Ar akmenys auga: kaip gamtoje susidaro kristalai ir kodėl Naikos oloje jie siekia 11 metrų ilgį

Taip, akmenys auga, tik lėtai ir ne taip, kaip auga augalai. Meksikos Naikos oloje gipso kristalai karštame vandenyje per šimtą metų paaugo maždaug plauko storio, o didžiausias iš jų užaugo iki 11,4 metro ilgio [1][2]. Tai tas pats mineralas, iš kurio gaminamos selenito lempos ir žvakidės.

Ar akmenys auga? Auga kristalai, ir jie auga iš išorės

Kristalas – tai medžiaga, kurioje atomai išsidėstę griežta, pasikartojančia tvarka. Jis pradeda augti, kai vandenyje ištirpsta daugiau medžiagos, nei vanduo gali išlaikyti, ir perteklinės dalelės prisijungia prie jau esančio kristalo [3]. Todėl kristalas auga tik iš išorės, sluoksnis po sluoksnio, o jo lygūs paviršiai atspindi vidinę atomų tvarką. Kaip ši tvarka lemia akmens formą, skaitykite straipsnyje apie kristalų formas.

Yra ir akmenų, kurie auga kaip vientisas darinys. Konkrecija susidaro nuosėdose aplink kokį nors branduolį, pavyzdžiui, fosiliją ar mineralo grūdelį: vanduo aplink jį nusodina cementuojančią medžiagą, ir konkrecija auga nuo centro į išorę [4]. Toks darinys yra septarijus, kurio plyšius vėliau užpildė kalcitas [5]. Olose auga stalaktitai: lašas prie lubų praranda anglies dioksidą, ant jo paviršiaus nusėda plonas karbonato sluoksnis, ir kiekvienas stalaktitas pradeda augti kaip tuščiaviduris vamzdelis [6].

Kristalai gamtoje dažniausiai susidaro trimis būdais:

Iš ko susidaro	Kas vyksta	Pavyzdžiai
Magma	Ištirpusi uoliena atvėsta, ir atomai išsidėsto kristaluose	granito kvarcas ir lauko špatas, turmalinas, akvamarinas
Vandens tirpalas plyšiuose ir ertmėse	Vanduo, dažnai karštas, nusodina jame ištirpusias medžiagas	kalnų krištolas, ametistas, piritas
Garuojantis sūrus vanduo	Vanduo išgaruoja, o ištirpęs mineralas lieka	akmens druska arba halitas, gipsas, selenitas

Ketvirtas kelias – metamorfizmas: jau esama uoliena karštyje persitvarko, ir joje susidaro nauji mineralai. Taip susidarė lazuritas: klinties ar marmuro uolienoje netoli magmos įsiskverbimo vietų mineralas lazuritas pakeičia dalį uolienos [7].

Iš magmos: granitas, pegmatitai ir obsidianas

Kuo lėčiau magma atvėsta, tuo didesni išauga kristalai. Granitas sustingsta giliai po žemės paviršiumi, ir jo kvarco, lauko špato bei žėručio grūdeliai yra pakankamai dideli, kad juos būtų galima matyti plika akimi [8]. Obsidianas yra priešingas pavyzdys: lava atvėso taip greitai, kad atomai nespėjo išsidėstyti kristaliniame tinklelyje, ir susidarė vulkaninis stiklas [9]. Todėl obsidianas yra mineraloidas, o ne mineralas, ir jo lūžis turi aštrius kraštus.

Didžiausi magmos kristalai auga pegmatituose. Magmos stingimo pabaigoje joje susikaupia vanduo, kuriame ištirpę jonai. Vandenyje jie juda daug laisviau nei lydale, todėl kristalai išauga dideli [10]. Pegmatituose randama kai kurių geriausių pasaulyje turmalino, akvamarino ir topazo telkinių, taip pat čia aptinkamas kunzitas, rožinis spodumeno atmaina [5][10]. Vienas spodumeno kristalas Etos kasyklose JAV Pietų Dakotoje buvo 42 pėdų, arba apie 12,8 metro ilgio ir svėrė apie 90 tonų [10]. Jis buvo net ilgesnis už didžiausią Naikos kristalą.

Iš karšto vandens: kalnų krištolas ir piritas

Daugelis mineralų auga iš karšto vandens, tekančio plyšiais uolienose. Toks tirpalas neša ištirpusias medžiagas, ir pasikeitus temperatūrai ar vandens sudėčiai, jos nusėda ant plyšių ir ertmių sienelių. Taip susidarė garsiosios kvarco telkiniai Arkanzase: JAV Geologijos tarnyba jas apibūdina kaip ertmių užpildus, kuriuos nusodino aukštyn kylantys hidroterminiai tirpalai [11]. Skaidriausias kalnų krištolas ten yra tų kristalų viršūnėse, kurios augo netrukdomos [11].

Žmonės išmoko atkartoti šį natūralų procesą. Didžioji dalis kvarco kristalų, skirtų elektronikai ir optikai, šiandien užauginama laboratorijose iš perkaitinto vandens, kuriame ištirpintas silicio dioksidas [12]. Panašiai auginamas ir sintetinės ametistas, kuris rinkoje yra nuo bent 1970 metų ir chemiškai nesiskiria nuo natūralaus [5]. Kaip atskirti natūralų akmenį nuo stiklo ir kitų imitacijų, skaitykite straipsnyje Kaip atpažinti tikrą kristalą.

Kai kuriuose kristaluose galima pamatyti jų augimo istoriją. Fantominiame kvarce vienas kristalas užaugo ant kito, o viduje matyti ankstesnės stadijos vaiduokliškas kontūras [13]. Piritas susidaro tiek aukštoje, tiek žemoje temperatūroje, o nuosėdose jam reikia geležies, sieros ir mažai deguonies aplinkos, todėl jis dažnai randamas tamsiuose, organinėmis medžiagomis turtinguose skalūnuose ir anglyse [14]. Neapdorotus pirito ir ametisto pavyzdžius su natūraliais paviršiais rasite skiltyje Neapdoroti akmenys.

Ametisto geodos: kodėl akmens vidus yra tuščiaviduris

Geoda – tai apvalus akmuo su ertme, kurios sienas iš vidaus dengia kristalai. Vulkaninėse uolienose ši ertmė dažnai yra dujų burbulas, likęs lavoje, kai jos paviršius sustingo [4]. Vėliau per uolieną tekantis vanduo ertmėje nusodino achato sluoksnius, o po to kvarco kristalus, kurie augo nuo sienelių į centrą [4]. Todėl geoda yra tuščiavidurė: iš pradžių buvo tuštuma, o kristalai ją palaipsniui užpildė, bet dažnai ne iki galo.

Garsiausios ametisto geodos atkeliauja iš pietų Brazilijos ir kaimyninio Urugvajaus, kur jos randamos bazalto lavoje [4]. Getingeno universiteto vadovaujama tyrėjų grupė 2024 metais nustatė, kad Urugvajaus geodų ametistas kristalizavosi stebėtinai žemoje temperatūroje, tik 15–60 °C, iš vandens, kuris pagal sudėtį primena gruntinį vandenį [15]. Kai kurios geodos ten yra aukštesnės nei penki metrai [15]. Violetinę spalvą ametistui suteikia geležies priemaiša kvarce kartu su natūralia radiacija iš aplinkinių uolienų [16]. Jei ametistas kaitinamas, spalva keičiasi, ir didžioji dalis rinkoje esančio citrino yra termiškai apdorotas ametistas [5].

Ilgalaikė saulė gali išblukinti ametisto violetinį atspalvį, todėl drūzų nedėkite ant saulėtos palangės [5]. Ametisto drūzas, taip pat su plokščiu pagrindu, galite apžiūrėti skiltyje Drūzos ir geodos.

Iš garuojančio vandens: akmens druska ir selenitas

Kai sūrus vanduo išgaruoja, ištirpusios medžiagos lieka ir kristalizuojasi. Halitas arba akmens druska dažniausiai susidaro sauso klimato sąlygomis, kai išgaruoja jūros vanduo, ir šiandien ji formuojasi, pavyzdžiui, JAV Didžiajame Druskos ežere ir Negyvojoje jūroje [17]. Halite natrio ir chlorido jonai išsidėstę kubiniame tinklelyje, todėl iš druskos tirpalo užauga kubiniai kristalai [3][17].

Gipsas yra dažniausias sulfatų mineralas, o nuosėdų sluoksniuose jis dažnai randamas kartu su halitu ir anhidritu [18]. Skaidrų gipso atmainą vadina selenitu, o pluoštinę – satino špatu, ir būtent iš satino špato dažniausiai gaminamos selenito lazdelės ir lempos [5]. Maroko Aukštajame Atlase prie Marakešo triaso periodo sluoksniuose yra dideli akmens druskos ir gipso klodai [19], o mūsų parduotuvės lempos taip pat pagamintos iš natūralaus Maroko selenito. Kadangi gipsas vandenyje lėtai tirpsta, apie 2 gramus litre, selenitą valykite tik sausa šluoste [5]. Kaip išsirinkti lempą ir kur ją pastatyti, skaitykite straipsnyje Selenito lempa, o visus selenito gaminius rasite skiltyje Selenitas.

Naikos ola: kodėl ten kristalai užaugo iki 11 metrų ilgio

Naikos kasyklose šiaurės Meksikoje, Čihuahua valstijoje, yra viena svarbiausių švino ir sidabro telkinių pasaulyje [20]. 2000 metais du broliai kalnakasiai, gręždami tunelį beveik 300 metrų gylyje, atrado kalkakmenio olą, kurią skersai išilgai užpildė milžiniški gipso kristalai [20][21]. Ola buvo pavadinta Cueva de los Cristales, arba Kristalų ola. Jos kristalai siekia iki 11 metrų ilgio ir iki metro storio, daug didesni nei bet kuris anksčiau rastas gipso kristalas [20].

Ilgai nebuvo aišku, kaip tokie milžinai galėjo užaugti. Ispanijos ir Meksikos tyrėjai 2007 metais nustatė, kad kristalai augo maždaug 54 °C šiltoje, mažai sūrioje vandenyje, šiek tiek žemiau 58 °C ribos, kai anhidrito ir gipso tirpumas yra vienodas [20]. Žemiau šios ribos anhidritas, kuris kasyklose buvo nusėdęs anksčiau, tapo nestabilus ir lėtai tirpo, o į vandenį nuolat patekdavo kalcis ir sulfatas, iš kurių augo gipsas [20][22]. Tirpalas buvo tik šiek tiek persotintas, todėl naujų kristalų užuomazgų susidarydavo mažai, ir medžiaga jungėsi prie tų pačių kelių kristalų [20].

Kristalai augo itin lėtai. 2011 metais tyrėjai laboratorijoje išmatavo, kad lėčiausias Naikos gipso augimo greitis yra 14 femtometrų per sekundę, tai yra apie vieną nanometrą, arba milijardinę metro dalį, per dieną [23]. Tokiu tempu vienas milimetras užauga per kiek daugiau nei 2200 metų [23]. Ispanijos nacionalinė tyrimų taryba tai palygino su plauko storio priaugimu per šimtą metų ir apskaičiavo, kad kai kurie olos kristalai augo beveik milijoną metų [1]. Pagal Proyecto Naica tyrėjų 2009 metais paskelbtus matavimus didžiausias kristalas yra 11,40 metro ilgio, apie 5 kubinių metrų tūrio ir apytikriai 12 tonų masės [2]. Dažnai minimi 12 metrų yra suapvalinimas, o populiariuose šaltiniuose nurodytos 55 tonos [22] kelis kartus viršija apskaičiuotą masę pagal išmatuotą tūrį.

Ar žinojote? Tik keli laipsniai lėmė, ar oloje užaugs milžinai, ar tūkstančiai mažų kristalų. Tyrėjų skaičiavimai rodo, kad 44–45 °C temperatūroje nauji kristalai pradėtų formuotis per kelis mėnesius ar net dienas [20]. Todėl arčiau paviršiaus esančioje ir vėsesnėje Kardo oloje, Cueva de las Espadas, užaugo daug daugiau, bet mažesnių kristalų [20].

Oloje buvo daugiau nei 40 °C karščio ir 90–100 % drėgmės, todėl kiekvienas apsilankymas kėlė šilumos smūgio pavojų [21]. Kasyklų siurbliai vandens lygį laikė šimtais metrų žemiau natūralaus [20], o 2015 metų spalį, kai gavyba baigėsi, ola vėl buvo užlieta [24]. Tyrėjai jau 2007 metais rašė, kad po vandeniu kristalai vėl pradės augti, tik žmonėms jie nebebus pasiekiami [20].

Druskos kristalai namuose: paprastas eksperimentas

Kristalų augimą galima stebėti ir virtuvėje – tai puikus eksperimentas su vaikais. Jums reikės valgomosios druskos be jodo, distiliuoto vandens, stiklainio ir negilios lėkštutės [3].

• Suaugęs įdeda į stiklainį metalinį šaukštą, kad stiklas nesuskiltų nuo karščio, įpila karšto vandens ir po arbatinį šaukštelį beria druską, maišydamas, kol druska nustoja tirpti ir pradeda kauptis dugne. Tai yra prisotintas tirpalas [3][25].
• Kai tirpalas nusistovi, atsargiai perpilkite skaidrią dalį į lėkštutę, neištirpusios druskos palikdami stiklainyje [3].
• Padėkite lėkštutę šiltoje vietoje, kur jos niekas nepaliestų, ir stebėkite kasdien. Vandeniui išgaruojant, tirpalas tampa persotintas, ir po kelių dienų ar savaitės atsiranda kristalai [3].
• Apžiūrėkite juos padidinamuoju stiklu. Druskos kristalai yra kubiniai, nes natrio ir chlorido jonai halite išsidėstę tiesiose eilėse ir stulpeliuose [3].
• Didesniam kristalui pasirinkite gražiausią kubelį, pririškite jį prie siūlo ir įmerkite į šviežią prisotintą tirpalą, siūlą pritvirtinę prie pieštuko virš stiklinės. Kristalas augs kelias dienas ar savaites [3].

Dėl karšto vandens tirpalą ruošia suaugęs, o vaikai stiklainį liečia tik tada, kai jis atvėsta iki kambario temperatūros [25]. Druskos kristalų nevalgykite ir po eksperimento nuvalykite paviršius. Gamtoje veikia tas pats principas: Naikos oloje tik šiek tiek persotintas tirpalas ir beveik nekintanti temperatūra šimtus tūkstančių metų leido užaugti keliems milžinams, o ne daugeliui mažų kristalų [20][22].

Dažniausiai užduodami klausimai

Ar kristalai yra gyvi?

Ne. Kristalas auga todėl, kad prie jo paviršiaus prisijungia nauji atomai iš aplinkinio tirpalo ar lydalo. Jis neturi ląstelių ir medžiagų apykaitos, ir nesidaugina kaip gyvos būtybės.

Kaip greitai auga kristalai?

Greitis labai skiriasi. Druskos kristalai lėkštutėje atsiranda per kelias dienas, o Naikos gipsas augo maždaug plauko storio per šimtą metų, ir, tyrėjų skaičiavimais, kai kurie olos kristalai augo beveik milijoną metų.

Kodėl geodos vidus yra tuščiaviduris?

Ertmė buvo prieš kristalus: vulkaninėse uolienose ji dažnai yra dujų burbulas sustingusioje lavoje. Vanduo ertmėje nusodino achatą ir kvarcą, kristalai augo nuo sienelių į centrą ir dažnai jos neužpildė iki galo.

Kokio dydžio yra didžiausias kristalas Naikos oloje?

Didžiausias išmatuotas kristalas Kristalų oloje yra 11,40 m ilgio, jo tūris apie 5 m³, o apskaičiuota masė apie 12 tonų. Dažnai minimi 12 metrų yra suapvalinimas, o 55 tonos, nurodytos populiariuose šaltiniuose, kelis kartus viršija masę, apskaičiuotą pagal išmatuotą tūrį.

Ar selenito lempa pagaminta iš to paties mineralo kaip Naikos kristalai?

Taip, abu yra gipsas CaSO4·2H2O. Naikoje augo skaidrus selenitas, o lempos dažniausiai gaminamos iš pluoštinės gipso atmainos – satino špato, kuris suteikia šilkinį spindesį.

Šaltiniai

1. CSIC (Ispanijos nacionalinė tyrimų taryba). Un estudio del CSIC mide la velocidad de crecimiento de los cristales gigantes de Naica (pranešimas spaudai, 13.09.2011). https://csic.es/sites/default/files/d7/noticias/Nota%2520de%2520prensa_159.pdf
2. Badino, G. ir kt. The Naica Caves Survey. 15th International Congress of Speleology, 2009. https://laventa.it/documenti/naica-ics2009_36847.pdf
3. Penn State MRSEC. Growing Crystals (veikla vaikams). https://www.mrsec.psu.edu/education-outreach/public/nano-activities-kids/liquid-metal/growing-crystals
4. Geology.com. Geodes: How Do They Form? https://geology.com/articles/geodes/
5. FREQUENCIES akmenų enciklopedija: septarijus, kunzitas, ametistas, citrinas, selenitas (duomenys patikrinti pagal GIA, Mindat, geology.com). https://frequencies.lv/enciklopedija/
6. U.S. National Park Service. Speleothems. https://www.nps.gov/subjects/caves/speleothems.htm
7. Geology.com. Lapis Lazuli. https://geology.com/gemstones/lapis-lazuli/
8. Geology.com. Granite. https://geology.com/rocks/granite.shtml
9. Geology.com. Obsidian. https://geology.com/rocks/obsidian.shtml
10. Geology.com. Pegmatite. https://geology.com/rocks/pegmatite.shtml
11. Engel, A. E. J., 1946. The quartz crystal deposits of western Arkansas. Economic Geology 41(6) (USGS publikacijų duomenų bazė). https://www.usgs.gov/publications/quartz-crystal-deposits-western-arkansas-0
12. Geology.com. Quartz. https://geology.com/minerals/quartz.shtml
13. Minerals.net. Quartz. https://www.minerals.net/mineral/quartz.aspx
14. Geology.com. Pyrite. https://geology.com/minerals/pyrite.shtml
15. Getingeno universitetas. Mystery of Uruguay’s amethyst geodes (pranešimas spaudai, 01.10.2024). https://uni-goettingen.de/en/3240.html?id=7555
16. HyperPhysics (Georgia State University). Amethyst (citata iš Mineralogical Society of America). https://hyperphysics.gsu.edu/hbase/Minerals/amethyst.html
17. Geology.com. Halite. https://geology.com/minerals/halite.shtml
18. Geology.com. Gypsum. https://geology.com/minerals/gypsum.shtml
19. Deposits Magazine. Triassic salt in the High Atlas of Morocco (2016). https://depositsmag.com/2016/11/17/triassic-salt-in-the-high-atlas-morocco/
20. García-Ruiz, J. M. ir kt. Formación de megacristales naturales de yeso en Naica, México. Boletín de la Sociedad Geológica Mexicana, 2007 (ispaniška straipsnio versija žurnale Geology 35(4)). https://www.redalyc.org/pdf/943/94320861005.pdf
21. National Geographic Magazine. Neil Shea, Cave of Crystal Giants (2008, archyvo kopija). https://web.archive.org/web/20090906092603/https://ngm.nationalgeographic.com/2008/11/crystal-giants/shea-text/1
22. National Geographic. Giant Crystal Cave’s Mystery Solved (2007). https://www.nationalgeographic.com/science/article/giant-crystal-cave-mexico-mystery-solved
23. Live Science. Cave’s Giant Crystals Take Eons to Grow (apie Van Driessche ir kt., PNAS 2011). https://www.livescience.com/30772-giant-crystals-grow-slowly.html
24. Wikipedia. Cave of the Crystals. https://en.wikipedia.org/wiki/Cave_of_the_Crystals
25. Salt Association (JK). How to Grow a Salt Crystal. https://saltassociation.co.uk/education/chemistry-salt/how-to-grow-salt-crystal/