Глубоко под горой недалеко от Найки, Мексика, в 2000 году шахтеры, разыскивающие новые месторождения руды, обнаружили неожиданное и удивительное зрелище. Массивные молочно-белые кристаллы возвышались вокруг них, заполняя пещеру в форме подковы. Светящиеся лучи гипса, превышающие телефонные столбы, длиной почти 12 м и шириной 1 м, мерцали в огнях шахтеров, выступая во всех направлениях из стен коричневого известняка, полов и потолка.
Пещера Кристаллов, как ее стали называть, расположена на глубине 290 метров под землей, на вершине которой находится гора, богатая свинцом, цинком и серебром. С момента своего открытия горнодобывающей компанией Industrias Peñoles подземная камера привлекла исследователей со всего мира, соблазняя их редкой красотой и научной тайной.
Хуан Мануэль Гарсия-Руис, кристаллограф из Университета Гранады, путешествовал по всей Испании, чтобы самому увидеть кристаллы. Гарсиа-Руис выращивал кристаллы в лабораторных колбах с 15 лет, поэтому прогулка среди кристаллов Найки была для него моментом жизни. «Когда я вошел в первый раз, после первых нескольких минут ступора, я разразился смехом. Я был в эйфории », - говорит он.
За годы, прошедшие после открытия кристаллов, исследователи, в том числе Гарсия-Руис, выдержали удручающе жаркие и влажные условия пещеры, чтобы ответить на вопросы о происхождении и росте кристаллов. Теперь, почти два десятилетия спустя, ответив на многие из этих вопросов, ученые стремятся узнать, как защитить и сохранить кристаллы для будущих поколений, если это позволяют действующие в шахте и в горах силы.
ПОДЗЕМНАЯ КОЛБА
Примерно 26 миллионов лет назад холм магмы пронесся вверх по земле под юго-восточным Чихуахуа, Мексика. Эта восходящая магма создала то, что сейчас является горой недалеко от города Наика, и превратила горячие, богатые минералами воды в пещеры и щели в известняке горы. Именно в этих водах родились гигантские кристаллы Naica.
Пещера была заполнена водой, богатой сульфатом кальция. Сульфат кальция может образовывать несколько минералов, но оказалось, что гипс (CaSO4 · 2H2O), в частности прозрачный, бесцветный сорт, известный как селенит, стал доминирующим минералом в пещерах.
«У каждого минерала есть зона стабильности», - объясняет Александр Ван Дрише, кристаллограф из Института наук о Земле Национального центра научных исследований, который изучал кристаллы Naica для своей постдокторской работы с Гарсией-Руисом. Ангидрит (CaSO4) становится более стабильным при температуре выше примерно 58 ° C; Гипс является более стабильным - то есть менее растворимым - из двух ниже этой температуры.
Первоначально ангидритные отложения образовались в нагретых магмой водах. Затем, на протяжении тысячелетий, вода постепенно охлаждается. Когда температура поднялась ниже 58 ° C, ангидрит начал растворяться, и кристаллы гипса начали образовывать ядра и расти. Растворяющийся ангидрит снабжал подземный раствор достаточным количеством кальция и сульфата, чтобы поддерживать его едва перенасыщенным, идеальные условия для медленно растущего гипса.
Будь то выращенные в лаборатории или в пещере, все кристаллы имеют скромное происхождение при зародышеобразовании, поскольку молекулярные строительные блоки кристалла располагаются вокруг крошечной фундаментальной формы и начинают расти. Например, твердые частицы в нашей атмосфере служат зародышами для кристаллов льда, которые в конечном итоге дрейфуют на землю в виде снежинок. В ионных растворах высокие уровни перенасыщения способствуют зарождению многих кристаллов, в то время как низкие уровни способствуют меньшему зародышеобразованию, но большему росту кристаллов. Пещера кристаллов, поэтому, была как раз для нескольких кристаллов, которые выросли до гигантских размеров.
По-прежнему восхищаясь кристаллами Naica, Van Driessche и его коллеги начали проводить лабораторные исследования нуклеации гипса. Исследователи обнаружили, что кристаллы гипса образуются в результате неожиданного типа зародышеобразования: они растут из нанокластеров CaSO4, которые сливаются, а не образуют крошечный исходный кристалл гипса, как и следовало ожидать исследователям.
Похожие страницы: Гигантские кристаллы растут очень медленно
Ван Дрише и Гарсия-Руис считают, что понимание основ того, как кристаллы гипса начинают свое существование, имеет значение не только в Мексиканских пещерах. Это может помочь работникам бороться с ростом минералов на оборудовании на опреснительных установках или помочь ученым объяснить, как гипс образовался на Марсе. Но дуэт не хотел разгадать загадку зарождения кристаллов гипса. Они также хотели знать, как лучи Наики выросли до их огромных размеров.
БЕСКОНЕЧНЫЙ РОСТ
Пещера кристаллов - не единственная пещера под горой близ Найцы, заполненная кристаллами гипса: те же самые воды, которые заливали пещеру, также проникали через другие подземные камеры поблизости. Но кристаллы в этих других камерах не достигли того же невероятного размера. Ван Дрише и Гарсия-Руис определили, что в дополнение к условиям стиля Златовласки, которые позволяли кристаллам формироваться в первую очередь, правильная скорость охлаждения позволяла им расти до гигантских размеров.
Пещера Мечей, расположенная на глубине 120 м в шахте, иллюстрирует эту разницу. Как следует из названия, его стены полностью покрыты более короткими кристаллами гипса, напоминающими средневековое оружие длиной до 2 м. В более глубокой пещере кристаллов вода охлаждалась медленнее, чем в пещере мечей. По словам Ван Дрише, это постепенное охлаждение в течение тысячелетий означало, что зародилось всего несколько кристаллов гипса, что позволило им расти до больших размеров. Температура в Пещере Мечей падает быстрее, образуя большее количество более мелких кристаллов. Это «учебный пример зародышеобразования и роста кристаллов», говорит он.
Поскольку температура воды в Пещере кристаллов оставалась в пределах переходной зоны между ангидритом и гипсом в течение столь длительного времени, кристаллы росли непрерывно и не открывались целую вечность. Но как долго, точно? Исследователи решили выяснить, но найти ответ было непросто. Высокая чистота кристаллов означала, что методы изотопного датирования, основанные на следах таких элементов, как уран, могли дать только приблизительную оценку их возраста. Вместо этого, вооруженные образцами кристаллов и воды из рудника Найка, Ван Дрише, Гарсия-Руис и их коллеги начали тщательно измерять скорость роста кристаллов в лаборатории.
Кристаллическая структура гипса - слои сульфата кальция, образующие двойной слой молекул воды, - облегчила эту задачу. По словам Ван Дрише, водородные связи между слоями воды легко разрушаются, поэтому кристаллы легко отрываются от кристаллов, обеспечивая чистые плоские поверхности для исследований роста.
Продолжение следует...
