地球种植宝石仅需几分钟

         一项新的研究表明,在一些冷却岩浆中,晶体可以在一天之内长到一个院子。

在加利福尼亚的Stewart Lithia矿山中,黑色电气石将变成石英伟晶岩中的粉红色电气石。
 

海蓝宝石,祖母绿,石榴石,锆石和黄玉只是少数结晶矿物,主要存在于伟晶岩中,这些脉状岩层通常包含大晶体以及钽和铌等难以发现的元素。

另一个常见的发现是是电动汽车电池的重要组成部分。

莱斯大学的研究生,《自然通讯》论文的合著者帕特里克·菲尔普斯(Patrick Phelps)说:“这是了解地球如何在某些地方和矿物质中浓缩锂的一步。” “如果我们能够了解伟晶岩增长率的基本知识,那是朝着了解其形成方式和位置的整体方向迈出的一步。”

当上升的岩浆在地球内部冷却时,形成伟晶岩。它们以地球上最大的晶体为特色。例如,南达科他州的艾塔(Etta)矿具有原木大小的富含锂的锂辉石晶体,其中一个长42英尺,重约37吨。

这项研究试图回答一个长期困扰矿物学家的问题:如此大的晶体怎么可能在伟晶岩中

赖斯(Rice)的地质学教授,地球,环境和行星科学系主任Cin-Ty Lee说:“在岩浆矿物中,晶体大小通常与冷却时间有关。” “这个想法是大型晶体需要时间才能生长。”

例如,像喷出的熔岩中的岩石一样,迅速冷却的岩浆含有微观晶体。李说,但是同一岩浆如果冷却了几万年,可能会具有厘米大小的晶体。

他说:“伟晶岩的冷却速度相对较快,有时只需几年,但它们具有地球上一些最大的晶体。” “最大的问题确实是,'怎么可能?'”

晶体生长多快?

当菲尔普斯开始研究时,他最紧迫的问题是如何制定一套测量方法,使他,李和合著者,加州大学河滨分校的道格拉斯·莫顿(Douglas Morton)能够回答这个大问题。

菲尔普斯说:“更多的问题是,'我们能否弄清楚它们的实际增长速度?” “我们可以使用微量元素(不属于石英晶体的元素)来计算增长率吗?”

用了三年多的时间,进行了一次实地考察,从南加州的一块伟晶岩矿中收集了样品晶体,进行了数百次实验室测量以精确绘制样品的化学成分,并深入研究了已有50年历史的材料科学论文创建一个数学模型,可以将化学特征转换为晶体生长速率。

菲尔普斯说:“我们检查了半英寸宽,一英寸长的晶体。” “我们证明了这些晶体是在几个小时内生长出来的,没有任何迹象表明,长一米或更长的大型晶体的物理性质会有所不同。根据我们的发现,类似的大型晶体可能会在几天内生长出来。”

伟晶岩形成的地方,地壳的碎片被拉下并在地球的熔融地幔中循环利用滞留在地壳中的任何水都成为熔体的一部分,并且随着熔体的上升和冷却,它会产生多种矿物质。它们各自在特征温度和压力下形成并从熔体中沉淀出来。但是水仍然存在,占冷却熔体的比例逐渐提高。

菲尔普斯说:“最终,您剩下的水太多了,它变成了以水为主的流体,而不是以熔融为主的流体。” “这种含水混合物中的剩余元素现在可以更快地移动。流体中的化学扩散速率快得多,并且流体倾向于更快地流动。因此,当晶体开始形成时,元素可以更快地到达它,这意味着它可以更快地生长。”

令人惊讶,但可行

晶体是原子的有序排列。当原子根据其化学性质和能级自然落入排列的模式时,它们就会形成。例如,在菲尔普斯(Phelps)收集他的石英样品的矿山中,似乎有许多晶体形成,而这些似乎是在伟晶岩仍在形成时开了的裂缝。

菲尔普斯说:“您会看到这些弹窗突然弹出,并穿过伟晶岩层,就像在静脉中的静脉一样。” “当这些裂缝打开时,这迅速降低了压力。流体涌入,因为一切都在膨胀,压力急剧下降。突然之间,熔体中的所有元素都变得混乱了。他们不再想要处于那种物理状态,他们很快就开始结成晶体。”

为了解释样品晶体的生长速度,菲尔普斯(Phelps)同时使用了阴极荧光显微镜和带质谱的激光烧蚀技术来测量在生长过程中数十个点已掺入晶体基质中的微量元素的精确量。通过20世纪中叶材料科学家所做的实验工作,菲尔普斯能够从这些剖面中判断出增长率。

他说:“有三个变量。” “有可能被引入。这就是分配系数。晶体生长的速度有多快,即生长速率。然后是扩散性,因此元素营养物质多快被带到晶体中。”

菲尔普斯说,快速的增长令人惊讶。

他说:“伟晶岩寿命很短,因此我们知道它们必须相对快速地生长。” “但是我们展示了它比任何人所预期的快几个数量级。

“当我终于得到这些数字之一时,我记得去Cin-Ty的办公室说:'这可行吗?我认为这是不对的,”菲尔普斯回忆道。“因为在我的脑海里,我仍然在思考一千年的时间尺度。这些数字意味着几天或几小时。

“辛提说:'好吧,为什么不呢?为何不正确?'”菲尔普斯说。“因为我们完成了数学和物理学。那部分是声音。虽然我们没想到它会这么快,但我们无法提出一个不合理的理由。”

国家科学基金会支持这项工作。

资料来源:莱斯大学