Земля может выращивать драгоценные камни за считанные минуты

Как следует из нового исследования ученых из Университета Райса, краткий обзор которого представил портал phys.org, некоторые из лучших драгоценных камней Земли были созданы очень быстро. Аквамарин, изумруд, гранат, циркон и топаз - это лишь некоторые из кристаллических минералов, встречающихся в основном в пегматитах, жильных образованиях, которые обычно содержат как крупные кристаллы, так и труднодоступные элементы, такие как тантал и ниобий. Еще одна распространенная находка - литий, жизненно важный компонент аккумуляторов электромобилей.

Пегматиты образуются, когда поднимающаяся магма остывает внутри Земли и они содержат одни из самых больших кристаллов. Исследование, проведенное Фелпсом, Син-Ти Ли из частного исследовательского Университета Райса (США) и геологом из Южной Калифорнии Дугласом Мортоном, своей целью поставило ответ на вопрос: как большие кристаллы могли быть образованы в пегматитах?

В магматических минералах размер кристаллов традиционно связан со временем охлаждения, соответственно, для роста больших кристаллов требуется некоторое время. Магма, которая быстро остывает, содержит, например, микроскопические кристаллы. Но та же самая магма, если будет остывать в течение десятков тысяч лет, может содержать кристаллы уже намного большего размера.

Между тем, пегматиты охлаждаются относительно быстро, иногда всего за несколько лет, и все же они содержат одни из самых больших кристаллов на Земле. Поэтому и возник вопрос – как такое вообще может быть.

Три года исследований и сотни проведенных лабораторных измерений позволили создать математическую модель, которая могла бы преобразовывать химические профили в скорости роста кристаллов. Ученые исследовали сравнительно небольшие кристаллы, но отмечают, что сама по себе физика процессов будет справедлива и относительно кристаллов уже намного большего размера. Фактически крупные кристаллы могут быть выращены буквально за несколько дней. 

Пегматиты образуются там, где части земной коры опускаются и перерабатываются в расплавленной мантии планеты. Любая вода, попавшая в корку, становится частью расплава, и по мере своего подъема и охлаждения, она дает начало многим видам минералов. Каждый из них образуется и выпадает в осадок из расплава при определенной температуре и давлении. Но вода остается, составляя все более высокий процент остывающего расплава. В итоге в жидкости преобладает уже собственно вода и оставшиеся элементы могут перемещаться намного быстрее, соответственно, и формирование кристаллов также происходит быстрее. 

Кристаллы – фактически это упорядоченное расположение атомов. Они образуются в зависимости от своих химических свойств и уровней энергии. Так, например, при появлении трещин происходит очень быстрое снижение давления и все элементы в расплаве перепутываются. Они не хотят быть в этом физическом состоянии и быстро начинают объединяться в кристаллы.

Скорость же роста кристаллов, которую рассчитали ученые, оказалась даже больше той, которая предполагалась. Пегматиты довольно недолговечны, поэтому и рост их, как ожидалось происходил довольно быстро. Но действительная скорость оказалась на несколько порядков быстрее, чем кто-либо предсказывал. Если ранее речь шла о временной шкале в тысячу лет, то новые расчеты показали периоды в дни и даже часы.