Für die Bildung von Kristallen gibt es fünf Voraussetzungen: Inhaltsstoffe, Temperatur, Druck, Zeit und Raum. Um die Grundlagen der Mineralkristallisation besser zu erklären, sprechen wir kurz über Kandiszucker. Kandiszucker ist einfach kristallisierter Zucker.
Wenn du so viel Zucker wie möglich in einen Topf mit Wasser rührst, wirst du sehen, wie er beginnt, sich am Boden des Topfes abzusetzen. Wenn sich kein Zucker mehr auflösen kann, ist der Sättigungspunkt erreicht. Das Wasser kann keinen weiteren Zucker mehr aufnehmen, man spricht dann von einer Übersättigung.
Nun bringst du den Topf zum Kochen – der Sättigungsgrad ändert sich am Siedepunkt. Du kannst mehr Zucker zugeben, und zwar so lange, bis du eine Übersättigung erreichst. In diesem Stadium sollten Sie den Topf vom Herd nehmen. Wenn das Wasser wieder Raumtemperatur annimmt, kehrt der Zucker, den es aufnehmen kann, auf seinen vorherigen Wert zurück. Der überschüssige Zucker löst sich aus seiner Lösung und kristallisiert dabei aus.
Hänge nun eine Schnur in die Lösung, damit die Kristalle etwas haben, woran sie wachsen können, und beschwere die Schnur, damit sie gerade bleibt. Sobald das Wasser vollständig abgekühlt ist, wird die Schnur mit Kristallen bedeckt sein.
Dies ist eine großartige Möglichkeit zu verstehen, wie Edelsteine entstehen.
Entstehungsprozess von Edelsteinen
Generell gibt es 4 Arten, wie Edelsteine entstehen können. Sie sind
- Igneous- Diese Mineralien entstehen tief im Erdinneren (Diamanten, Rubin, Saphir, Peridot)
- Hydrothermal- Ähnlich wie beim Beispiel der Kandiszucker werden Edelsteine gebildet, wenn mineralreiche Wassermassen abkühlen
- Metamorphic- Wie der Name schon sagt, handelt es sich um Edelsteine, die durch intensive Hitze und Druck „gemorpht“ werden. (Saphir, Rubin, Spinell, Granat)
- Sedimentär- Edelsteine, die durch die Ablagerung von Sedimenten durch Wasser entstehen (Malachit, Azurit, Opal)
Igneous Gemstones Formed in the Earth’s Mantle
Während unser Wissen über den Erdmantel begrenzt ist, gibt es Beweise dafür, dass einige Edelsteine im Erdmantel entstehen. Dazu sind extrem hohe Temperaturen erforderlich.
Die bemerkenswertesten Beispiele für die Bildung von Edelsteinen im Erdmantel sind Peridot und Diamant. Geologen untersuchten die Peridot-Vorkommen in Arizona und glauben, dass sie auf Gesteinen entstanden sind, die im Erdmantel bis zu 55 Meilen unter der Oberfläche schwebten. Sie wurden durch eine explosive Eruption an die Oberfläche gebracht, wobei Erosion und Verwitterung sie nahe genug an die Oberfläche brachten, um entdeckt zu werden.
Die Diamanten sind jedoch besser bekannt. Diamanten kristallisieren im Magma direkt unter der Erdkruste. Diese Formationen haben jedoch eine andere chemische Zusammensetzung. Geologen gehen davon aus, dass sie aus einer Tiefe von 110 bis 150 Meilen unter der Erdoberfläche stammen. In dieser Tiefe ist das Magma unglaublich flüssig, und die Temperaturen sind sehr hoch.
Dieses Magma kann sich viel schneller und heftiger durch die Kruste zwängen als andere Vulkanausbrüche. Während des Ausbruchs bricht das Magma Gestein auf und löst es auf, um es dann an die Oberfläche zu befördern.
Wenn das Magma langsam aufsteigen würde, würden die Diamanten wahrscheinlich nicht überleben. Der Druck und die wechselnden Temperaturen würden dazu führen, dass die Diamanten verdampfen oder möglicherweise als Graphit rekristallisieren. Aufgrund der Geschwindigkeit, mit der das Magma aufsteigt, haben die Diamanten jedoch keine Zeit, sich umzuwandeln oder zu verdampfen, und bleiben daher als Diamanten erhalten.
Bei dramatischen und groben Veränderungen in der Kruste werden Kristalle oft zerbrochen. Wenn Wachstumsbedingungen vorhanden sind, sickert Material in die Brüche und kristallisiert. Dadurch werden die Risse geheilt, indem sie zusammengedrückt werden. Sie heilen jedoch nicht vollständig, die feinen Hohlräume bleiben bestehen und sind als Fingerabdrücke zu sehen.
Wie kommen sie an die Oberfläche, wenn sich Edelsteine bilden? Da sie sich so weit unter der Oberfläche bilden, ist es ein Wunder, dass sie abgebaut werden können. Sie werden bei Vulkanausbrüchen an die Oberfläche gebracht, aber die meisten von ihnen gelangen durch Erosion und Gebirgsbildung an die Oberfläche.
Hydrothermale Edelsteinbildung
Dieser Prozess ist dem oben beschriebenen Kandiszucker am ähnlichsten. Übersättigtes Wasser mit vielen verschiedenen Mineralien wird in Hohlräume und Risse in der Erde gepresst. Wenn diese Lösung abkühlt, beginnen die verschiedenen Mineralien zu kristallisieren.
Die wichtigsten hydrothermalen Funde befinden sich in Kolumbien. Genauer gesagt in der Muzo Emerald Mine. Diese hydrothermalen Lagerstätten sind reich an Chrom, das den Smaragden aus der Region ihre unglaubliche Farbe verleiht.
Das Bild unten zeigt eine hydrothermale Mineralader. Diese Ader entsteht, wenn die Wasserlösung im Riss des umgebenden Gesteins abkühlt.
Metamorphe Edelsteinbildung
Die meisten Edelsteine werden durch Metamorphismus gebildet. Dabei werden Mineralien unter großem Druck und großer Hitze zusammengepresst, normalerweise durch tektonische Platten, die sich unter einander bewegen. Die Mineralien werden zusammengepresst und verwandeln sich in verschiedene Mineralien, manchmal ohne zu schmelzen.
Sedimentäre Edelsteinbildung
Sedimentäre Edelsteinbildung entsteht, wenn sich Wasser mit Mineralien an der Erdoberfläche vermischt. Das mineralreiche Wasser sickert durch die Risse und Hohlräume in der Erde und lagert Schichten von Mineralien ab, so entstehen Mineralien wie Opal, Malachit und Azurit. Opal entsteht, wenn sich das Wasser mit Kieselsäure vermischt. Wenn sich die Kieselsäurelösung absetzt, stapeln sich mikroskopisch kleine Kieselsäurekugeln übereinander und bilden Opal.
Mineralkristallisation
Die Erdkruste kann zwischen drei und 25 Meilen dick sein. Unter der Kruste befindet sich der Erdmantel. Der Erdmantel ist etwa 1.860 Meilen dick und macht 83 % des Erdvolumens aus. Er besteht aus Magma, also aus geschmolzenem Gestein. Wenn es die Oberfläche erreicht, wird es als Lava bezeichnet. Je näher man dem Erdmittelpunkt kommt, desto heißer ist es, und die Hitzeströme halten es in ständiger Bewegung.
Die Zone, in der Kruste und Erdmantel aufeinandertreffen, ist turbulent, mit hohen Temperaturen und hohem Druck. Mehrere Platten bilden die Erdkruste und schwimmen auf dem flüssigen Erdmantel. Wenn sie aufeinander stoßen, heben sich einige zu Bergen, während andere nach unten gedrückt werden.
Magma ist ebenfalls in ständiger Bewegung. Sein Druck und seine Bewegung führen zu ständiger Abnutzung und Rissen im Boden der Erdkruste. Die Gesteine brechen dann aus der Erdkruste heraus und werden von dem flüssigen Magma mitgerissen. Die Gesteine schmelzen, wodurch sich die Chemie des Magmas verändert. Die kleineren Partikel werden zu Einschlüssen in Edelsteinen, die sich erst noch bilden müssen.
Edelsteine bilden sich tief in der Erde, wobei die untere Oberfläche der Kruste aufgrund starker Brüche zahlreiche Hohlräume enthält. Durch die Hohlräume und Bruchstellen entweichen Flüssigkeiten. Dies sind die idealen Bedingungen für das Kristallwachstum. Es handelt sich im Wesentlichen um eine Suppe, die reich an Chemikalien ist und alle notwendigen Zutaten liefert. Die Hohlräume bieten den perfekten Raum für das Wachstum, und der Druck und die Temperatur sind hoch. Die Flüssigkeit, die sich durch die Kruste bewegt, sorgt dafür, dass sie so weit abkühlt, dass die Kristallisation stattfinden kann – jetzt braucht man nur noch Zeit.
Geologisch gesehen sollte die Zeit, die sie hat, ausreichend sein. Da diese Umgebung jedoch sehr turbulent ist und sich die Gänge ständig öffnen und wieder zusammenfallen, werden sich oft Kristalle bilden. Die Kristalle beginnen sich oft zu bilden, aber wenn der Durchgang kollabiert, ist der Flüssigkeitsstrom versperrt. An diesem Punkt stoppt das Wachstum.
Wenn sich der Durchgang wieder öffnet, setzt das Wachstum wieder ein. Dieses Ein/Aus-Wachstum ist bei Kristallen im Allgemeinen nicht nachweisbar, aber in anderen Fällen haben die aufeinanderfolgenden Entwicklungsschichten eine andere chemische Zusammensetzung. Dies führt zu einer Farbzonierung.
Mineralische Kristallisationsreihenfolge
Topaskristalle bilden sich bei der Abkühlung vor dem Quarz, da ein Prinzip der Kristallisation darin besteht, dass mit sinkender Temperatur die festen Bestandteile, die es aufnehmen kann, abnehmen. Allerdings sind die Bestandteile in der Erdkruste etwas komplexer als die oben beschriebene Zuckerlösung. Verschiedene Mineralien kristallisieren aus derselben Lösung, aber bei unterschiedlichen Temperaturen. Man kann zuerst Korund sehen, gefolgt von Topas und Quarz, wenn die Lösung weiter abkühlt.
Der Druck hat zwar keinen Einfluss auf den Kandiszucker, aber die richtige Kombination von Temperatur und Druck ist notwendig, damit die Mineralien kristallisieren können.
Zusätzlich gibt es zwei weitere Bedingungen, die für die Kristallisation erforderlich sind – Raum und Zeit. Im Wesentlichen muss die richtige Kombination von Inhaltsstoffen, Druck und Wärme lange genug anhalten, damit Mineralien kristallisieren können. Außerdem brauchen sie Platz, um zu wachsen.