Roma no se construyó en un día, pero parece, al contrario que se tenía asumido, que algunas de las piedras preciosas más valiosas de la Tierra sí que lo hicieron. Al menos esto es lo que se desprende de una nueva investigación de la Universidad de Rice titulada Episodes of fast crystal growth in pegmatites que se publica esta semana en la revista Nature Communications.

Aguamarina, esmeralda, granate, circón o topacio son solo algunos de los minerales cristalinos que se encuentran principalmente en las pegmatitas, formaciones venosas que comúnmente contienen cristales grandes y elementos difíciles de encontrar en la corteza terrestre como el tantalio y el niobio. Otro hallazgo común es el litio, un componente vital de las baterías de los automóviles eléctricos.

Las pegmatitas se forman cuando el magma ascendente se enfría dentro de la Tierra y presentan algunos de los cristales más grandes de la Tierra. Por ejemplo, en la mina Etta, en Dakota del Sur, podemos cristales de espodumena -un mineral rico en litio – que del tamaño de un tronco pueden llegar a medir hasta 12 metros y pesar unas 37 toneladas. ¿Cómo pueden formarse estos cristales tan grandes en las pegmatitas?

Esta pregunta, la cual ha quitado el sueño a los minerálogos durante mucho tiempo, es precisamente la que Patrick Phelps y Cin-Ty Lee, ambos del departamento de Ciencias de la Tierra y Medio Ambiente de la universidad de Rice junto con el geólogo emérito del sur de California Douglas Morton, han tratado de responder en su estudio. “Este es un paso hacia la comprensión de cómo la Tierra concentra el litio en ciertos lugares y minerales”, explica Phelps. “Si podemos comprender los conceptos básicos que explican las tasas de crecimiento de la pegmatita, estaremos dando un paso en la dirección correcta para comprender cómo y dónde se forman”, añade.

“En los minerales magmáticos, el tamaño de los cristales está tradicionalmente relacionado con el tiempo de enfriamiento” añade Lee. “La idea es que los cristales grandes tardan en crecer”. “El magma que se enfría rápidamente, como la roca en las lavas de erupciones volcánicas, contiene cristales microscópicos. Si el mismo magma se enfría durante decenas de miles de años, podría presentar cristales del tamaño de un centímetro, continua el coautor del estudio. “Sin embargo, las pegmatitas se enfrían con relativa rapidez, a veces en unos pocos años, más presentan algunos de los cristales más grandes de la Tierra. La gran pregunta es realmente, ‘¿Cómo puede ser esto posible?”.

“Era más una cuestión de: ¿podemos averiguar cuán rápido crecen realmente?'” continúa Phelps. “¿Podemos usar oligoelementos, es decir, elementos que no pertenecen a los propios cristales de cuarzo, para calcular su tasa de crecimiento? Tomó más de tres años, un viaje de campo para recolectar muestras de cristales de una mina de pegmatita en el sur de California, cientos de mediciones de laboratorio para averiguar con precisión la composición química de las muestras y una inmersión profunda en decenas de artículos científicos de materiales para crear un modelo matemático que pudiera traducir los perfiles químicos en tasas de crecimiento de cristales. “Examinamos cristales de 1 centímetro de ancho y más de dos de largo”, cuenta Phelps. “Averiguamos que crecieron en cuestión de horas, y no hay nada que sugiera que la física sería diferente en cristales más grandes que miden un metro o más de longitud. Según lo que encontramos, cristales más grandes como ese podrían crecer en cuestión de días.” añade.

Recorrido pegmatítico por el interior de la Tierra

Las pegmatitas se forman cuando partes de la corteza terrestre se hunden en el manto de nuestro planeta y se reciclan fundiéndose con el mismo a altas temperaturas. Cualquier agua que hubiera quedado atrapada en la corteza se convierte, como el resto de materiales que la conformaban, en parte del esta masa fundida que posteriormente, a medida que se eleva y se enfría, da lugar a la cristalización de diversos tipos de minerales, los cuales cada uno se forma y precipita a una temperatura y presión características.

No obstante, a medida que esto ocurre, el agua permanece constituyendo un porcentaje progresivamente mayor de la masa fundida de enfriamiento. “Al final queda tanta agua que se todo se vuelve más un fluido dominado por el agua que un fluido dominado por el material derretido”, explica Phelps. “Los elementos sobrantes en esta mezcla acuosa ahora pueden moverse mucho más rápido. Las tasas de difusión química son mucho más rápidas en los fluidos, los cuales también, valga la redundancia, tienden a fluir más rápidamente. Es entonces que, cuando un cristal comienza a formarse, los elementos pueden llegar a él más rápido, lo que significa que puede crecer más rápido”.

Los cristales son una disposición ordenada de átomos. Se forman cuando los átomos caen naturalmente en ese patrón organizado en función de sus propiedades químicas y niveles de energía. Por ejemplo, en la mina donde Phelps recogió sus muestras de cuarzo, se habían formado muchos cristales en lo que parecían ser grietas que se habían abierto mientras la pegmatita aún se estaba formando.

“Puedes observar que estos cristales surgen y atraviesan las capas de pegmatita, Son casi como venas dentro de las venas”, especifica el científico. “Cuando se abrieron esas grietas, la presión se redujo rápidamente. Así que el fluido entró rápidamente en las grietas por que todo se expandía debido a la reducción drástica de la presión. De repente, todos los elementos de la masa fundida se mezclaron en un estado físico en el que “no les gusta estar” así que rápidamente comenzaron a unirse en cristales “.

¿A que velocidad crece un cristal?

Para descifrar la rapidez con la que crecieron los cristales de las muestras, Phelps usó microscopía de catodoluminiscencia; y ablación por láser con espectrometría de masas para medir la cantidad precisa de oligoelementos que se habían incorporado a la matriz cristalina en docenas de puntos durante el crecimiento. A partir del trabajo experimental realizado por científicos de materiales a mediados del siglo XX, Phelps pudo descifrar las tasas de crecimiento de estos perfiles.

“Las rápidas tasas de crecimiento fueron una gran sorpresa.En mi cabeza todavía estaba pensando en una escala de tiempo de miles años, y estos números significaban días u horas.”

Phelps afirma que las rápidas tasas de crecimiento fueron una gran sorpresa. “Las pegmatitas tienen una vida bastante corta, así que sabíamos que tenían que crecer relativamente rápido”, dijo. “Pero lo que estábamos demostrando es que era unos órdenes de magnitud más rápido de lo que nadie había predicho”.

“Cuando finalmente obtuve uno de estos números, recuerdo que fui a la oficina de Cin-Ty y le pregunté: ‘¿Es esto factible? No creo que sea correcto'”. “En mi cabeza todavía estaba pensando en una escala de tiempo de miles años, y estos números significaban días u horas. Cin-Ty contesto: ‘Bueno, ¿por qué no? ¿Por qué no puede ser correcto?'”, cuenta Phelps.

“Habíamos trabajado con las matemáticas y la física. Esa parte fue buena” añade el autor. “Y aunque no esperábamos encontrar que la formación de estos minerales hubiera sido tan rápida, no pudimos encontrar una razón por la que esto no fuera plausible”, sentencia.



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