Kas kivid kasvavad: kuidas kristallid looduses tekivad ja miks need Naica koopas on 11 meetrit pikad

Jah, kivid kasvavad, kuid aeglaselt ja mitte samamoodi nagu taimed. Mehhiko Naica koopas kasvasid kipskristallid kuumas vees umbes juuksekarva jämeduse võrra saja aasta jooksul ning suurim neist kasvas 11,4 meetri pikkuseks [1][2]. See on seesama mineraal, millest valmistatakse seleniidi lampe ja küünlajalgu.

Kas kivid kasvavad? Kasvavad kristallid ja need kasvavad väljastpoolt

Kristall on aine, milles aatomid on paigutatud kindlasse, korduvasse struktuuri. Kristalli kasv algab siis, kui vees on lahustunud rohkem ainet, kui vesi suudab hoida, ning üleliigsed osakesed liituvad juba olemasoleva kristalliga [3]. Seetõttu kasvab kristall ainult väljastpoolt, kiht kihi haaval, ning selle siledad tahud peegeldavad aatomite korda seespool. Kuidas see kord määrab kivi kuju, loe artiklist kristallide vormid.

On ka kive, mis kasvavad tervikliku moodustisena. Konkreet tekib setetes mingi tuuma, näiteks fossiili või mineraaliterakese ümber: vesi sadestab selle ümber tsementeerivat ainet ning konkreet kasvab keskelt väljapoole [4]. Selline moodustis on septaaria, mille praod on hiljem täitunud kaltsiidiga [5]. Koopas kasvavad stalaktiidid: tilk lae all kaotab süsihappegaasi, selle pinnale sadestub õhuke karbonaadikihike ning iga stalaktiit hakkab kasvama õõnsa torukesena [6].

Looduses tekivad kristallid enamasti kolmel viisil:

Millest tekib	Mis toimub	Näited
Magma	Sulanud kivim jahtub ning aatomid paigutuvad kristallidesse	graniidi kvarts ja põldpaat, turmaliin, akvamariin
Vee lahus pragudes ja õõnsustes	Vesi, sageli kuum, sadestab sinna lahustunud ained	mäekristall, ametüst, püriit
Aurustuv soolvesi	Vesi aurustub ning lahustunud mineraal jääb järele	kivisool ehk haliit, kips, seleniit

Neljandaks viisiks on moondeprotsess: juba olemasolev kivim muutub kuumuse mõjul ning sinna tekivad uued mineraalid. Nii on tekkinud lasuriit: lubjakivis või marmorist magma läheduses asendab lasuriit osa kivimist [7].

Magmast: graniit, pegmatiidid ja obsidiaan

Mida aeglasemalt magma jahtub, seda suuremad kristallid kasvavad. Graniit tardub sügaval maa all ning selle kvartsi, põldpaadi ja vilgukivi terad on piisavalt suured, et neid palja silmaga näha [8]. Obsidiaan on vastupidine näide: laava jahtus nii kiiresti, et aatomid ei jõudnud kristallvõresse paigutuda ning tekkis vulkaaniline klaas [9]. Seetõttu on obsidiaan mineraloid, mitte mineraal, ning selle murd on teravate servadega.

Suurimad magmakristallid kasvavad pegmatiitides. Magma tardumise lõpus koguneb sinna vesi, milles on lahustunud ioone. Veekeskkonnas liiguvad need palju vabamalt kui sulas, mistõttu kristallid kasvavad suureks [10]. Pegmatiitidest on leitud maailma parimaid turmaliini, akvamariini ja topaasi leiukohti ning seal esineb ka kuntsiiti, spodumeeni roosat varianti [5][10]. Üks spodumeeni kristall USA Lõuna-Dakota Eta kaevanduses oli 42 jalga ehk umbes 12,8 meetrit pikk ja andis umbes 90 tonni spodumeeni [10]. See oli isegi pikem kui Naica suurim kristall.

Kuumast veest: mäekristall ja püriit

Paljud mineraalid kasvavad kuumast veest, mis voolab kivimite pragudes. Selline lahus kannab lahustunud aineid ning temperatuuri või vee koostise muutudes sadestuvad need pragude ja õõnsuste seintele. Nii on tekkinud kuulsad kvartsi leiukohad Arkansases: USA Geoloogiakeskus kirjeldab neid kui õõnsuste täiteid, mille on sadestanud ülespoole liikuvad hüdrotermilised lahused [11]. Kõige puhtam mäekristall on seal nende kristallide tippudes, mis kasvasid takistusteta [11].

Inimesed on õppinud seda looduslikku protsessi jäljendama. Enamik kvartskristalle elektroonika ja optika jaoks kasvatatakse tänapäeval laborites ülekuumutatud veest, milles on lahustatud ränidioksiid [12]. Sarnaselt kasvatatakse ka sünteetilist ametüsti, mis on turul olnud vähemalt 1970. aastast ning keemiliselt ei erine looduslikust [5]. Kuidas eristada looduslikku kivi klaasist ja muudest imitatsioonidest, loe artiklist Kuidas ära tunda ehtsat kristalli.

Mõnes kristallis on näha selle kasvamise ajalugu. Fantoom kvartsis on üks kristall kasvanud üle teise ning seespool on näha varasema staadiumi kummituslik kontuur [13]. Püriit tekib nii kõrgel kui madalal temperatuuril ning setetes vajab see rauda, väävlit ja vähese hapnikuga keskkonda, mistõttu seda leidub sageli tumedates, orgaanilise ainega rikastes kiltkivides ja söes [14]. Töötlemata püriidi ja ametüsti näidiseid looduslike tahkudega leiate rubriigist Töötlemata kivid.

Ametüsti geoodid: miks on kivi sisemus õõnes

Geood on ümmargune kivi õõnsusega, mille seinu katavad seestpoolt kristallid. Vulkani kivimites on see õõnsus sageli gaasimull, mis jäi laavasse, kui selle pind tardus [4]. Hiljem sadestas kivimit läbiv vesi õõnsusse ahhaadi kihid ja seejärel kvartskristallid, mis kasvasid seintelt keskme suunas [4]. Seetõttu on geood õõnes: esmalt oli tühjus ning kristallid täitsid seda järk-järgult, kuid sageli mitte lõpuni.

Tuntuimad ametüsti geoodid pärinevad Brasiilia lõunaosast ja naaberriigist Uruguayst, kus need asuvad basaltilaava voogudes [4]. Göttingeni Ülikooli juhitud teadlaste rühm selgitas 2024. aastal, et Uruguay geoodide ametüst kristalliseerus üllatavalt madalal temperatuuril, vaid 15 kuni 60 °C, veest, mis koostiselt sarnaneb põhjaveega [15]. Mõned geoodid on seal üle viie meetri kõrged [15]. Ametüstile annab violetse värvi raua lisand kvartsi koos loodusliku kiirgusega ümbritsevatest kivimitest [16]. Kui ametüsti kuumutada, muutub selle värvus ning enamik turul olevast tsitriinist on termiliselt töödeldud ametüst [5].

Pikaajaline päikesevalgus võib ametüsti violettset tooni pleegitada, seetõttu ärge asetage druusasid päikeselisele aknalauale [5]. Ametüsti druusasid, ka lameda põhjaga, saate vaadata rubriigis Druusid ja geoodid.

Aurustuvast veest: kivisool ja seleniit

Kui soolvesi aurustub, jäävad lahustunud ained järele ja kristalliseeruvad. Haliit ehk kivisool tekib tavaliselt kuivas kliimas, kus aurustub merevesi, ning tänapäeval moodustub see näiteks USA Suures Soolajärves ja Surnumeres [17]. Haliidis on naatriumi- ja kloriidioonid paigutatud kuupvõresse, mistõttu kasvavad soolalahusest kuubilised kristallid [3][17].

Kips on kõige levinum sulfaatmineraal ning setete kihtides leidub seda sageli koos haliidi ja anhüdriidiga [18]. Kipsi läbipaistvat varianti nimetatakse seleniiidiks, kiulist aga satiinpaadiks ning just satiinpaadist valmistatakse tavaliselt seleniidi vardaid ja lampe [5]. Maroko Kõrg-Atlase Triiase ajastu kihtides Marrakechi lähedal leidub suuri kivisoola ja kipsi varusid [19], ning meie poe lambid on samuti valmistatud looduslikust Maroko seleniidiist. Kuna kips lahustub vees aeglaselt, umbes 2 grammi liitri kohta, puhastage seleniiti ainult kuiva lapiga [5]. Kuidas lampi valida ja kuhu see paigutada, loe artiklist Seleniidi lamp, kuid kõik seleniidi esemed leiate rubriigist Seleniit.

Naica koobas: miks kasvasid seal kristallid 11 meetri pikkuseks

Naica kaevandused Mehhiko põhjaosas, Chihuahua osariigis, on üks maailma olulisemaid plii ja hõbeda leiukohti [20]. 2000. aastal avastasid kaks vennast kaevurit, puurides tunnelit peaaegu 300 meetri sügavusel, lubjakivikoopa, mille täitsid hiiglaslikud kipskristallid [20][21]. Koobas sai nimeks Cueva de los Cristales ehk Kristallikoobas. Selle kristallid on kuni 11 meetrit pikad ja kuni meetri jämedused, palju suuremad kui ükski varem leitud kipskristall [20].

Pikka aega ei olnud selge, kuidas sellised hiiglased said kasvada. Hispaania ja Mehhiko teadlased selgitasid 2007. aastal, et kristallid kasvasid umbes 54 °C soojas, vähese soolasisaldusega vees, veidi alla 58 °C piiri, kus anhüdriidi ja kipsi lahustuvus on võrdne [20]. Alla selle piiri muutus kaevandustes varem sadestunud anhüdriit ebastabiilseks ja lahustus aeglaselt, ning vette sattus pidevalt kaltsiumi ja sulfaati, millest kasvas kips [20][22]. Lahus oli vaid veidi üleküllastunud, mistõttu uusi kristallitõuke tekkis vähe ning aine liitus samade väheste kristallidega [20].

Kristallid kasvasid erakordselt aeglaselt. 2011. aastal mõõtsid teadlased laboris, et Naica kipsi aeglaseim kasvukiirus on 14 femtomeetrit sekundis, see tähendab umbes üks nanomeeter ehk meetri miljardik osa päevas [23]. Selles tempos kasvab üks millimeeter veidi rohkem kui 2200 aastaga [23]. Hispaania Riikliku Teadusnõukogu sõnul on see võrreldav juuksekarva jämedusega saja aastaga ning hinnanguliselt on mõned koopa kristallid kasvanud peaaegu miljon aastat [1]. Proyecto Naica teadlaste 2009. aastal avaldatud mõõtmiste järgi on suurima kristalli pikkus 11,40 meetrit, maht umbes 5 kuupmeetrit ja hinnanguline mass umbes 12 tonni [2]. Sageli mainitud 12 meetrit on ümardus, kuid populaarsetes allikates mainitud 55 tonni [22] ületab mõõdetud mahu järgi arvutatud hinnangut mitu korda.

Kas teadsite? Vaid mõned kraadid otsustasid, kas koopas kasvavad hiiglased või tuhanded väikesed kristallid. Teadlaste arvutused näitavad, et 44 kuni 45 °C juures hakkaks uusi kristalle tekkima mõne kuu või isegi päevade jooksul [20]. Seetõttu kasvas maapinnale lähemal ja jahedamas Zobenu koopas, Cueva de las Espadas, palju rohkem, kuid väiksemaid kristalle [20].

Koopas oli üle 40 °C kuum õhk ja 90 kuni 100 % niiskus, mistõttu iga külastus oli seotud kuumarabanduse ohuga [21]. Kaevanduse pumbad hoidsid veetaset sadu meetreid allpool looduslikku [20], ning 2015. aasta oktoobris, kui kaevandamine lõppes, lasti koobas taas üle ujutada [24]. Teadlased kirjutasid juba 2007. aastal, et vee all hakkavad kristallid uuesti kasvama, kuid inimestele need enam kättesaadavad ei ole [20].

Soolakristallid kodus: lihtne katse

Kristallide kasvu saab jälgida ka köögis ning see on hea katse koos lastega. Teil on vaja joodita lauasoola, destilleeritud vett, klaaspurki ja madalat alustassi [3].

• Täiskasvanu paneb purki metalllusika, et klaas kuumuse tõttu ei puruneks, valab sisse kuuma vee ja lisab sinna teelusikatäie kaupa soola, segades, kuni sool enam ei lahustu ja hakkab põhja kogunema. See on küllastunud lahus [3][25].
• Kui lahus on selginenud, valage ettevaatlikult selge osa alustaldrikule, lahustumata sool jätke purki [3].
• Asetage alustaldrik sooja kohta, kus keegi seda ei puutu, ja vaadake seda iga päev. Kui vesi aurustub, muutub lahus üleküllastunuks ning mõne päeva või nädala pärast ilmuvad kristallid [3].
• Vaadake neid luubiga. Soolakristallid on kuubilised, sest naatriumi- ja kloriidioonid haliidis on paigutatud sirgetesse ridadesse ja veergudesse [3].
• Suurema kristalli kasvatamiseks valige ilusaim kuubik, siduge see niidi külge ja riputage värskesse küllastunud lahusesse, kinnitades niidi pliiatsi külge klaasi kohal. Kristall kasvab mitu päeva või nädalat [3].

Kuumast veest tingituna valmistab lahuse täiskasvanu ning lapsed puudutavad purki alles siis, kui see on jahtunud toatemperatuurini [25]. Soolakristalle ei tohi süüa ning pärast katset pühkige pinnad puhtaks. Looduses toimib sama põhimõte: Naica koopas võimaldas vaid veidi üleküllastunud lahus ja peaaegu muutumatu temperatuur sadade tuhandete aastate jooksul kasvada mõnel hiiglasel, mitte paljudel väikestel kristallidel [20][22].

Korduma kippuvad küsimused

Kas kristallid on elus?

Ei. Kristall kasvab, kuna selle pinnale liituvad uued aatomid ümbritsevast lahusest või sulast. Sellel ei ole rakke ega ainevahetust ning see ei paljune nagu elusolendid.

Kui kiiresti kristallid kasvavad?

Kiirus erineb väga palju. Soolakristallid ilmuvad alustaldrikule mõne päevaga, kuid Naica kips kasvas umbes juuksekarva jämeduse võrra saja aastaga ning teadlaste hinnangul on mõned koopa kristallid kasvanud peaaegu miljon aastat.

Miks on geoodi sisemus õõnes?

Õõnsus oli enne kristalle: vulkaanilistes kivimites on see sageli gaasimull tardunud laavas. Vesi sadestas õõnsusse ahhaadi ja kvartsi, kristallid kasvasid seintelt keskme suunas ning sageli ei täitnud seda lõpuni.

Kui suur on Naica koopa suurim kristall?

Kristallikoopa suurim mõõdetud kristall on 11,40 m pikk, selle maht on umbes 5 m³ ja hinnanguline mass umbes 12 tonni. Sageli mainitud 12 meetrit on ümardus, kuid populaarsetes allikates mainitud 55 tonni ületab mõõdetud mahu järgi arvutatud hinnangut mitu korda.

Kas seleniidi lamp on samast mineraalist kui Naica kristallid?

Jah, mõlemad on kips CaSO4·2H2O. Naicas kasvas läbipaistev seleniit, kuid lampe valmistatakse tavaliselt kiulisest kipsi variandist, satiinpaadist, mis annab siidise läike.

Allikad

1. CSIC (Hispaania Riiklik Teadusnõukogu). Un estudio del CSIC mide la velocidad de crecimiento de los cristales gigantes de Naica (pressiteade, 13.09.2011). https://csic.es/sites/default/files/d7/noticias/Nota%2520de%2520prensa_159.pdf
2. Badino, G. jt. The Naica Caves Survey. 15th International Congress of Speleology, 2009. https://laventa.it/documenti/naica-ics2009_36847.pdf
3. Penn State MRSEC. Growing Crystals (laste tegevus). 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 kivide entsüklopeedia: septaaria, kuntsiit, ametüst, tsitriin, seleniit (andmed kontrollitud GIA, Mindat, geology.com järgi). 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 publikatsioonide andmebaas). 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. Göttingeni Ülikool. Mystery of Uruguay’s amethyst geodes (pressiteade, 01.10.2024). https://uni-goettingen.de/en/3240.html?id=7555
16. HyperPhysics (Georgia State University). Amethyst (viitab 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. jt. Formación de megacristales naturales de yeso en Naica, México. Boletín de la Sociedad Geológica Mexicana, 2007 (hispaaniakeelne versioon ajakirja Geology 35(4) artiklist). https://www.redalyc.org/pdf/943/94320861005.pdf
21. National Geographic Magazine. Neil Shea, Cave of Crystal Giants (2008, arhiivikoopia). 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 (Van Driessche jt, PNAS 2011 kohta). 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 (UK). How to Grow a Salt Crystal. https://saltassociation.co.uk/education/chemistry-salt/how-to-grow-salt-crystal/