La tourmaline noire passe à la tourmaline rose dans une pegmatite de quartz à la mine Stewart Lithia en Californie. Crédit :Patrick Phelps/Université Rice
Rome ne s'est pas construite en un jour, mais certaines des plus belles pierres précieuses de la Terre étaient, selon de nouvelles recherches de l'Université Rice.
Bleu vert, émeraude, grenat, le zircon et la topaze ne sont que quelques-uns des minéraux cristallins trouvés principalement dans les pegmatites, formations veineuses qui contiennent généralement à la fois de gros cristaux et des éléments difficiles à trouver comme le tantale et le niobium. Une autre découverte courante est le lithium, un élément essentiel des batteries de voitures électriques.
"C'est un pas vers la compréhension de la façon dont la Terre concentre le lithium à certains endroits et minéraux, " a déclaré l'étudiant diplômé de Rice Patrick Phelps, co-auteur d'une étude publiée en ligne dans Communication Nature . "Si nous pouvons comprendre les bases des taux de croissance des pegmatites, c'est un pas vers la compréhension de l'ensemble de la façon dont ils se forment et où ils se forment."
Les pegmatites se forment lorsque le magma ascendant se refroidit à l'intérieur de la Terre, et ils comportent certains des plus gros cristaux de la Terre. la mine Etta du Dakota du Sud, par exemple, contient des cristaux de la taille d'un journal de spodumène riche en lithium, dont un de 42 pieds de long pesant environ 37 tonnes. Les recherches de Phelps, Cin-Ty Lee de Rice et le géologue de Californie du Sud Douglas Morton tentent de répondre à une question qui a longtemps irrité les minéralogistes :comment des cristaux aussi gros peuvent-ils se trouver dans des pegmatites ?
« Dans les minéraux magmatiques, la taille des cristaux est traditionnellement liée au temps de refroidissement, " dit Lee, Rice's Harry Carothers Wiess Professeur de géologie et président du Département de la Terre, Sciences environnementales et planétaires à Rice. "L'idée est que les gros cristaux mettent du temps à se développer."
Magma qui refroidit rapidement, comme le roc dans les laves en éruption, contient des cristaux microscopiques, par exemple. Mais le même magma, s'il est refroidi sur des dizaines de milliers d'années, pourrait comporter des cristaux de la taille d'un centimètre, dit Lee.
"Les pegmatites se refroidissent relativement vite, parfois en quelques années, et pourtant ils contiennent certains des plus gros cristaux de la Terre, " dit-il. " La grande question est vraiment, « Comment cela peut-il être ? »"
L'étudiant diplômé de l'Université Rice, Patrick Phelps, a utilisé la microscopie à cathodoluminescence pour mesurer la composition chimique des échantillons de cristaux. Crédit :Linda Welzenbach/Université du riz
Lorsque Phelps a commencé la recherche, ses questions les plus immédiates portaient sur la façon de formuler un ensemble de mesures qui lui permettrait, Lee et Morton pour répondre à la grande question.
"C'était plus une question de, « Pouvons-nous déterminer à quelle vitesse ils poussent réellement ? » », a déclaré Phelps. « Pouvons-nous utiliser des oligo-éléments – des éléments qui n'appartiennent pas aux cristaux de quartz – pour déterminer le taux de croissance ? »
Il a fallu plus de trois ans, une excursion sur le terrain pour recueillir des échantillons de cristaux d'une mine de pegmatite en Californie du Sud, des centaines de mesures en laboratoire pour cartographier avec précision la composition chimique des échantillons et une plongée profonde dans des articles de science des matériaux vieux de 50 ans pour créer un modèle mathématique qui pourrait transformer les profils chimiques en taux de croissance cristalline.
"Nous avons examiné des cristaux d'un demi-pouce de large et de plus d'un pouce de long, " a déclaré Phelps. " Nous avons montré que ceux-ci ont grandi en quelques heures, et rien ne suggère que la physique serait différente dans des cristaux plus gros qui mesurent un mètre ou plus de longueur. D'après ce que nous avons trouvé, de plus gros cristaux comme celui-ci pourraient se développer en quelques jours. »
Les pegmatites se forment là où des morceaux de la croûte terrestre sont aspirés et recyclés dans le manteau en fusion de la planète. Toute eau piégée dans la croûte devient une partie de la fonte, et comme la fonte monte et se refroidit, il donne naissance à de nombreux types de minéraux. Chacun se forme et précipite hors de la masse fondue à une température et une pression caractéristiques. Mais l'eau reste, constituant un pourcentage progressivement plus élevé de la masse fondue de refroidissement.
"Finalement, il vous reste tellement d'eau qu'il devient plus un fluide dominé par l'eau qu'un fluide dominé par la fonte, " a déclaré Phelps. " Les éléments restants dans ce mélange aqueux peuvent maintenant se déplacer beaucoup plus rapidement. Les taux de diffusion chimique sont beaucoup plus rapides dans les fluides et les fluides ont tendance à s'écouler plus rapidement. Ainsi, lorsqu'un cristal commence à se former, les éléments peuvent y accéder plus rapidement, ce qui signifie qu'il peut croître plus rapidement."
Les cristaux sont un arrangement ordonné d'atomes. Ils se forment lorsque les atomes tombent naturellement dans ce schéma arrangé en fonction de leurs propriétés chimiques et de leurs niveaux d'énergie. Par exemple, dans la mine où Phelps a collecté ses échantillons de quartz, de nombreux cristaux s'étaient formés dans ce qui semblait être des fissures qui s'étaient ouvertes alors que la pegmatite était encore en formation.
Émeraudes du Brésil dans une matrice quartz-pegmatite. Crédit : photo avec l'aimable autorisation de Madereugeneandrew/Wikimedia Commons
"Vous les voyez apparaître et traverser les couches de pegmatite elle-même, presque comme des veines dans les veines, " dit Phelps. " Quand ces fissures se sont ouvertes, cela a fait baisser la pression rapidement. Alors le fluide s'est précipité, parce que tout s'étend, et la pression a chuté de façon spectaculaire. Tout à coup, tous les éléments de la fonte sont maintenant confondus. Ils ne veulent plus être dans cet état physique, et ils commencent rapidement à se rassembler en cristaux."
Pour déchiffrer à quelle vitesse les cristaux de l'échantillon ont grandi, Phelps a utilisé à la fois la microscopie à cathodoluminescence et l'ablation laser avec spectrométrie de masse pour mesurer la quantité précise d'oligo-éléments qui avaient été incorporés dans la matrice cristalline à des dizaines de points au cours de la croissance. À partir des travaux expérimentaux effectués par les scientifiques des matériaux au milieu du 20e siècle, Phelps a pu déchiffrer les taux de croissance à partir de ces profils.
"Il y a trois variables, " dit-il. " Il y a une probabilité que des choses soient introduites. C'est le coefficient de partage. Il y a la vitesse à laquelle le cristal grandit, le taux de croissance. Et puis il y a la diffusivité, alors à quelle vitesse les nutriments élémentaires sont apportés au cristal. »
Phelps a déclaré que les taux de croissance rapides étaient assez surprenants.
"Les pegmatites ont une durée de vie assez courte, nous savions donc qu'ils devaient grandir relativement vite, " at-il dit. "Mais nous montrons que c'était quelques ordres de grandeur plus rapide que quiconque avait prédit.
"Quand j'ai finalement obtenu un de ces numéros, Je me souviens être entré dans le bureau de Cin-Ty, et en disant, « Est-ce faisable ? Je ne pense pas que ce soit juste. » se souvient Phelps. « Parce que dans ma tête, Je pensais encore à une échelle de temps de mille ans. Et ces chiffres signifiaient des jours ou des heures.
"Et Cin-Ty a dit, 'Bien, Pourquoi pas? Pourquoi cela ne peut-il pas être juste ? » », a déclaré Phelps. « Parce que nous avions fait les mathématiques et la physique. Cette partie était saine. Même si nous ne nous attendions pas à ce que ce soit si rapide, nous n'avons pas pu trouver une raison pour laquelle ce n'était pas plausible."
