Roma não foi construída em um dia, mas algumas das melhores pedras preciosas da Terra foram, de acordo com uma nova pesquisa da Rice University.
Por Jade Boyd, Rice University, publicado no Phys.
Água-marinha, esmeralda, granada, zircão e topázio são apenas alguns dos minerais cristalinos encontrados principalmente em pegmatitos, formações semelhantes a veias que comumente contêm cristais grandes e elementos difíceis de encontrar, como tântalo e nióbio. Outro achado comum é o lítio, um componente vital das baterias de carros elétricos.
“Este é um passo para entender como a Terra concentra o lítio em certos minerais e lugares”, disse o estudante de pós-graduação de Rice Patrick Phelps, co-autor de um estudo publicado online na Nature Communications . “Se pudermos entender os fundamentos das taxas de crescimento do pegmatito, é um passo na direção de entender todo o quadro de como e onde eles se formam.”
Os pegmatitos são formados quando o magma ascendente esfria dentro da Terra, e eles apresentam alguns dos maiores cristais da Terra. A mina Etta de Dakota do Sul, por exemplo, apresenta cristais do tamanho de toras de espodumênio rico em lítio, incluindo um de 42 pés de comprimento e pesando cerca de 37 toneladas. A pesquisa de Phelps, Cin-Ty Lee de Rice e do geólogo Douglas Morton, do sul da Califórnia, tenta responder a uma pergunta que há muito incomoda os mineralogistas: como podem existir cristais tão grandes nos pegmatitos?
“Em minerais magmáticos, o tamanho do cristal está tradicionalmente ligado ao tempo de resfriamento”, disse Lee, Professor de Geologia Harry Carothers Wiess da Rice e presidente do Departamento de Ciências da Terra, Ambientais e Planetárias da Rice. “A ideia é que cristais grandes levam tempo para crescer.”
O magma que esfria rapidamente, como a rocha em lavas erupcionadas, contém cristais microscópicos, por exemplo. Mas o mesmo magma, se resfriado por dezenas de milhares de anos, pode apresentar cristais do tamanho de um centímetro, disse Lee.
“Os pegmatitos esfriam com relativa rapidez, às vezes em apenas alguns anos, e ainda assim apresentam alguns dos maiores cristais da Terra”, disse ele. “A grande questão é realmente: ‘Como pode ser isso?'”
Quando Phelps começou a pesquisa, suas perguntas mais imediatas eram sobre como formular um conjunto de medidas que permitiria a ele, Lee e Morton responder à grande questão.
“Era mais uma questão de ‘Podemos descobrir com que rapidez eles realmente crescem?’”, Disse Phelps. “Podemos usar oligoelementos – elementos que não pertencem aos cristais de quartzo – para descobrir a taxa de crescimento?”
Demorou mais de três anos, uma viagem de campo para coletar amostras de cristais de uma mina pegmatita no sul da Califórnia, centenas de medições de laboratório para mapear com precisão a composição química das amostras e um mergulho profundo em artigos científicos de materiais de 50 anos para criar um modelo matemático que pudesse transformar os perfis químicos em taxas de crescimento do cristal.
“Examinamos cristais com meia polegada de largura e mais de uma polegada de comprimento”, disse Phelps. “Mostramos que eles cresceram em questão de horas, e não há nada que sugira que a física seria diferente em cristais maiores que medem um metro ou mais de comprimento. Com base no que descobrimos, cristais maiores como esse poderiam crescer em questão de dias.”
Os pegmatitos se formam onde pedaços da crosta terrestre são retirados e reciclados no manto derretido do planeta. Qualquer água presa na crosta torna-se parte do derretimento e, à medida que o derretimento aumenta e esfria, dá origem a muitos tipos de minerais. Cada um se forma e precipita a partir do fundido a uma temperatura e pressão características. Mas a água permanece, constituindo uma porcentagem progressivamente maior do derretimento de resfriamento.
“Eventualmente, você obtém tanta água que sobra que se torna mais um fluido dominado pela água do que um fluido dominado pelo derretimento”, disse Phelps. “Os elementos restantes nesta mistura aquosa agora podem se mover muito mais rápido. As taxas de difusão química são muito mais rápidas em fluidos e os fluidos tendem a fluir mais rapidamente. Portanto, quando um cristal começa a se formar, os elementos podem chegar a ele mais rápido, o que significa que pode crescer mais rápido. “
Os cristais são arranjos ordenados de átomos. Eles se formam quando os átomos caem naturalmente nesse padrão organizado com base em suas propriedades químicas e níveis de energia. Por exemplo, na mina onde Phelps coletou suas amostras de quartzo, muitos cristais se formaram no que parecia ser rachaduras que se abriram enquanto o pegmatito ainda estava se formando.
“Você vê isso surgindo e atravessando as camadas do próprio pegmatito, quase como veias dentro de veias”, disse Phelps. “Quando essas rachaduras se abriram, a pressão baixou rapidamente. Então o fluido entrou rapidamente, porque tudo está se expandindo, e a pressão caiu drasticamente. De repente, todos os elementos do fundido ficaram confusos. Eles não querem ficar nesse estado físico, e eles rapidamente começam a se reunir em cristais. “
Para decifrar a rapidez com que os cristais de amostra cresceram, Phelps usou microscopia de catodoluminescência e ablação a laser com espectrometria de massa para medir a quantidade precisa de oligoelementos que foram incorporados à matriz de cristal em dezenas de pontos durante o crescimento. A partir de trabalhos experimentais feitos por cientistas de materiais em meados do século 20, Phelps foi capaz de decifrar as taxas de crescimento a partir desses perfis.
“Existem três variáveis”, disse ele. “Há a probabilidade de que as coisas sejam introduzidas. Esse é o coeficiente de partição. Há a rapidez com que o cristal está crescendo, a taxa de crescimento. E há a difusividade, então a rapidez com que os nutrientes elementares são levados ao cristal.”
Phelps disse que as taxas de crescimento rápido foram uma grande surpresa.
“Os pegmatitos têm vida curta, então sabíamos que eles tinham que crescer relativamente rápido”, disse ele. “Mas estávamos mostrando que era algumas ordens de magnitude mais rápido do que qualquer um havia previsto.
“Quando finalmente consegui um desses números, lembro-me de entrar no escritório de Cin-Ty e dizer: ‘Isso é viável? Não acho que seja certo’”, lembra Phelps. “Porque na minha cabeça, eu ainda estava pensando em uma escala de tempo de mil anos. E esses números significavam dias ou horas.
“E Cin-Ty disse: ‘Bem, por que não? Por que não pode estar certo?'”, Disse Phelps. “Porque tínhamos feito a matemática e a física. Essa parte era boa. Embora não esperássemos que fosse tão rápido, não podíamos pensar em um motivo pelo qual não fosse plausível.”
