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地球在几分钟内就能生长出精美的宝石

研究表明:在一些冷却的岩浆中,晶体可以每天生长1码

根据莱斯大学的一项新研究,罗马是一天建成的,但地球上一些最好的宝石却是一天建成的。

Brazilian emeralds in a quartz-pegmatite matrix

石英-伟晶岩基质中的巴西祖母绿。(图片由Madereugeneandrew/Wikimedia Commons提供)

海蓝宝石、祖母绿、石榴石、锆石和黄玉只是大多数在伟晶岩中发现的结晶矿物中的少数几种。伟晶岩是脉状结构,通常含有大晶体和钽、铌等难以找到的元素。另一个常见的发现是锂,它是电动汽车电池的重要组成部分。

”莱斯大学的研究生帕特里克·菲尔普斯说,这是了解地球如何在某些地方和矿物中富集锂的一个步骤。他是一篇发表在《自然通讯》网络版上的研究论文的共同作者。如果我们能了解伟晶岩生长速率的基本知识,那么我们就朝着全面了解伟晶岩是如何形成的以及在哪里形成的方向迈出了一步

伟晶岩是上升的岩浆在地球内部冷却后形成的,它们含有地球6037中最大的晶体。南Dakota’s埃特我的,例如,log-sized的富锂锂辉石晶体特性,其中包括42英尺长约37吨重。由Phelps、rice’的Cin-Ty Lee和南加州地质学家Douglas Morton共同进行的这项研究试图回答一个长期困扰着矿物学家的问题:如此大的晶体是如何形成伟晶岩的?

Cin-Ty Lee

李淑泰(Jeff Fitlow/莱斯大学摄)

“在岩浆矿物中,晶体的大小传统上与冷却时间有关,”李说。李是水稻’的地质学教授,也是赖斯大学地球、环境和行星科学系的系主任。这种观点认为大晶体需要时间才能长成

例如,迅速冷却的岩浆,就像喷发的熔岩中的岩石,含有微观晶体。但是同样的岩浆,如果经过数万年的冷却,可能会形成厘米大小的晶体,Lee说。

他说,伟晶岩冷却相对较快,有时只需几年时间,但它们是地球上最大的晶体之一。“The大问题是真的,‘How会这样吗?””

当菲尔普斯开始这项研究时,他最迫切的问题是如何制定一套测量方法,使他、李和莫顿能够回答这个大问题。

这更像是一个问题,我们能不能算出它们实际增长有多快?””菲尔普斯说。我们可以用微量元素——石英晶体中不属于的元素——来计算生长速率吗

花了三年多,实地考察收集样本从伟晶岩矿晶体在南加州,数以百计的实验室测量精确地图样品的化学成分,深入探究一些50岁的材料科学论文建立一个数学模型,可以将化学资料转换为晶体生长。

Rice University graduate student Patrick Phelps using a cathodoluminescence microscope.

莱斯大学的研究生帕特里克·菲尔普斯使用阴极发光显微镜来测量样品晶体的化学成分。(琳达·韦尔森巴赫/莱斯大学拍摄)

”菲尔普斯说:我们检查了半英寸宽、超过一英寸长的晶体。“我们发现这些晶体在几个小时内就会增大,没有证据表明长度在一米或一米以上的较大晶体的物理性质会有所不同。基于我们发现,较大的晶体生长在days.”问题

伟晶岩形成于地球6037的地壳被拉下并在6037的熔融地幔中循环的地方。任何困在地壳中的水都成为融水的一部分,当融水上升并冷却时,就会产生多种矿物质。每一种都在特定的温度和压力下从熔体中形成和沉淀。但是水仍然存在,在冷却融水中所占的比例越来越高。

”菲尔普斯说:“最终,剩下的水越来越多,以至于它变成了以水为主的液体,而不是以融化为主的液体。”这种水混合物中剩下的元素现在移动得快多了。在流体中,化学扩散速度要快得多,因此流体往往流动得更快。所以当晶体开始形成时,元素到达它的速度会更快,这意味着晶体生长的速度也会更快

晶体的原子排列是有序的。当原子自然地按照其化学性质和能级的排列方式排列时,它们就形成了。例如,在菲尔普斯收集石英样本的矿井中,许多晶体在裂缝中形成,这些裂缝在伟晶岩还在形成时就已经打开。

“You看到这些弹出和伟晶岩本身的层次,就像静脉内静脉,”菲尔普斯说。当这些裂缝打开时,压力迅速降低。液体冲了进来,因为一切都在膨胀,压强急剧下降。突然间,熔体中的所有元素都混淆了。它们不想再处于那种物理状态,于是它们迅速以晶体的形式聚集在一起

Black tourmaline going to pink tourmaline within a quartz pegmatite at California's Stewart Lithia mine.

加州a’s斯图尔特锂矿的石英伟晶岩中,黑色电气石转变为粉红色电气石。(照片由Patrick Phelps/Rice University拍摄)

为了解释样品晶体生长的速度,菲尔普斯使用了阴极发光显微镜和激光烧蚀质谱技术来精确测量生长过程中晶体基质中数十个点所含的微量元素。根据材料科学家在20世纪中期所做的实验工作,菲尔普斯能够从这些剖面中解读出增长率。

有三个变量,他说。有可能的东西被带进来。这就是分配系数。晶体生长的速度,即生长速率。其次是扩散率,也就是元素营养素被带入晶体的速度

菲尔普斯说,这种快速的增长速度相当令人吃惊。

伟晶岩寿命很短,所以我们知道它们必须增长得相对较快。“,但是我们显示它比任何人预测的快了几个数量级。

当我最终拿到其中一个数字时,我记得我走进Cin-Ty’s的办公室说,‘这可行吗?我认为这不对。”菲尔普斯回忆说。“因为在我的脑海里,我仍然在考虑一千年的时间尺度。和这些数字意味着几天或几小时。

Cin-Ty说,‘,为什么不呢?为什么是这样呢?””菲尔普斯说。因为我们已经做过数学和物理了。这部分听起来不错。虽然我们没料到它会那么快,但我们也找不出一个理由来说明它为什么不合理

这项研究得到了美国国家科学基金会的支持。

李6037一生的朋友和导师莫顿于9月16日去世。他是加州大学河滨分校地质学的名誉兼职教授。

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