Формирование драгоценных камней: как создаются драгоценные камни?

Создавайте свои собственные кристаллы

Самостоятельное изготовление кристаллов — хороший способ узнать, как растут кристаллы. Самый простой метод включает кристаллизацию сахара для получения леденцов.

• Возьмите кастрюлю с водой и всыпьте столько сахара, сколько сможете. Когда вы увидите, что он оседает на дно и больше не растворяется, вы достигли точки насыщения. Вода впитала весь сахар, какой только могла. Это состояние называется перенасыщением.

• Затем доведите кастрюлю до кипения. При закипании уровень насыщенности меняется. Раствор больше не является перенасыщенным. Теперь вы можете добавить значительно больше сахара. Итак, добавляйте больше сахара, пока снова не достигнете уровня перенасыщения.

• Снимите кастрюлю с плиты. Когда вода остынет до комнатной температуры, количество сахара, которое она может удерживать во взвешенном состоянии, вернется к прежнему уровню. Избыток сахара должен выйти из раствора. По мере того, как это происходит, они будут кристаллизоваться.

• Опустите нитку в раствор сахара, чтобы кристаллы росли на ней. (Прикрепите грузик к нижней части нитки, чтобы она оставалась прямой). Хотя сам процесс недостаточно быстрый, чтобы наблюдать его без посторонней помощи, вы будете видеть изменения в кристаллах каждые несколько минут

К тому времени, когда раствор достигнет комнатной температуры, нитку покроют кристаллы сахара. Вода снова станет перенасыщенной.

Кристаллизация минералов: основы

Это простое упражнение фактически знакомит вас с четырьмя из пяти требований, предъявляемых к кристаллизации минералов.

• Ингредиенты

• Температура

• Давление

• Время

• Космос

Внутри Земли компоненты кристаллов более сложны и многочисленны, чем наш раствор сахара. Растворы могут содержать множество различных минералов.

При достаточно высокой температуре раствор может удерживать многие минералы во взвешенном состоянии. При понижении температуры количество твердых ингредиентов, которые он может удерживать во взвешенном состоянии, также падает. Когда это происходит, образуются кристаллы. Фактически, разные минералы в одном и том же растворе будут кристаллизоваться при разных температурах. Например, корунд может кристаллизоваться первым. По мере остывания раствора следующим может образоваться топаз, затем кварц.

Давление не влияет на формирование каменной крошки. Однако для кристаллизации минералов требуется правильное сочетание давления и температуры. Драгоценные камни, которые кристаллизуются под землей, обычно требуют очень высоких давлений и температур.

Время и пространство — это довольно простые требования. Правильное сочетание ингредиентов, тепла и давления должно длиться достаточно долго, чтобы минералы успели кристаллизоваться. Им также нужно пространство для роста. Очевидно, что вы не можете вырастить кристалл длиной 3 см в полости длиной всего 3 мм.

Подземная среда

Давайте взглянем на существующие под землей условия, которые делают возможной кристаллизацию и образование драгоценных камней.

Толщина земной коры варьируется от 3 миль (около 4,8 км) под морским дном до 25 миль (около 40 км) под континентами. Под земной корой находится мантия толщиной примерно 1860 миль (около 2993 км). Мантия составляет 83% объема Земли. Она состоит из расплавленной породы, называемой магмой. В тех редких случаях, когда они достигают поверхности, мы называем это лавой. Мантия наиболее горячая вблизи центра Земли, и тепловые потоки поддерживают ее в постоянном движении.

Кора и мантия встречаются в зоне бурных процессов с высокими давлениями и температурами. Несколько пластин образуют кору и плавают на жидкой мантии. Сталкиваясь друг с другом, одни из них опускаются вниз, в то время как другие поднимаются в горы. Магма также находится в постоянном движении. Ее движение и давление постоянно воздействуют на нижнюю часть земной коры, вызывая износ и трещиноватость. В результате горные породы отделяются от земной коры и уносятся жидкой магмой. Большая часть этого горного материала плавится, изменяя химический состав близлежащей магмы. Некоторым из более мелких частиц суждено стать включениями в будущие драгоценные камни.

Нижняя поверхность земной коры, сильно изломанная, содержит многочисленные полости. Жидкости, вытекающие из магмы, проходят через эти трещины и полости. Здесь мы находим подходящие условия для роста кристаллов. Жидкости, богатые химическими веществами, обеспечивают необходимые ингредиенты. Полости обеспечивают пространство для роста. Температура и давление здесь высокие. По мере прохождения жидкости через корку она охлаждается настолько, что происходит кристаллизация. Единственное оставшееся требование — это время.

Как перерывы в росте кристаллов влияют на формирование драгоценных камней

Вы могли бы подумать, что с геологической точки зрения времени было бы более чем достаточно для образования кристаллов. Однако в этой крайне неспокойной среде проходы постоянно открываются и разрушаются. Часто кристаллы начинают формироваться, затем канал, подающий богатую минералами жидкость в полость, закрывается. На этом этапе весь рост прекращается.

Если проход снова откроется, рост возобновится. В большинстве случаев эта закономерность периодического роста в кристалле незаметна. Однако в некоторых случаях это имеет заметные эффекты.

Цветовое зонирование

Иногда последовательные слои роста будут иметь несколько иной химический состав. Когда это происходит, вы можете увидеть цветовую зональность в кристалле.

Побратимство

Иногда новые слои будут иметь другую ориентацию. Это вызывает двойникование.

Расставание

В некоторых кристаллах с двойникованием новые слои не полностью соединяются друг с другом. Например, когда вы видите пробор на звездчатом рубине, слои не соединялись.

Образцы кристаллов, состоящие из различных минералов

Даже если закрытый канал снова откроется и жидкость снова попадет в полость, поверх существующего материала может кристаллизоваться совершенно другой минерал. Действительно, температура, давление и химический состав жидкого раствора часто меняются с течением времени. В разных условиях внутри полости образуются разные кристаллы минералов. При вскрытии месторождения вы обычно увидите разные минералы, покрывающие более ранние слои.

Включения

Такие изменения условий внутри полости также являются одной из причин включений драгоценных камней. Новый кристалл может начать расти на более старом и крупном кристалле только для того, чтобы остановить процесс его роста. Если условия, позволяющие исходному кристаллу расти, возобновятся, более старый кристалл вырастет поверх более нового.

Иногда два разных минерала кристаллизуются одновременно. Если один оторвется и начнет расти быстрее, он поглотит другой. Вот так кристаллы пирита оказываются внутри изумрудов.

При других условиях в кристалле могут существовать химические примеси. При изменении температуры и / или давления примеси могут кристаллизоваться внутри самого кристалла-носителя. (По сути, основной кристалл действует как полость, удерживающая ингредиенты, которым просто нужны правильные условия для самокристаллизации). Так рутил образуется внутри кварца и корунда.

Фантомы

В некоторых редких ситуациях могут возникать фантомные кристаллы или включения. Это происходит, когда на прозрачном кристалле вырастает новый слой кристаллов. Например, тонкий слой полевого шпата может покрывать кристалл кварца. Впоследствии условия снова меняются, и рост исходного прозрачного кристалла возобновляется. На этот раз полевой шпат покрывает новый слой кварца. Полученный драгоценный камень демонстрирует очертания этого тонкого вторичного кристаллического слоя в виде нечеткой формы, похожей на почти прозрачное привидение или фантом, отсюда и название.

Заживление переломов

Во время грубых и резких изменений в земной коре многие кристаллы разрушаются. Однако при наличии условий для роста материал может просачиваться в трещины и кристаллизоваться. По сути, это «залечивает» трещину, срастая кристалл обратно. Однако эти трещины никогда не заживают полностью. Мелкие полости, заполненные газом, остаются в предыдущем зазоре. Мы называем этот тип включений заживающей трещиной. Оставшиеся мелкие полости могут напоминать отпечатки пальцев, поэтому геммологи также называют эти включения «отпечатками пальцев».

Штамм

Огромное давление в подземной среде при формировании драгоценных камней сжимает многие кристаллы сверх их естественного размера. Это напряжение также может сделать камень склонным к поломке. Турмалины, гранаты и даже бриллианты могут иметь такой уровень деформации. Многие огранщики кладут эти камни на круг только для того, чтобы они разбились. Силы внутри камня буквально заставляют его взрываться.

Геологические процессы и образование драгоценных камней

Геммологи теперь довольно хорошо разбираются в кристаллизации минералов. Достижения в геологии, а также в производстве синтетических драгоценных камней раскрыли некоторые из этих тайн природы. (Создание драгоценных камней в лабораториях предполагает имитацию условий, существующих под землей, что лишь значительно сокращает необходимое время).

Традиционно нас учили, что существует три вида процессов образования горных пород:

• Магматические породы образуются под воздействием тепла глубоко в недрах Земли.

• Метаморфические породы образуются, когда условия нагрева и давления превращают существующие минералы во что-то новое.

• Осадочные породы образуются из отложений осадочных пород.

Сегодня геологи предпочитают описывать образование горных пород как включающее четыре процесса:

• Расплавленная порода и сопутствующие жидкости

• Изменения в окружающей среде

• Поверхностные воды

• Образование драгоценных камней в мантии Земли

Мы рассмотрим, как каждый из этих процессов влияет на формирование драгоценных камней.

Несмотря на наши знания, процесс образования минералов и драгоценных камней не прост и не однозначен. Минералы и драгоценные камни непрерывно разрушаются и воссоздаются в «Горном цикле», изображенном на таблице ниже.

Расплавленная порода и сопутствующие жидкости

Технически драгоценные камни редко образуются в самой земной магме. Скорее, они образуются из вытекающих из нее жидкостей, таких как драгоценные камни из гидротермальных месторождений и пегматитов. Сначала мы рассмотрим два исключения из этого процесса: кристаллизацию магмы и газа.

Кристаллизация магмы

Магма содержит множество элементов. При охлаждении элементы соединяются, образуя минералы. Какой именно минерал зависит от доступных ингредиентов, температуры и давления. Каждый раз, когда образуется один минерал, доступные ингредиенты меняются (поскольку некоторые ингредиенты превращаются в кристаллы). Поскольку магма проходит различные стадии изменения температуры, давления и химического состава, образуются разные минералы.

Агрегаты

Однако, если условия не будут подходящими, кристаллы не будут формироваться. Вместо этого магма просто остынет, превратившись в твердую массу мелких взаимосвязанных кристаллов — то, что геммологи называют агрегатом.

Вкрапленники

В некоторых случаях один минерал хорошо кристаллизуется. Затем, прежде чем успеют образоваться новые кристаллы, магма найдет брешь в земной коре и устремится к поверхности. Здесь давление и температура слишком низкие, чтобы обеспечить кристаллизацию. Вместо этого остальная часть магмы охлаждается до мелкозернистых пород, при этом исходные кристаллы распределены по всей внутренней поверхности. Они называются вкрапленниками.

Корунд, лунный камень, гранат и циркон часто встречаются в виде вкрапленников. В округах Чантабури и Трат в Таиланде есть большие залежи вкрапленников рубина и сапфира.

Кристаллизация алмазов

Алмазы кристаллизуются при температурах, более высоких, чем у других минералов. Теперь ученые считают, что большинство алмазов может образовываться в магме, вблизи земной коры, где она наиболее холодная. Если это правда, это также означает, что условия для кристаллизации алмазов наиболее распространены под землей. Алмазы на самом деле могут быть самыми распространенными кристаллами в Земле. Просто до них нелегко добраться. (Более подробно мы обсудим формирование драгоценных камней позже в этой статье).

Газовая кристаллизация

Вы когда-нибудь задумывались, почему некоторые кристаллы имеют двойное окончание, в то время как у большинства отломано основание? Большинство кристаллов растут на твердой основе из других минералов. Однако некоторые на самом деле растут внутри пузырьков газа! Эти драгоценные камни образуются после того, как магма достигла поверхности. Во время извержения вулкана поднимающаяся магма подвергается быстрому снижению давления. При этом образуются пузырьки газа — точно так же, как при извлечении пробки из бутылки шампанского.

Иногда эти пузырьки содержат высокие концентрации определенных элементов. При достаточно длительном сочетании температуры и давления образуются кристаллы с двойными концами.

Одними из наиболее известных примеров газовой кристаллизации являются так называемые «алмазы Херкимера». Эти кристаллы кварца получили первую половину своего прозвища от своего источника, Херкимер, Нью-Йорк. Для некоторых любителей драгоценных камней прозрачная, как вода, прозрачность и форма этих драгоценных камней напоминают бриллианты, отсюда и вторая половина их прозвища. (Конечно, кварцевые камни — это не бриллианты).

Гранат, топаз и шпинель также могут образовываться в результате газовой кристаллизации.

Гидротермальные месторождения

Как следует из названия, гидротермальная кристаллизация включает воду и тепло. Когда вода просачивается сквозь Землю, она растворяет минералы. (Точно так же, как это было с сахаром в ваших леденцах). Глубоко внутри Земли они встречаются с магмой. Затем из магмы выделяются особые жидкости, которые содержат воду, углекислый газ и летучие вещества (вещества, выделяющие газ).

Эти гидротермальные флюиды движутся через трещины в земной коре. По пути они могут растворять минералы или соединяться с другими грунтовыми водами. Эти богатые минералами флюиды начинают охлаждаться в «жилах». При правильном сочетании температуры, давления, времени и пространства образуются кристаллы.

Гидротермальные месторождения особенные, потому что в них могут содержаться комбинации элементов, не встречающиеся больше нигде. Одним из важнейших гидротермальных месторождений драгоценных камней является изумрудное месторождение Музо в Колумбии.

Пегматиты

Магма в верхней части мантии иногда концентрируется с летучими веществами. Эта богатая летучими веществами магма иногда вытесняется в полость, где охлаждается и превращается в пегматит. Пегматиты отличаются от гидротермальных жил, поскольку в качестве основного агента выступает магма, а не вода.

Изменения в окружающей среде

Внутри Земли существуют огромные напряжения. При правильных условиях температура и давление могут повыситься до такой степени, что существующие минералы не смогут оставаться стабильными. Это может привести к превращению минералов в разные виды без плавления. Это известно как метаморфизм.

Существует два типа метаморфизма: контактный и региональный.

Контактный метаморфизм

Контактный метаморфизм происходит, когда магма проникает в существующую горную породу. Под воздействием сильного нагрева существующие породы начинают плавиться и в конечном итоге перекристаллизовываются в новые породы. Они стабильны при более высоких температурах.

Региональный метаморфизм

Региональный метаморфизм происходит в гораздо более широких масштабах, чем контактный. Он затрагивает гораздо большее разнообразие минералов.

Большие куски, называемые «континентальными плитами», составляют поверхность Земли. Они плавают в мантии и в геологическом масштабе времени движутся. Однако не все они движутся в одном направлении. Некоторые из них даже конкурируют за одно и то же пространство. Когда эти огромные конструкции прижимаются друг к другу, одну засовывают под нее, а другую выталкивают наверх. Это основной метод строительства гор на нашей планете.

Там, где эти массивы суши сходятся вместе, существуют огромные силы сжатия. Это создает зону интенсивного нагрева и давления. Когда температура приближается к точке плавления горных пород, минералы в этом районе становятся нестабильными. Со временем (возможно, миллионы лет) они превращаются в новые виды.

Восточная Африка является прекрасным примером области регионального метаморфизма. Некоторые минералы, найденные здесь, больше нигде не встречаются, такие как танзанит и цаворит коммерческого качества.

Как изменяются виды минералов

Чтобы понять некоторые изменения, происходящие с минералами в процессе метаморфизма, помните о том, что определяет разновидность минерала: как о его химической формуле, так и о кристаллической структуре. Иногда во время метаморфизма минерал изменяет одно из этих свойств, но не другое. Это все еще представляет собой изменение вида. Такие изменения создают виды, известные как полиморфы и псевдоморфы.

Полиморфы

Минералы, которые имеют одинаковый химический состав, но разную кристаллическую структуру, называются полиморфами. Полиморфные пары минералов иногда называют диморфами или диморфными.

Например, андалузит, кианит и силлиманит имеют одинаковый химический состав — Al₂SiO₅. Во время метаморфизма они регулярно превращаются друг в друга, когда их химические компоненты перекристаллизовываются в новые кристаллические структуры. Таким образом, они превращаются в разные, но полиморфные виды.

Псевдоморфы

Минералы, которые меняют химический состав без изменения своей внешней кристаллической формы, называются псевдоморфами.

Во время метаморфизма некоторые минералы могут изменять химический состав, но перекристаллизовываться в своих обычных кристаллических формах, не проявляя аномальных свойств. Однако иногда химический состав кристалла меняется без перекристаллизации. Эти уникальные минералы называются псевдоморфами. Псевдоморф — это атом за атомом замена одного минерала другим без изменения внешней формы исходного минерала.

Тигровый глаз — яркий пример псевдоморфа. В этих драгоценных камнях кварц заменил исходный крокидолит (разновидность асбеста), но они сохраняют волокнистую структуру крокидолита.

Марказит может псевдоморфироваться в пирит, гипс, флюорит и гетит.

Азурит часто псевдоморфизуется в малахит, в результате чего получается идеальная форма кристалла азурита, состоящего из малахита.

Когда минерал образуется как псевдоморф, его описывают как новый минерал «после» оригинала. Таким образом, мы можем встретить «пирит после марказита», «гипс после марказита», «малахит после азурита» и т.д.

Поверхностные воды

Дождь играет важную роль в переработке минералов. Эрозия разрушает горные породы и перемещает их в новые места. Попадая на землю, дождевая вода способствует образованию новых драгоценных камней.

Образование ископаемых

Когда вода проходит через Землю, она собирает химические вещества, которые превращают ее в слабую кислоту. При нагревании или смешивании с нужными химическими веществами она может вызвать сильную коррозию. Это придает воде способность растворять еще больше минералов. По мере того, как вода просачивается сквозь Землю, она также впитывает многие ингредиенты. Временами она становится слишком насыщенной, чтобы переносить ее дальше, поэтому излишки остаются в трещинах и порах существующих пород. Именно так создаются окаменелости и окаменелая древесина.

В других условиях вода сталкивается с сочетаниями минералов, которые вызывают химическую реакцию. Растворенные минералы затем откладываются в виде новых минералов в швах и полостях. Так создаются опал, бирюза, азурит и малахит.

Образование опала

В меловой период большая часть центральной Австралии была покрыта внутренним морем. Когда оно высохло, на территории остались пески, богатые кремнеземом. Миллионы лет дождь растворял кремнезем. Во время жаркого, сухого лета грунтовые воды испаряются до такой степени, что оставшаяся вода не может удерживать кремнезем во взвешенном состоянии. Избыток откладывается в швах и полостях, недалеко от поверхности. Эти отложения кремнезема представляют собой опал.

Минералы, переносимые водой, могут создавать цвета драгоценных камней

Некоторые драгоценные камни приобретают свой цвет в основном за счет минералов, необходимых для их химического состава. Например, бирюза, азурит и малахит получают свой цвет за счет меди, приносимой водой. Богатая медью вода должна проходить через известняк, чтобы образовался азурит или малахит. Бирюза также требует, чтобы вода по пути впитывала некоторое количество фосфора.

Драгоценные камни образуются в мантии Земли

Наши знания о мантии Земли все еще довольно ограничены. Однако данные показывают, что некоторые драгоценные камни действительно образуются в мантии. Для этого им необходимо кристаллизоваться при чрезвычайно высокой температуре. Наиболее заметными примерами драгоценных камней, образовавшихся в мантии Земли, являются алмаз и перидот. (Как ни странно, оба этих драгоценных камня также могут встречаться внеземным путем. Оба были найдены в метеоритах).

Образование драгоценных камней из перидота

Изучая месторождения перидота в Аризоне, геологи теперь полагают, что некоторые перидоты образовались на камнях, плавающих в мантии, примерно в 20-55 милях (примерно 32-89 км) под поверхностью. Взрывное извержение приблизило их к поверхности Земли. Впоследствии выветривание и эрозия, наконец, вынесли их достаточно близко к поверхности, чтобы люди могли их найти.

Формирование драгоценных камней с бриллиантами

Образование алмазов лучше изучено. Как упоминалось ранее, большинство алмазов на самом деле кристаллизуется в магме под земной корой. Однако магматические образования, в которых они обнаружены, имеют другой химический состав. Они могут поступать с больших глубин, от 110 до 150 миль (примерно от 177 до 241 км) ниже поверхности. На этой глубине температура выше, а магма очень текучая.

Эта горячая и текучая магма может пробиваться сквозь кору быстрее и яростнее, чем другие вулканические извержения. В ходе этого процесса она разрушает породы нижней мантии и затем выносит их на поверхность.

Если бы магма поднималась медленнее, алмазы, вероятно, не сохранились бы. Изменение температуры и давления привело бы к их испарению или перекристаллизации в графит. Скорость подъема магмы может быть настолько высокой, что алмазы не успевают трансформироваться.

Как горообразование и эрозия выносят драгоценные камни на поверхность

Как мы только что обсуждали, несколько типов драгоценных камней всплывают на поверхность во время извержений вулканов. Однако как насчет множества других, которые кристаллизуются глубоко под землей? Большинство из этих драгоценных камней попадают на поверхность в результате горообразования и эрозии. На протяжении длительных периодов времени движение континентальных плит вызывает подъем гор. Затем годы выветривания разрушают горы, оставляя залежи драгоценных камней вблизи поверхности. Конечно, этот процесс занимает много миллионов лет.