten zijn van vrij korte duur, dus we wisten dat ze relatief snel moesten groeien, " zei hij. "Maar we toonden aan dat het een paar orden van grootte sneller was dan iemand had voorspeld.

"Toen ik eindelijk een van deze nummers kreeg, Ik herinner me dat ik Cin-Ty's kantoor binnenging, en zeggen, 'Is dit haalbaar? Ik denk niet dat dit juist is.'" Phelps herinnerde zich. "Omdat in mijn hoofd, Ik zat nog steeds een beetje te denken aan een tijdschaal van duizend jaar. En deze getallen betekenden dagen of uren.

"En Cin-Ty zei:'We zullen, waarom niet? Waarom kan het niet kloppen?'' zei Phelps. 'Omdat we de wiskunde en de natuurkunde hadden gedaan. Dat deel was goed. Hoewel we niet hadden verwacht dat het zo snel zou gaan, we konden geen reden bedenken waarom het niet aannemelijk was."