Roma non è stata costruita in un giorno, ma alcune delle gemme più belle della Terra erano, secondo una nuova ricerca della Rice University.

Acquamarina, Smeraldo, granato, zircone e topazio sono solo alcuni dei minerali cristallini che si trovano principalmente nelle pegmatiti, formazioni simili a venature che comunemente contengono sia grandi cristalli che elementi difficili da trovare come il tantalio e il niobio. Un altro ritrovamento comune è il litio, un componente vitale delle batterie delle auto elettriche.

"Questo è un passo verso la comprensione di come la Terra concentra il litio in determinati luoghi e minerali, ", ha detto lo studente laureato alla Rice Patrick Phelps, coautore di uno studio pubblicato online in Comunicazioni sulla natura . "Se riusciamo a comprendere le basi dei tassi di crescita della pegmatite, è un passo nella direzione di comprendere l'intero quadro di come e dove si formano".

Le pegmatiti si formano quando il magma in aumento si raffredda all'interno della Terra, e presentano alcuni dei cristalli più grandi della Terra. La miniera di Etta del South Dakota, Per esempio, presenta cristalli di dimensioni log di spodumene ricco di litio, compreso uno di 42 piedi di lunghezza e un peso stimato di 37 tonnellate. La ricerca di Phelps, Cin-Ty Lee della Rice e il geologo della California meridionale Douglas Morton tentano di rispondere a una domanda che ha a lungo irritato i mineralogisti:come possono essere presenti cristalli così grandi nelle pegmatiti?

"Nei minerali magmatici, la dimensione del cristallo è tradizionalmente legata al tempo di raffreddamento, " ha detto Lee, Harry Carothers Wiess della Rice, professore di geologia e presidente del Dipartimento della Terra, Scienze Ambientali e Planetarie a Rice. "L'idea è che i grandi cristalli richiedono tempo per crescere".

Magma che si raffredda rapidamente, come roccia nelle lave eruttate, contiene cristalli microscopici, Per esempio. Ma lo stesso magma, se raffreddato per decine di migliaia di anni, potrebbe presentare cristalli di dimensioni centimetriche, ha detto Lee.

"Le pegmatiti si raffreddano in tempi relativamente brevi, a volte in pochi anni, eppure presentano alcuni dei cristalli più grandi della Terra, " ha detto. "La grande domanda è davvero, 'Come può essere?'"

Quando Phelps iniziò la ricerca, le sue domande più immediate riguardavano come formulare una serie di misurazioni che gli consentissero, Lee e Morton per rispondere alla grande domanda.

"Era più una questione di "Possiamo capire quanto velocemente crescono effettivamente?"" Ha detto Phelps. "Possiamo usare oligoelementi, elementi che non appartengono ai cristalli di quarzo, per capire il tasso di crescita?"

Ci sono voluti più di tre anni, una gita per raccogliere campioni di cristalli da una miniera di pegmatite nel sud della California, centinaia di misurazioni di laboratorio per mappare con precisione la composizione chimica dei campioni e un'immersione profonda in alcuni articoli di scienza dei materiali di 50 anni per creare un modello matematico che potrebbe trasformare i profili chimici in tassi di crescita dei cristalli.

"Abbiamo esaminato cristalli larghi mezzo pollice e lunghi oltre un pollice, " ha detto Phelps. "Abbiamo mostrato quelli cresciuti in poche ore, e non c'è nulla che suggerisca che la fisica sarebbe diversa in cristalli più grandi che misurano un metro o più di lunghezza. In base a ciò che abbiamo trovato, cristalli più grandi come quello potrebbero crescere nel giro di pochi giorni."

Le pegmatiti si formano dove i pezzi della crosta terrestre vengono estratti e riciclati nel mantello fuso del pianeta. L'acqua intrappolata nella crosta diventa parte della fusione, e mentre la fusione sale e si raffredda, dà origine a molti tipi di minerali. Ciascuno si forma e precipita dal fuso ad una temperatura e pressione caratteristiche. Ma l'acqua resta, costituendo una percentuale progressivamente maggiore del fuso di raffreddamento.

"Infine, ti rimane così tanta acqua che diventa più un fluido dominato dall'acqua che un fluido dominato dallo scioglimento, " Ha detto Phelps. "Gli elementi rimanenti in questa miscela acquosa ora possono muoversi molto più velocemente. Le velocità di diffusione chimica sono molto più veloci nei fluidi e i fluidi tendono a fluire più rapidamente. Quindi, quando un cristallo inizia a formarsi, gli elementi possono raggiungerlo più velocemente, il che significa che può crescere più velocemente."

I cristalli sono una disposizione ordinata degli atomi. Si formano quando gli atomi cadono naturalmente in quel modello organizzato in base alle loro proprietà chimiche e ai livelli di energia. Per esempio, nella miniera dove Phelps raccolse i suoi campioni di quarzo, molti cristalli si erano formati in quelle che sembravano crepe che si erano aperte mentre la pegmatite si stava ancora formando.

"Vedi questi apparire e passare attraverso gli strati di pegmatite stessa, quasi come vene nelle vene, " disse Phelps. "Quando quelle crepe si aprirono, che ha abbassato rapidamente la pressione. Quindi il fluido si precipitò dentro, perché tutto si sta espandendo, e la pressione è calata drasticamente. All'improvviso, tutti gli elementi nella fusione sono ora confusi. Non vogliono più essere in quello stato fisico, e iniziano rapidamente a riunirsi in cristalli."

Per decifrare la velocità con cui sono cresciuti i cristalli campione, Phelps ha utilizzato sia la microscopia a catodoluminescenza che l'ablazione laser con spettrometria di massa per misurare la quantità precisa di oligoelementi che erano stati incorporati nella matrice cristallina in dozzine di punti durante la crescita. Dal lavoro sperimentale svolto dagli scienziati dei materiali a metà del XX secolo, Phelps è stato in grado di decifrare i tassi di crescita da questi profili.

"Ci sono tre variabili, " ha detto. "C'è la probabilità che le cose vengano portate dentro. Questo è il coefficiente di ripartizione. C'è quanto velocemente il cristallo sta crescendo, il tasso di crescita. E poi c'è la diffusività, quindi quanto velocemente i nutrienti elementari vengono portati al cristallo."

Phelps ha affermato che i rapidi tassi di crescita sono stati una vera sorpresa.

"Le pegmatiti hanno una vita piuttosto breve, quindi sapevamo che dovevano crescere relativamente velocemente, " ha detto. "Ma stavamo dimostrando che era di alcuni ordini di grandezza più veloce di quanto chiunque avesse previsto.

"Quando finalmente ho ricevuto uno di questi numeri, Ricordo di essere andato nell'ufficio di Cin-Ty, e dicendo, 'È fattibile? Non credo che questo sia giusto.'" Ha ricordato Phelps. "Perché nella mia testa, Stavo ancora pensando a una scala temporale di mille anni. E questi numeri significavano giorni o ore.

"E Cin-Ty ha detto, 'Bene, perchè no? Perché non può essere giusto?'", ha detto Phelps. "Perché avevamo fatto la matematica e la fisica. Quella parte era sana. Anche se non ci aspettavamo che fosse così veloce, non siamo riusciti a trovare un motivo per cui non fosse plausibile".