Roma no se construyó en un día, pero algunas de las piedras preciosas más finas de la Tierra sí lo fueron, según una nueva investigación de la Universidad Rice.
Aguamarina, esmeralda, granate, circón y topacio son solo algunos de los minerales cristalinos que se encuentran principalmente en las pegmatitas, formaciones venosas que comúnmente contienen tanto cristales grandes como elementos difíciles de encontrar como el tantalio y el niobio. Otro hallazgo común es el litio,un componente vital de las baterías de los automóviles eléctricos.
"Este es un paso hacia la comprensión de cómo la Tierra concentra el litio en ciertos lugares y minerales", dijo el estudiante graduado de Rice, Patrick Phelps, coautor de un estudio publicado en línea en. Comunicaciones de la naturaleza . "Si podemos comprender los conceptos básicos de las tasas de crecimiento de la pegmatita, es un paso en la dirección de comprender la imagen completa de cómo y dónde se forman".
Las pegmatitas se forman cuando el magma ascendente se enfría dentro de la Tierra, y presentan algunos de los cristales más grandes de la Tierra. La mina Etta de Dakota del Sur, por ejemplo, presenta cristales del tamaño de un tronco de espodumena rica en litio, incluido uno de 42 pies de largo con un peso estimado37 toneladas. La investigación de Phelps, Cin-Ty Lee de Rice y el geólogo del sur de California Douglas Morton intenta responder una pregunta que ha molestado a los mineralogistas durante mucho tiempo: ¿Cómo pueden estar cristales tan grandes en las pegmatitas?
"En los minerales magmáticos, el tamaño de los cristales está tradicionalmente relacionado con el tiempo de enfriamiento", dijo Lee, profesor de geología Harry Carothers Wiess de Rice y presidente del Departamento de Ciencias de la Tierra, Ambientales y Planetarias en Rice. "La idea es que los cristales grandes tomantiempo de crecer."
El magma que se enfría rápidamente, como la roca en las lavas erupcionadas, contiene cristales microscópicos, por ejemplo. Pero el mismo magma, si se enfría durante decenas de miles de años, podría presentar cristales del tamaño de un centímetro, dijo Lee.
"Las pegmatitas se enfrían relativamente rápido, a veces en solo unos pocos años, y sin embargo presentan algunos de los cristales más grandes de la Tierra", dijo. "La gran pregunta es realmente, '¿Cómo puede ser eso?'"
Cuando Phelps comenzó la investigación, sus preguntas más inmediatas fueron sobre cómo formular un conjunto de medidas que le permitieran a él, a Lee y Morton responder la gran pregunta.
"Era más una cuestión de, '¿Podemos averiguar qué tan rápido crecen realmente?'", Dijo Phelps. "¿Podemos usar oligoelementos, elementos que no pertenecen a los cristales de cuarzo, para determinar el crecimiento¿Velocidad?"
Tomó más de tres años, un viaje de campo para recolectar muestras de cristales de una mina de pegmatita en el sur de California, cientos de mediciones de laboratorio para mapear con precisión la composición química de las muestras y una inmersión profunda en la ciencia de materiales de 50 años de antigüedad.artículos para crear un modelo matemático que podría transformar los perfiles químicos en tasas de crecimiento de cristales.
"Examinamos cristales que tenían media pulgada de ancho y más de una pulgada de largo", dijo Phelps. "Mostramos que crecieron en cuestión de horas, y no hay nada que sugiera que la física sería diferente en cristales más grandes que miden unmetro o más de longitud. Según lo que encontramos, cristales más grandes como ese podrían crecer en cuestión de días ".
Las pegmatitas se forman donde pedazos de la corteza terrestre se extraen y reciclan en el manto fundido del planeta. Cualquier agua que quede atrapada en la corteza se convierte en parte del derretimiento y, a medida que el derretimiento se eleva y se enfría, da lugar a muchos tipos de minerales.Cada uno se forma y precipita fuera de la masa fundida a una temperatura y presión características, pero el agua permanece, constituyendo un porcentaje progresivamente más alto de la masa fundida que se enfría.
"Eventualmente, queda tanta agua que se convierte más en un fluido dominado por el agua que en un fluido dominado por el derretimiento", dijo Phelps. "Los elementos sobrantes en esta mezcla acuosa ahora pueden moverse mucho más rápido.las velocidades de difusión son mucho más rápidas en los fluidos y los fluidos tienden a fluir más rápidamente. Por lo tanto, cuando un cristal comienza a formarse, los elementos pueden llegar a él más rápido, lo que significa que puede crecer más rápido ".
Los cristales son una disposición ordenada de átomos. Se forman cuando los átomos caen naturalmente en ese patrón ordenado según sus propiedades químicas y niveles de energía. Por ejemplo, en la mina donde Phelps recolectó sus muestras de cuarzo, se habían formado muchos cristales en lo que parecía sergrietas que se habían abierto mientras la pegmatita aún se estaba formando.
"Ves que estos surgen y atraviesan las capas de pegmatita en sí, casi como venas dentro de las venas", dijo Phelps. "Cuando esas grietas se abrieron, la presión disminuyó rápidamente. Así que el líquido entró rápidamente, porque todo se está expandiendo yla presión bajó drásticamente. De repente, todos los elementos de la masa fundida están ahora confundidos. Ya no quieren estar en ese estado físico y rápidamente comienzan a unirse en cristales ".
Para descifrar la rapidez con la que crecieron los cristales de muestra, Phelps utilizó microscopía de catodoluminiscencia y ablación con láser con espectrometría de masas para medir la cantidad precisa de oligoelementos que se habían incorporado a la matriz cristalina en docenas de puntos durante el crecimiento. A partir del trabajo experimental realizado porcientíficos de materiales a mediados del siglo XX, Phelps pudo descifrar las tasas de crecimiento a partir de estos perfiles.
"Hay tres variables", dijo. "Existe la posibilidad de que se introduzcan cosas. Ese es el coeficiente de partición. Existe la rapidez con la que crece el cristal, la tasa de crecimiento. Y luego está la difusividad, entonces, qué tan rápido los nutrientes elementalesson llevados al cristal. "
Phelps dijo que las rápidas tasas de crecimiento fueron una gran sorpresa.
"Las pegmatitas tienen una vida bastante corta, por lo que sabíamos que tenían que crecer relativamente rápido", dijo. "Pero estábamos mostrando que era unos pocos órdenes de magnitud más rápido de lo que nadie había predicho.
"Cuando finalmente obtuve uno de estos números, recuerdo que fui a la oficina de Cin-Ty y dije: '¿Es esto factible? No creo que sea correcto'", recordó Phelps. "Porque en mi cabeza,todavía estaba pensando en una escala de tiempo de mil años. Y estos números significaban días u horas.
"Y Cin-Ty dijo: 'Bueno, ¿por qué no? ¿Por qué no puede ser correcto?'", Dijo Phelps. "Porque habíamos hecho las matemáticas y la física. Esa parte era buena.Esperamos que sea tan rápido, no pudimos encontrar una razón por la que no fuera plausible ".
La investigación fue apoyada por la National Science Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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