Hoe groeit een kristal?

Op die vraag is geen eenduidig antwoord te geven omdat verschillende mineralen op verschillende manieren ontstaan. Het gesteente waarin een mineraal ontstaat noemen we het moedergesteente of matrix.
Mineralen vormen zich als deel van dit gesteente of in holtes in het gesteente. In vulkanisch gesteente kunnen dat bijvoorbeeld gasholtes zijn die in de gestolde lava zitten. Behalve in holtes in vulkanisch gesteente vormen mineralen ook in spleten en breuken in rotsen. Een barst of spleet in een rots die helemaal is opgevuld met kristallen heet ook wel een kluft. Ook in grotten kunnen mineralen vormen. De druipsteen in grotten is eigenlijk ook een mineraal. Hierbij sijpelt het water door de steen en zet het elementen af als de druppels aan de stalactieten blijven hangen of op de stalacmieten druppelen. In sommige gevallen kunnen mineralen hele laagvlakken vormen en zijn ze nu terug te vinden als lagen in gesteente. Gips is hier een goed voorbeeld van, onder bepaalde omstandigheden kan gips lagen gesteente vormen, bijvoorbeeld als een zee droog komt te liggen, het water verdampt en het overgebleven materiaal een gipslaag gaat vormen. Of tijgerijzer dat heel lang geleden is ontstaan op de bodem van de zee door het neerslaan van ijzer en zuurstofhoudende deeltjes en dat nu als tijgerijzer aan de oppervlakte komt.

Hoe een mineraal precies groeit is per mineraal verschillend. Wel zijn er algemene regels van kristalgroei in de natuurkunde en kunnen we onderscheid maken in primaire en secundaire mineralen. Primaire mineralen vormen primair, dus na stolling in het vulkanisch gesteente met de daarin aanwezige elementen. Secundaire mineralen ontstaan vanuit verwering van minerale stoffen die daarna een nieuw mineraal vormen.

Even een klein practicum kristalgroei. Stel je eens een kopje met heet water voor. Als je zout in het water doet en doorroert lost het zout op. Dit kun je een tijdje doen, maar niet oneindig. Er komt een moment dat het water niet meer zout op kan nemen en dus verzadigd is. Als je nu blijft strooien met zout zullen de korrels zout blijven zweven in het water en daarna zinken. Ze lossen niet meer op en er is sprake van oververzadiging. Als je het kopje water met zout nu wegzet en met rust laat gaat de temperatuur dalen, het water koelt af. De omstandigheden veranderen dus. Koud water kan minder zout opnemen dan warm water dus het zout zal kleine verbindingen met elkaar gaan maken. Eerst op onzichtbaar klein moleculair niveau, maar dan steeds groter. Het gaat zoutkristallen vormen. Als je bij het afkoelen een ondergrond, bijvoorbeeld een katoenen draad, in het water hangt zal je naar verloop van tijd zien dat zich daar kristallen op gaan vormen en naarmate het water verdampt groeit je touwtje vol met zoutkristallen. Dit proces heet nucleatie, dat is wanneer een stof overgaat in een andere fase en een vaste stof gaat vormen. In dit geval een kristal. Dit hoeft niet altijd vanuit een vloeistof te gebeuren, maar kan ook in gas. Denk bijvoorbeeld aan de rijp die zich op bomen vormt bij vorst doordat lucht door afkoeling de al aanwezige waterdamp niet meer kan bevatten en deze neerslaat op een ondergrond en direct bevriest.
Om een kristal te kunnen gaan vormen is altijd een groeikern nodig van waaruit een kristal kan gaan groeien. Soms kan een kern spontaan ontstaan door nucleatie in een oplossing. Daaromheen zullen de kristallen dan gaan groeien. Soms is een kern ook iets als een verontreiniging of ander gesteente of kristal waarop de kristallen gaan groeien. Een stofdeeltje kan al een groeikern zijn, bijvoorbeeld bij regendruppels. In een vulkanische setting is dit natuurlijk geen stofdeeltje.

Als we kijken naar die gasholtes in vulkanisch gesteente, daar kunnen dus mineralen in gaan vormen. Heel bekend zijn natuurlijk de geodes met amethist en agaat. In het matrix gesteente zitten allerlei elementen, daarnaast zit er soms nog deels gas in zo’n holte en zit er water in de holte of in het gesteente wat langzaam de holte binnensijpelt. In al deze stoffen zitten elementen die onder de juiste omstandigheden, de juiste druk en temperatuur, kunnen gaan kristalliseren en de wanden van de geode kunnen gaan bedekken met kleine kristallen. Kristallen groeien nagenoeg altijd op een ondergrond dus de groei zal meestal vanaf de wand van de holte naar binnen plaats vinden. Ook groeien ze vanaf de kristalpunt en niet vanaf de aanzet. Andersom kan ook, dat in de holte een soort stalactieten vormen van waaruit de kristallen gaan groeien en ze dus vanaf het midden naar buiten gaan groeien.

Bij kristallijn gesteente, zoals bijvoorbeeld graniet, gebeurt in feite hetzelfde. In de magma soep die langzaam afkoelt ontstaan klontjes, die klontjes zijn beginnende mineralen. Een paar klontjes veldspaat, een paar klontjes kwarts, een paar klontjes mica, etc. De verschillende klontjes groeien zo lang het kan en komen dan vast tegen elkaar aan te liggen om samen een gesteente te vormen. Dit is wat bedoelt wordt met primaire kristalvorming, groei van kristallen vanuit de magma oplossing of in het daardoor ontstane gesteente.

Ook kunnen moleculen oplossen in water en op die manier op een andere plek een nieuw mineraal vormen op een al aanwezig gesteente. Secundaire mineraalvorming noemen we dat. Dat is bijvoorbeeld wat er gebeurt in de eerder genoemde druipsteengrot. Het water dat van het plafond druppelt bevat moleculen die met elkaar een minerale afzetting vormen op de plek waar de druppel neerkomt en als dit proces maar lang genoeg doorgaat ontstaan de mooiste sculpturen aan de plafonds en op de bodem van zo’n grot. Er zijn verschillende manieren waarop secundaire mineralen kunnen ontstaan. Calciet is een voorbeelden van een secundair mineraal.

Mineralen kunnen ook veranderen. Metamorfe mineralen zijn mineralen die zijn ontstaan in metamorf gesteente onder hoge druk en temperatuur. Ze zijn dus niet primair bij het afkoelen van het gesteente ontstaan, maar pas later toen de omstandigheden veranderden. Sommige granaten ontstaan zo, maar ook kyaniet en stauroliet. Lapis Lazuli is een metamorf gesteente dat uit meerdere mineralen bestaat.

De meeste mineralen zul je vinden in gesteente met een vulkanische oorsprong, dat kan stollingsgesteente zijn maar ook metamorf gesteente met een stollingsgesteente als protoliet. Wat niet wil zeggen dat in afzettingsgesteentes geen mineralen voorkomen, dat komen ze wel, maar ze zijn een stuk zeldzamer in afzettingsgesteente.
Dit is dus wat mensen die mineralen zoeken willen weten. Wat is het gesteente en hoe is het ontstaan. Dan weten ze ook of en zo ja welke mineralen ze er in kunnen verwachten. Zo weet een geoloog dat hij in een berg zandsteen niet op zoek hoeft te gaan naar amethistgeodes omdat die nu eenmaal alleen voorkomen in bepaalde vulkanische gesteentes.