Đá pegmatit - Ngọc quý "mọc" dưới lòng đất trong vài giờ

Nghiên cứu mới từ Đại học Rice của Mỹ cho thấy tinh thể ngọc quý trong đá pegmatit có thể hình thành chỉ trong thời gian ngắn.

Pegmatit có nguồn gốc từ magma hay đá nóng chảy. Đặc điểm nổi bật nhất của loại đá này là chúng chứa các tinh thể lớn nhất trong tự nhiên, trong đó có nhiều loại khoáng vật quý như ngọc lục bảo, ngọc xanh biển, ngọc hồng lựu, ngọc zircon, ngọc spodumen và đá topa. Pegmatit cũng chứa một số nguyên tố hiếm như tantan, niobi và đặc biệt là lithium - thành phần hóa học quan trọng của pin xe điện.

Một tảng đá pegmatit chứa đầy tinh thể ngọc quý nhiều màu sắc. (Ảnh: Patrick Phelps).

Tại khu mỏ Etta ở bang South Dakota của Mỹ, nhiều tinh thể spodumen giàu lithium kích thước lớn đã được tìm thấy, bao gồm một viên dài gần 13 m và nặng 37 tấn. Bằng cách nào mà những tinh thể lớn như vậy có thể hình thành trong đá pegmatit? Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Communications, các nhà khoáng vật học từ Đại học Rice ở Texas cho biết đã tìm ra lời giải đáp.

Các nghiên cứu trước đây cho rằng kích thước tinh thể trong đá pegmatit có liên quan đến thời gian nguội đi của magma. Hay nói cách khác, các tinh thể lớn cần nhiều thời gian để phát triển.

Ví dụ, nếu magma nguội đi nhanh chóng, giống như đá trong dung nham núi lửa phun trào, pegmatit hình thành sau đó sẽ chứa các tinh thể rất nhỏ. Cũng cùng một loại magma nếu được làm nguội trong hàng chục nghìn năm, nó có thể tạo ra các tinh thể cỡ centimet.

"Tuy nhiên, pegmatit trên thực tế nguội đi tương đối nhanh chóng, đôi khi chỉ trong vài năm, nhưng chúng lại chứa những tinh thể lớn nhất trên Trái đất", Giáo sư Cin-Ty Lee từ Đại học Rice, tác giả chính của nghiên cứu, chia sẻ.

Một tảng đá pegmatit chứa nhiều tinh thể ngọc lục bảo lớn ở Brazil. (Ảnh: Madereugeneandrew).

Sự mâu thuẫn này đã thôi thúc các nhà khoa học tiến hành thêm các nghiên cứu. Lee cùng các cộng sự muốn hiểu được bức tranh toàn cảnh về cách thức hình thành và tốc độ phát triển của tinh thể trong đá pegmatit.

Nhóm nghiên cứu đã mất tới ba năm để thu thập các mẫu tinh thể từ một mỏ pegmatit ở phía nam California. Sau đó, họ thực hiện hàng trăm phép đo trong phòng thí nghiệm để lập bản đồ chính xác thành phần hóa học của các tinh thể, đồng thời tham khảo các công trình nghiên cứu vật liệu trong quá khứ để tạo ra một mô hình toán học, cho phép chuyển đổi cấu hình hóa học thành tốc độ phát triển của tinh thể.

"Chúng tôi đã kiểm tra những tinh thể có chiều rộng nửa inch và chiều dài hơn một inch và nhận thấy chúng phát triển tới kích thước đó chỉ trong vài giờ. Không có điều gì cho thấy tính chất vật lý sẽ khác ở những tinh thể lớn hơn. Dựa trên những gì chúng tôi tìm thấy, những tinh thể có thể đạt tới kích thước trên một mét chỉ trong vài ngày", một thành viên trong nhóm nghiên cứu Patrick Phelps cho biết.

Pegmatit hình thành nơi các mảnh của vỏ Trái đất bị rút xuống và "tái chế" trong lớp đá nóng chảy của hành tinh. Lượng nước có trong các mảnh vỏ cũng trở thành một phần của sự nấu chảy. Khi magma nguội đi, nó sẽ tạo ra nhiều loại khoáng chất, nhưng nước vẫn còn ở đó và dần dần chiếm tỷ lệ cao hơn trong quá trình làm mát magma.

"Cuối cùng, lượng nước tích tụ nhiều đến mức nó trở thành một chất lỏng chiếm ưu thế. Các phân tử còn sót lại trong hỗn hợp nước này bây giờ có thể di chuyển nhanh hơn rất nhiều. Tốc độ khuếch tán hóa học trong chất lỏng theo đó cũng tăng lên. Vì vậy, khi một tinh thể hình thành, các phân tử có thể đến đó nhanh hơn, cho phép tinh thể phát triển nhanh hơn", Phelps giải thích.

Tinh thể là sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử. Chúng hình thành khi các nguyên tử rơi vào mô hình sắp xếp đó một cách tự nhiên, dựa trên các đặc tính hóa học và mức năng lượng của chúng.

Phelps đo thành phần hóa học của tinh thể mẫu. (Ảnh: Linda Welzenbach).

Để giải mã các tinh thể mẫu lớn lên nhanh như thế nào, Phelps đã sử dụng cả kính hiển vi phát quang cực âm và phương pháp cắt lazer với khối phổ để đo lượng chính xác các nguyên tố vi lượng tham gia vào ma trận tinh thể. Dựa trên một công trình nghiên cứu liên quan được thực hiện bởi các nhà khoa học vật liệu vào giữa thế kỷ 20, Phelps đã có thể giải mã tốc độ tăng trưởng của các cấu hình này.

"Từ thang thời gian hàng nghìn năm rút ngắn lại chỉ còn vài ngày và thậm chí vài giờ. Kết quả của nghiên cứu vượt ngoài dự đoán của bất cứ ai. Chúng tôi cũng không ngờ tinh thể trong pegmatit lại phát triển nhanh đến vậy, nhưng mọi phân tích vật lý và toán học đều hợp lý", Lee nhấn mạnh.

• 5 thứ tuyệt vời có thể tạo ra từ rác thải nhựa mà con người hàng ngày thải ra
• 3 liệu pháp chữa bệnh độc đáo từ nọc ong mà ít người biết đến
• Phương pháp đo tổng khối lượng vật chất trong vũ trụ chính xác nhất