Kristal vorming
Kristallen groeien door de aanvoer van nieuwe bouwstenen. Diep in de aardkorst zorgen vloeistoffen voor het transport van deze bouwstenen. Onder de juiste omstandigheden kristalliseren zij laag na laag uit tot meest prachtige vormen.
Kristallen ontstaan wanneer een oplossing of smelt over gaat in een vaste stof met een kristalrooster, het zogenoemde uitkristalliseren, of in het geval van water, bevriezen. Het is zonder uitzondering het gevolg van een daling van druk en/of temperatuur en/of verdamping waardoor een oplossing verzadigd raakt. Veruit het meeste gesteente ontstaat door het stollen van magma diep in de aardkorst. De kristallen die als eerste ontstaan zullen nog een mooie kristalvorm behouden. De laatste kristallen vullen de overgebleven ruimte tussen de bestaande kristallen op waarna een massief materiaal overblijft zonder herkenbare kristalvormen, een gesteente.
De andere optie is het neerslaan van materiaal wat opgelost is in een vloeistof. Vloeistof kan in dit geval van alles zijn. We zijn geneigd te denken dat dit water is, en dat is het in de meeste gevallen ook. Maar vaak niet het water zoals het uit de kraan komt. In grotten en spleten in het gesteente waar water doorheen loopt worden mineralen afgezet. Op dezelfde manier als waarop de kalkaanslag in je waterkoker of douche zich vormt. Water verdampt, alles wat opgelost zit in het water blijft achter.
Veel mineralen vormen zich door afkoelen van water met opgeloste stoffen. Hoe heter het water hoe meer erin opgelost kan zijn. Wanneer deze oplossing afkoelt, kan het water de opgeloste stoffen niet meer in oplossing houden en kunnen deze neerslaan als kristallen. Dit is een veel voorkomend scenario in de natuur. Dit is voornamelijk het geval voor mineralen die relatief dicht aan de oppervlakte ontstaan. Het water wordt op grote diepte, waar hogere druk en temperaturen heersen, aangereikt met mineralen die zich hoger, waar het koeler is en minder druk heerst, weer afzetten. Dit type afzettingen noemt men daarom ook wel hydrothermaal.
Schematische weergave van kristalgroei door afkoeling. Naar mate de tijd vordert koelt het materiaal af waardoor het materiaal niet langer opgelost kan zijn en neerslaat als kristallen.
Wanneer water wordt verhit tot 100 graden gaat het over in waterdamp en vervliegt. De enige manier om dit te voorkomen is zorgen dat deze waterdamp niet kan ontsnappen. Als gevolg hiervan zal de druk enorm toenemen. Door deze druk neemt ook het oplossend vermogen van water toe. wanneer dit water wordt verhit tot 450 graden wordt het water zo hoog oplossend dat het zich gedraagt als een agressief zuur. Er kunnen grote hoeveelheden materiaal in opgelost zijn. Wanneer de temperatuur daalt of de druk afneemt zal hieruit kristallijn materiaal ontstaan. Dit betekend niet automatisch dat hierbij ook grote perfecte kristallen gevormd worden. Maar niet alleen water kan dienst doen als medium waaruit kristallen kunnen groeien. Elke vloeistof met een oplossend vermogen is geschikt. Voorbeelden zijn vloeibaar CO2 , zwavelwaterstof en anorganische koolwaterstoffen als aardolie of methaan.
Om de vorming van grote kristallen makkelijker te maken is er nog een belangrijk onderdeel nodig, de aanwezigheid van fluxen. Fluxen zijn vrije ionen van elementen als fluor, borium, fosfor, lithium, waterstof, koolstof en andere. Deze hebben twee functies, ze bevorderen het oplossend vermogen van vloeistoffen en zij zorgen voor een stabielere kristalgroei waardoor er grote heldere kristallen kunnen ontstaan.
Toermalijn kristal op kwarts. Deze heldere kristallen ontstaan mede door de invloed van fluxen.
Vloeistoffen en magma zijn niet het enige medium waaruit mooie kristallen vormen. Kristallen kunnen ook uit gassen neerslaan. Langs kraters van vulkanen worden diverse mineralen uit hete gassen afgezet. Ook hier geldt weer dat hoge druk en temperatuur het oplossend vermogen van gassen verhoogd. Wanneer een van de twee wegvalt, zullen de opgeloste stoffen neerslaan als kristallen.
De meest geziene vorm van kristalgroei uit gassen is de vorming van rijp tijdens een koude winternacht. Hierbij worden grote hoeveelheden kristallen gevormd doordat de temperatuur daalt waardoor er veel minder water in de lucht opgelost kan blijven en dit neerslaat als kristallen van ijs.
Dit proces kan zich ook omkeren. In het geval van ijs smelt het en heb je weer water. Nagenoeg alle mineralen smelten pas bij hoge temperaturen. Ondanks dat kunnen zij weer oplossen wanneer zij worden blootgesteld aan agressieve vloeistoffen als zuren of basen of gewoon water onder hoge druk en temperatuur. Hierdoor wordt het proces van kristalgroei omgekeerd. Opmerkelijk is dat kristallen die oplossen dat volgens een patroon doen waardoor hele bijzondere vormen kunnen ontstaan. Dit soort aangevreten kristallen noemt men ook wel geëtste kristallen.
Twee spodumeen kristallen waarbij de linker nog de ideale vorm heeft. De rechter is door geologische processen gedeeltelijk opgelost waarbij alleen de zuiverste delen nog bewaard zijn gebleven.
Een van de meest gehoorde vragen is: Hoe oud zijn kristallen? In sommige gevallen zijn ze net zo oud als het gesteente waarin ze gevonden worden, soms zelfs ouder. De oudste gevonden kristallen zijn zirkoon kristallen die snel na de vorming van de aarde zijn ontstaan. Deze zijn ruim 4 miljard jaar oud. Dit kan bepaald worden door de isotopen van lood en uranium in de zirkoon te vergelijken.
De meeste kristallen groeien in holtes die ontstaan nadat het moedergesteente gevormd is. Daarmee zijn zij altijd jonger. Veel mineralen zijn pas ontstaan na de enorme toename van zuurstof in de atmosfeer en het ontstaan van plaattektoniek als gevolg van een dikker wordende aardkorst door afkoeling. Hierdoor zijn de meeste kristallen jonger dan 500 miljoen jaar. Aquamarijn kristallen uit Brazilië zijn bijvoorbeeld 350 miljoen jaar oud. Dezelfde exemplaren uit Noord Pakistan "slechts" 14 miljoen jaar wat geologisch gezien erg jong is.
Betekend dit dat kristallen er ook zo lang over doen om te groeien? Nee. Kristallen kunnen zeer snel groeien. IJs kristallen van een meter lang kunnen in 1 nacht ontstaan op een vijver. Kristalgroei kan zo snel gaan dat het letterlijk niet te filmen is. Onderzoek heeft uitgewezen dat de grote heldere kristallen van kwarts, topaas en toermalijn onder de juiste omstandigheden ongeveer 2 cm per dag groeien. Dat is in een oogwenk vergeleken met de langzame geologische processen die de kristallen aan de oppervlakte brengen. De snelheid waarmee kristallen groeien is van veel factoren afhankelijk. Hoe sneller een kristal groeit hoe kleiner de kans op verstoringen van de kristalgroei. Daarom bevatten pegmatieten ook relatief veel heldere kristallen omdat de kristalgroei hier snel, maar niet te snel, verliep en veel fluxen aanwezig zijn. Als het te hard gaat ontstaan er skelet kristallen die hol zijn doordat de ribben het snelst groeien zoals het kunstmatige kristal hieronder.
Een kunstmatig gegroeid bismut kristal. Deze vertoont mooi de skelet groei waarbij de ribben het snelst gegroeid zijn. Natuurlijke kristallen van bismut zien er totaal anders uit.