Кристаллы: большие и быстрые

Магматические породы пегматитов залегают в земной коре в форме жил, линз, штоков и, по общепринятым представлениям, образуются в результате многостадийных процессов кристаллизации. Неудивительно, что состав пегматитов очень богат. В них находят крупные ювелирного качества кристаллы аквамаринов, изумрудов, топазов, гранатов и многих других, образующихся за счет встраивания металлических элементов в решетку кристаллов кварца. 
До недавнего времени считалось, что пегматиты сравнительно быстро остывают после своего внедрения в земную твердь. Большая скорость охлаждения сильно ограничивает время роста, а значит, и размер образующихся кристаллов. Однако случаи находок метровых драгоценных кристаллов в пегматитах не единичны, и механизм их появления при быстрой кристаллизации жил оставался загадкой. Но вот исследователи хьюстонского Университета Райса и Калифорнийского университета скрупулезно изучили образцы кварцев сантиметровых и дециметровых размеров; их взяли в одной из шахт Южной Калифорнии. О деталях механизма быстрой кристаллизации идет речь в статье с говорящим названием «Эпизоды быстрого роста кристаллов в пегматитах».

Главной задачей было установить распределение примесей. Ведь физико-математические принципы, описывающие нелинейную кинетику их встраивания в решетку при росте кристалла из жидкой фазы, хорошо известны. Чтобы набрать фактические данные, ученые применили катодолюминесцентную микроскопию, лазерное испарение и масс-спектрометрию. Примеси в кристалле при люминесценции светятся, позволяя построить трехмерную картину их распределения. С ее помощью в образцах были выделены наиболее интересные области, а также определено, где менялся режим кристаллизации. Микроиспарение этих областей давало поток ионов различных элементов в камеру масс-спектрометра. Он и позволил определить абсолютные значения их концентраций в различных слоях кристаллов кварца.

Как оказалось, рост кристаллов ускоряют высокое содержание воды и турбулентное перемешивание у межфазной границы. Кристаллизация тогда идет столь быстро, что даже сантиметровые кристаллы вырастают буквально за часы, а для формирования огромных метровых кристаллов требуются дни. Эти выводы исследователей существенно меняют устоявшиеся представления геологии пегматитовых жил.

(Nature Communications, 11(4986), 2020)