Det finns fem krav för att kristaller ska kunna bildas: ingredienser och temperatur, tryck, tid och utrymme. För att bättre förklara grunderna för mineralkristallisering låt oss prata om bergsocker för en stund. Rock candy är helt enkelt kristalliserat socker.
Om du rör ner så mycket socker som möjligt i en botten av vatten kommer du att se att det börjar sätta sig på botten av grytan. När inget mer socker kan lösas upp har du nått mättnadspunkten. Vattnet kan inte absorbera mer socker, detta kallas supermättat.
Nu får grytan koka upp – mättnadsnivån förändras vid kokpunkten. Du kan lägga till mer socker, det bör du göra tills du når supermättnad. I detta skede bör du ta bort grytan från värmen. När vattnet återgår till rumstemperatur återgår det socker som det kan innehålla till sin tidigare nivå. Det överflödiga sockret kommer ut ur sin lösning och kristalliseras när det gör det.
Häng nu ett snöre i lösningen så att kristallerna har något att växa på.Tyngda helst snöret för att hålla det rakt. När vattnet har svalnat helt kommer snöret att vara täckt av kristaller.
Detta är ett utmärkt sätt att förstå hur ädelstenar bildas.
Ädelstensbildningsprocessen
Generellt sett finns det fyra sätt på vilka ädelstenar kan bildas. De är
- Igneous- Dessa mineraler skapas djupt inne i jorden (diamanter, rubin, safir, peridot)
- Hydrotermisk- I likhet med exemplet med godiset bildas ädelstenar när mineralrika vattenmassor svalnar
- Metamorf- Som namnet antyder är det här ädelstenar som ”förvandlas” på grund av intensiv värme och tryck. (Safir, rubin, spinell, granat)
- Sedimentära- Ädelstenar som bildas på grund av att vatten avsätter sediment (malakit, azurit, opal)
Gnejsartade ädelstenar som bildas i jordens mantel
Vidare vår kunskap om jordens mantel är begränsad finns det bevis för att vissa ädelstenar bildas i manteln. Detta kräver extremt höga temperaturer.
De kanske mest anmärkningsvärda exemplen på ädelstenar som bildas i jordens mantel är peridot och diamant. Geologer har studerat Arizons peridotfyndigheter och tror att de skapades på stenar som svävade i jordens mantel, upp till 55 mil under ytan. De fördes närmare ytan av ett explosivt utbrott, med erosion och vittring som drev dem tillräckligt nära ytan för att upptäckas.
Det finns dock en bättre förståelse för diamanter. Diamanter kristalliseras i magma strax under jordskorpan. Dessa formationer har dock en annan kemisk sammansättning. Geologer tror att den kommer från 110 miles till 150 miles under jordytan. Magman är otroligt flytande på detta djup och temperaturerna mycket höga.
Denna magma kan tvinga sig fram genom jordskorpan mycket snabbare och mycket våldsammare än andra vulkanutbrott. Under utbrottsprocessen bryter magman upp och löser upp stenar och för sedan upp dem till ytan.
Om magman skulle stiga långsamt skulle diamanterna sannolikt inte överleva. Trycket och de skiftande temperaturerna skulle leda till att diamanterna förångas, eller möjligen återkristalliseras som grafit. Men på grund av den hastighet med vilken magman stiger hinner diamanterna inte omvandlas eller förångas och förblir därför kvar som diamanter.
När det sker dramatiska och grova förändringar i jordskorpan bryts ofta kristaller. När tillväxtförhållanden föreligger sipprar material in i sprickorna och kristalliseras. Detta läker sprickorna genom att försegla dem. De läker dock inte helt, de fina hålrummen finns kvar och de ses som fingeravtryck.
Hur stiger de upp till ytan när ädelstenar bildas? Eftersom de bildas så långt under ytan är det ett under att de kan brytas. De kommer upp till ytan vid vulkanutbrott, men de flesta når ytan genom erosion och bergsbildning.
Hydrotermisk ädelstensbildning
Denna process liknar mest den bergsgodis som anges ovan. Supermättat vatten med många olika mineraler trycks upp i håligheter och sprickor i jorden. när denna lösning börjar svalna börjar de olika mineralerna kristallisera.
De viktigaste hydrotermiska fynden finns i Colombia. Särskilt Muzo Emerald-gruvan. Dessa hydrotermiska fyndigheter är rika på krom som ger smaragderna från regionen sin otroliga färg.
Bilden nedan visar en hydrotermisk mineralådra. Denna ådra skapas när vattenlösningen svalnar inuti sprickan i den omgivande berget.
Metamorfisk ädelstensbildning
Majoriteten av ädelstenar bildas genom metamorfism. Detta är när mineraler tvingas samman under stort tryck och värme vanligtvis genom att tektoniska plattor rör sig under varandra. Mineralerna tvingas samman och de metamorfoserar till olika mineraler, ibland utan att smälta.
Sedimentär ädelstensbildning
Sedimentär ädelstensbildning sker när vatten blandas med mineral på jordytan. Det mineralrika vattnet sipprar ner mellan sprickor och håligheter i jorden och lägger sig i lager av mineraler.Det är så mineraler som opal, malakit och azurit bildas. Opal bildas när vattnet blandas med kiseldioxid. När kiseldioxidlösningen sätter sig lägger sig mikroskopiska sfärer av kiseldioxid på varandra och bildar opal.
Mineralkristallisering
Jordskorpan kan vara allt från tre mil tjock till 25 mil tjock. Under jordskorpan finns jordens mantel. Manteln är ungefär 1 860 mil tjock och utgör 83 % av jordens volym. Den består av magma, som är smält sten. När den når ytan kallas den för lava. Den är som varmast närmare jordens centrum man kommer- och värmeströmmarna håller den i ständig rörelse.
Zonen där jordskorpan och manteln möts är tumultartad, med höga temperaturer och höga tryck. Flera plattor utgör jordskorpan och flyter på den flytande manteln. När de kör in i varandra höjs vissa upp till berg, medan andra trycks ner.
Magma är också i ständig rörelse. Dess tryck och rörelse skapar ständigt slitage och sprickor i jordskorpans botten. Stenar bryter då loss från jordskorpan och förs bort av den flytande magman. Stenarna smälter och ändrar magmans kemi. Medan de mindre partiklarna är ödesbestämda att bli inneslutningar i ädelstenar som ännu inte bildats.
Ädelstenar bildas djupt inne i jorden, där jordskorpans nedre yta innehåller många håligheter på grund av kraftiga sprickor. Vätskor läcker ut genom hålrummen och sprickorna. Detta är ett idealiskt tillstånd för kristalltillväxt. Det är i huvudsak en soppa som är rik på kemikalier och som levererar alla nödvändiga ingredienser. Håligheterna ger det perfekta utrymmet för tillväxt, och trycket och temperaturen är höga. Vätskan som rör sig genom skorpan får den att svalna tillräckligt för att kristalliseringen ska kunna ske – allt som behövs nu är tid.
Geologiskt sett borde den tid den har vara tillräcklig. Men eftersom denna miljö är mycket tumultartad och passagerna ständigt öppnas och kollapsar. Kristallerna börjar ofta att bildas, men när passagen kollapsar stängs vätskeflödet. Det är vid denna tidpunkt som tillväxten upphör.
Om och när passagen öppnas igen återupptas tillväxten. Denna on/off-tillväxt är i allmänhet omöjlig att upptäcka i kristaller, även om de på varandra följande utvecklingslagren i andra fall har en annan kemisk sammansättning. Detta resulterar i färgzonering.
Mineralers kristalliseringsordning
Topaskristaller bildas före kvarts i nedkylningsprocessen, eftersom en princip för kristallisering är att när temperaturen sjunker så sjunker de fasta beståndsdelar den kan hålla. Ingredienserna i jordskorpan är dock lite mer komplexa än den sockerlösning som beskrivs ovan. Olika mineraler kristalliserar från samma lösning, men vid olika temperaturer. Du kanske ser korund först, följt av topas och kvarts när lösningen fortsätter sin nedkylningsprocess.
Trycket har ingen effekt på bergsocker, men det krävs rätt kombination av temperatur och tryck för att mineralerna ska kristallisera.
Det finns dessutom två andra villkor som krävs för kristallisering – utrymme och tid. I huvudsak måste den rätta kombinationen av ingredienser, tryck och värme vara tillräckligt långvarig för att mineraler ska kunna kristallisera. Dessutom behöver de utrymme för att växa.