Insluitsels in edelstenen –
Chris Korf
Vroeger wilde men edelstenen die geheel vrij van insluitsels en andere storende verschijnselen waren. Dat gold voor diamanten en ook voor de kleurstenen. Dat is ook nu nog wel het geval, maar voor kleurstenen is men tegenwoordig wat minder veeleisend geworden. Dit omdat de prijs van sommige loepzuivere natuurlijke kleurstenen vrijwel onbetaalbaar is en kleine imperfecties de prijs ervan aanzienlijk kunnen doen dalen. Daarnaast ook door de grote opkomst van synthetische stenen van zeer goede kwaliteit, die steeds moeilijker van hun natuurlijke broeders zijn te onderscheiden. En daar kunnen insluitsels het bewijs vormen dat men met een natuurlijke steen te maken heeft. Nu wordt de kwaliteit van een edelsteen naast hardheid, brosheid en kleur ook bepaald door helderheid (dus geen troebele vlekken), homogene kleurverdeling (geen kleurbanen of groeistrepen), inwendige structuur (geen zichtbare kristalvlakken) en door insluitsels. De laatste twee onregelmatigheden kunnen met de loep, maar vooral ook onder de microscoop, goed worden bestudeerd. De inwendige structuur heeft te maken met kristallisatieverschijnselen tijdens de groei en is op zich een zeer interessant studiegebied. Maar in dit artikel willen we ons concentreren op de insluitsels. De naam ‘insluitsels’ dekt eigenlijk een aantal typen insluitingen in het edelsteenkristal. Allereerst moet men onderscheid maken tussen organische en niet-organische insluitsels. Nu komen door de omstandigheden tijdens de groei van de meeste stenen (hoge temperatuur, hoge druk, ouderdom van miljoenen jaren) slechts in uitzonderlijke omstandigheden insluitsels van organische oorsprong voor. Zo’n uitzondering vormen de insecten e.d. in barnsteen. Bij de niet-organische insluitsels moet men onderscheid maken tussen kristalinsluitsels, vloeistofinsluitsels en gasbellen. Men onderscheidt hierbij éénfase-insluitsels (microscopisch kleine ruimten, soms bolvormig, maar meestal langgerekt, welke een kristalletje of wel vloeistof of gas bevatten); tweefase-insluitsels (bijvoorbeeld een kristalletje in een vloeistof of een gasbel in een vloeistofdruppel) en driefase-insluitsels (waarin dus drie fasen in het insluitsel te zien zijn). Volledigheidshalve noemen we nog de fluxresten die oorspronkelijk dienden bij synthetische stenen om de kristalmassa bij zijn ontstaan dunvloeibaar te houden en die na afloop in de steen als lichtgekleurde amorfe rupsachtige massa’s achterblijven. Overigens kan men dit verschijnsel ook zien in natuurlijke stenen wanneer deze achteraf een behandeling hebben ondergaan om scheurtjes onzichtbaar te dichten met dunvloeibare glasachtige massa’s (komt bijvoorbeeld voor bij hittebehandelde robijnen uit Mong Hsu in Birma) of wanneer bij een hittebehandeling (bijvoorbeeld voor kleurverbetering) een middel (dikwijls boraxpoeder) is gebruikt om het aan elkaar vastkitten van de stenen te voorkomen. De kristalinsluitsels komen meestal voor als kleine, kristallografisch goed definieerbare kristalletjes, meestal van geheel andere samenstelling dan het moederkristal. Uiteraard wenst de koper een steen met zo min mogelijk insluitsels. Maar toch wordt bijvoorbeeld in smaragd de aanwezigheid van insluitsels volledig geaccepteerd, men spreekt daar dan van de ‘jardin’ van de smaragd. Het is het duidelijk zichtbare bewijs dat men met een ‘echte’ smaragd te maken heeft! En de aanwezigheid van rutielnaalden in heldere kwarts is zelfs zeer gevraagd.
Rutielinsluitsels in kwarts
Wat leert het bestuderen van het inwendige van de steen ons? Hierboven zagen we reeds dat de aanwezigheid van karakteristieke insluitsels een bewijs kan zijn dat men met een natuurlijke steen te maken heeft. Ook synthetische stenen kunnen wel insluitsels hebben, maar die verschillen tot nu toe nog duidelijk van die in de natuurlijke stenen. In de verschillende synthesen zijn die insluitsels meestal afkomstig van de wand van de apparatuur waarin ze gemaakt werden. Zo vind je er soms – en dat geldt vooral voor de korundkristallen bereid volgens het Czochralski-smeltprocédé – sporen (schilfertjes) iridium uit de gebruikte iridiumsmeltkroezen. Of platinablaadjes bij volgens de fluxmethode vervaardigde kristallen naast resten van de voor dit proces gebruikte fluxmiddelen. Dat geldt ook voor de hydrothermaal gegroeide kristallen. Daarbij moet wel bedacht worden dat deze microscopisch kleine metallische insluitsels slechts af en toe voorkomen, zodat de kans dat ze in de geslepen steen terechtkomen vrij klein is. Bovendien zijn, als gevolg van het toegepaste procédé, in de overwegend voorkomende vlamsmelt (Verneuil) robijnen in het geheel geen kristalinsluitsels aanwezig. Een gevolg van dit alles is, dat zodra men een volkomen heldere, insluitselvrije steen onder het oog krijgt, er ernstig rekening mee moet worden gehouden dat men te maken kan hebben met een synthese. Geheel anders is dit bij de natuurlijke stenen. Daarin kunnen verschillende – meestal met de loep, maar nog beter met de microscoop – goed zichtbare kristalletjes optreden. Ze zijn niet alleen een indicatie dat men met een natuurlijke steen te doen heeft, maar kunnen soms ook de vindplaats van de steen verraden. Maar pas op, zoals boven reeds gezegd, zijn naast insluitsels in edelstenen ook nog andere verschijnselen zichtbaar. Die hebben te maken met de groei van het moederkristal. Veel voorkomend, en ditmaal zowel in natuurlijke als ook in synthetische stenen, zijn groeivlakken en andere groeisymptomen. En daarnaast kan het moederkristal ook plaatselijke netwerkjes van kleine scheurtjes vertonen die geheel of gedeeltelijk opgevuld kunnen zijn met vloeistof en/of zeer kleine kristalletjes. Dit geeft onder de microscoop bij geschikte belichting aanleiding tot fascinerende lichtpatronen. Men spreekt dan van ‘vloeistofveren’ of ook wel van ‘vingerafdrukken’. Zowel de groeivlakken als ook de vloeistofveren komen in natuurlijke, maar ook in synthetische stenen voor. Immers in beide gevallen ontstaat het kristal door kristallisatie uit een moederloog. Maar de kristallisatiesnelheid is bij natuurlijke stenen meestal oneindig veel kleiner dan bij de synthesen. De verschillen die daardoor ontstaan kunnen dan een indicatie vormen voor de al dan niet natuurlijke oorsprong. Deze verschijningsvormen in het inwendige van de steen vormen onder de microscoop niet alleen een fascinerende en, bij geschikte belichting, kleurrijke wereld, maar ook kunnen ze ons veel leren over de herkomst van de steen.
Het ontstaan van mineralen en kristallen Wanneer we edelstenen bestuderen, dan hebben we te maken met stenen die zijn geslepen uit kristallen van mineralen. Mineralen zijn stoffen die door anorganische processen tot stand komen. Ze hebben meestal een goed omschreven chemische samenstelling en een karakteristieke atoomstructuur. Dit betekent dat barnsteen, koralen en parels, die van organische oorsprong zijn, niet onder deze definitie vallen, hoewel ze toch uit mineralen zijn opgebouwd! Nu zijn slechts weinige van de op dit ogenblik bekende, meer dan 3000 soorten mineralen, geschikt om er edelstenen uit te slijpen. De meeste hebben niet de gewenste combinatie van hardheid, taaiheid, helderheid, glans, dispersie en kleur. Zodoende komt men tot ongeveer 75 edelsteenmineralen (of, afhankelijk van wat men onder de benaming van edelstenen, sierstenen of kleurstenen wil laten vallen, tot ca. 250 mineraalsoorten). Dat lijkt veel, maar vergeet niet dat sommige edelsteenfamilies een hele serie verwante mineralen omvatten. Denk maar aan de granaten, de toermalijnen, de berylen, de korunden en de kwartsen. Mineralen behoeven niet per definitie in de natuur gevormd te worden; ze kunnen ook in het laboratorium worden gemaakt, denk bijvoorbeeld aan synthetische korund, spinel en smaragd. Natuurlijk gevormde edelsteenmineralen, die ten grondslag liggen aan het moederkristal waaruit later de edelsteen wordt geslepen, kunnen onder ver uiteenlopende omstandigheden en uit geheel verschillend samengestelde moederlogen ontstaan. In grote lijnen kan men drie geologische omstandigheden onderscheiden waarbij ze gevormd kunnen worden: 1. Door vorming uit het magma, 2. Door vorming uit sedimenten, 3. Door metamorfose reacties.
1. De vorming van mineralen uit het magma Magma is een uit het binnenste van de aarde komende, gloeiend hete, gesmolten dunvloeibare chemische brij die alle mogelijke ionen bevat die nog min of meer ongebonden door elkaar leven. Pas bij afkoeling zullen ze chemische verbindingen, de mineralen, kunnen gaan vormen, om dan bij uitkristallisatie een kristalrooster op te bouwen en zo een kristal te vormen. De samenstelling van die chemische brij kan sterk verschillen, zowel door de samenstelling van het magma, dat plaatselijk verschillend is, als ook door de elementen die het op zijn weg naar boven oppikt (opsmelt) uit de verschillende aardlagen die het daarbij passeert. Daardoor kunnen bij uitkristallisatie kristallen met geheel verschillende samenstelling gevormd worden. De samenstelling van het wordende kristal hangt af van de ionen die op dat moment bij elkaar in de buurt zijn en of ze ook chemisch bij elkaar passen. Omdat de samenstelling van deze ‘moederloog’ plaatselijk vrij homogeen kan zijn, is het mogelijk dat in zo’n gebied veel van dezelfde kristallen gevormd kunnen worden. Je hebt dan een ‘edelsteenvoorkomen’, bijvoorbeeld van topaas of van robijn. Uit het voorgaande is ook wel duidelijk dat een moederloog voor een bepaald type kristal ook nog andere ionen kan bevatten, die ofwel in het kristalrooster van het groeiende kristal kunnen worden ingebouwd of samen weer een nieuw kristaltype kunnen vormen dat dan in het moederkristal uitkristalliseert. En dan is een insluitsel geboren! Ook wordt nu begrijpelijk dat in andere gebieden op aarde, waar de aardlagen die het magma passeert verschillend zijn, de samenstelling van de moederloog, zelfs wanneer de juiste ionen voor de vorming van bijvoorbeeld robijn aanwezig zijn, toch kan verschillen. Dan kunnen, afhankelijk van de vindplaats, andere kristalsoorten als insluitsels in het robijnkristal voorkomen, terwijl ook in het rooster andere ionen als verontreiniging kunnen zijn ingebouwd. Dit kan bijvoorbeeld goed worden waargenomen bij robijnen. Robijnen die afkomstig zijn uit marmers (bijvoorbeeld in Birma en Vietnam) hebben een mooie duivenbloedkleur; komen ze echter uit basaltlagen zoals in Thailand, dan heeft de rode robijnkleur een duidelijke violetzweem als gevolg van ijzerionen in de basalt. Ook de kristalinsluitsels zullen verschillen; zo komen in de robijnen uit Birma calcietinsluitsels voor, die afkomstig zijn van de marmerlagen waarin ze geboren werden. Bij de vorming uit het magma (de magmatische cyclus) onderscheidt men verschillende fasen die zich na elkaar kunnen voltrekken: 1a. De vorming uit de gesmolten mineralen in het magma Daarbij treedt uitkristallisatie op bij temperaturen boven 700C. De mineralen welke bij deze temperatuur niet uitkristalliseren als gevolg van hun lagere stolpunt blijven in de nieuwe, verarmde moederloog achter en komen dan achtereenvolgens beschikbaar voor de volgende fasen: 1b. De vorming van pegmatieten (groepen grote kristallen) Deze ontstaan door kristallisatie uit waterhoudende smelten onder hoge druk bij temperaturen tussen 700 C en 500 C. In deze verarmde moederloog kunnen de resterende ionen weer een nieuw mineraal vormen en – omdat ze nu bij het uitkristalliseren de ruimte hebben gekregen – kunnen ze meer ongestoord hun kristal ontwikkelen. In pegmatieten worden daarom soms zeer grote kristallen aangetroffen. 1c. De pneumatolitische vorming Dat is de kristallisatie uit oververhitte waterige oplossingen onder hoge druk Onderbrekingen in de groeibij van500 een tot 400 C. Men heeft daar te maken met superkritisch water, dat is water dat niet vloeibaar of stoominsluitsels meer is, maar in een nieuwe kristal kunnen regelmatige Parallelle fase is overgegaan. Dit superkritisch water werkt als eenveroorzaken. oplosmiddel voorgroeilagen, de, onder normale condities, in zoals bij dit kwarts, worden soms water onoplosbare mineralen. Men spreekt hier van ‘fluïde’ oplossingen. 1d. De hydrothermale vorming. Dit is de laatste fase; de fluïde restoplossing, nog
‘fantomen’ genoemd. Deze lagen, gevormd als donkergroen chloriet, bedekten het kwartskristal tijdens onderbrekingen steedsverscheidene onder hoge druk, koelt innudeaf groei ervan.
tot onder het kritisch
punt van water dat onder deze omstandigheden ligt beneden 400°C. De rest van de mineralen kristalliseert nu uit. 2. De vorming uit sedimenten Hier worden drie situaties onderscheiden: 2a. Uit klastische (mechanische) sedimenten Dit zijn vergruisde gesteenten die bezonken zijn, bijvoorbeeld klei en zand. 2b. Uit chemische sedimenten Deze ontstaan door neerslagen als gevolg van reacties tussen gassen en vloeistoffen. Of door het indampen van oplossingen (is eigenlijk een fysisch proces). Als voorbeeld de vorming van steenzout, anhydriet en gips. 2c. Uit biogene sedimenten Deze worden gevormd door het bezinken van resten van dierlijke- en plantaardige overblijfsels in waterige oplossingen beneden 200C. Voorbeelden: diatomeeën aarde, krijt, steenkool. In sedimentsgesteente komen zeer weinig mineralen voor. Uitzonderingen zijn onder andere chrysocol, limoniet en malachiet. 3. Metamorfose reacties Hieronder verstaat men de verandering van een gesteente onder invloed van temperatuur en druk. Men onderscheidt daarbij: 3a. Contact metamorfose Daarbij worden gesteenten (mineralen) veranderd (omgekristalliseerd) door een zeer innig contact met een ander gesteente (of met zich zelf). Als voorbeeld de vorming van marmers uit kalk. Bekend is ook de metamorfose van een gesteente onder invloed van binnendringend magma. Op die wijze kunnen bijvoorbeeld korunden worden gevormd, maar ook cordieriet, kyaniet en jadeiet. 3b. Regionale metamorfose Hieronder verstaat men de omkristallisatie van mineralen uit het oorspronkelijk gesteente onder hoge druk en temperatuur. Dit zou vooral optreden bij de gebergtevorming. Als voorbeeld de vorming van marmer uit dolomiet. In al deze gesteente(mineralen)vormende fasen kunnen insluitsels voorkomen. Al is dat door de omstandigheden tijdens hun ontstaan in de ene fase veel sterker dan in een andere fase.
Hoe ontstaan insluitsels in een kristal? Wanneer we over insluitsels spreken dan bedoelen we niet alleen kleine, min of meer goed gevormde kristalletjes in het moederkristal. Maar ook holten en scheurtjes die geheel of gedeeltelijk zijn opgevuld met vloeistoffen, gassen, resten uitgekristalliseerde, verarmde moederloog of amorfe massa’s die voor, tijdens of na de groei van het kristal daarin kunnen binnendringen. Hoe komen die insluitsels nu in het moederkristal? Een edelsteen, dus een mineraalkristal, wordt niet ineens kant en klaar geboren. Als de kristallen gevonden worden zijn ze meestal reeds vele miljoenen jaren oud, waarbij hun geboortefase ook vele duizenden jaren in beslag genomen kan hebben. Want niet alleen de periode van het uitkristalliseren vanuit de gloeiende moederloog totdat het stolpunt van het mineraal was bereikt, bepaalt de ouderdom. Ook de lange tijd die daarna nodig was om het koele aardoppervlak te bereiken waarin andere oplossingen in het kristal konden doordringen, het kristal nog kon omkristalliseren of een metamorfose kon ondergaan, dat alles behoort tot de geboorteweeën van het moederkristal. Uiteraard geldt dat vooral voor de mineralen uit de magmatische fase, maar ook het ontstaan uit de andere fasen nam meestal veel tijd in beslag. En gedurende deze hele periode konden anders samengestelde kristalmoederlogen achteraf nog in het moederkristal diffunderen om daarin op eigen houtje uit te kristalliseren. Dit waren dikwijls verarmde moederlogen waaruit de ionen, nodig voor de vorming van het moederkristal, waren verdwenen, waardoor de nog resterende ionen een kans kregen zelf een nieuwe mineraal met bijbehorende kristalvorm te ontwikkelen. Uiteraard ging het daarbij steeds om geringe hoeveelheden, en er werden daarom maar kleine kristalletjes van deze andere mineralen gevormd. Echter bestaat ook de mogelijkheid dat verarmde moederloogresten, die tijdens de kristallisatiefase nog in het moederkristal zelf achterbleven, daarin gaan
uitkristalliseren en dan ook kleine mineraalkristalletjes vormen. Deze kristalletjes kunnen niet alleen worden gevormd tijdens de stollingsperiode van het moederkristal, maar ook nog daarna. Want na het uitharden van het moederkristal kunnen daarin nog gasbelletjes achterblijven of kan het kristal door uitwendige ruk tijdens het verdere verloop van zijn leven scheurtjes gaan vertonen. In deze holten kan dan achteraf ook nog al dan niet verarmde moederloog gaan uitkristalliseren. Wanneer de samenstelling van deze loog niet al te veel van die van het moederkristal afwijkt, dan kunnen deze scheurtjes soms min of meer onzichtbaar gerepareerd worden. Maar vaak vullen zeer veel, microscopisch kleine, kristalletjes, dikwijls nog zwevend in hun zeer sterk verdunde moederloog, de holten op. Dit levert onder de microscoop prachtige beelden; men spreekt dan van vloeistofveren of ‘fingerprints’.
Op welk moment tijdens de groei kunnen insluitsels ontstaan? Insluitsels kunnen een indruk geven van de geologische omgeving waarin ze zijn ontstaan. Bijvoorbeeld welke ionen (mineralen) daar ook aanwezig waren, waaruit dan soms afgeleid kan worden wat de samenstelling van het omringende gesteente op het moment van hun ontstaan was. Waaruit dan een conclusie zou kunnen volgen omtrent hun vindplaats. Zo wijzen calcietkristalletjes in robijn naar de oorsprong in kalksteen of marmers (bijvoorbeeld in robijn uit Mogok) of pyriet in smaragd uit Columbia, Sandawana e.a. Daarnaast verschaffen ze ook inzicht (en dat geldt dan vooral ten aanzien van holten en scheurtjes) in wat er tijdens de groei van het moederkristal gebeurde. Bijvoorbeeld of het kristal tijdens of na zijn groei aan sterke drukken werd blootgesteld of aan een herkristallisatie. Daarom is het belangrijk om te weten op welk moment deze insluitsels zijn ontstaan. Men onderscheidt daarbij: 1. Protogenetische insluitsels Dat zijn insluitsels die vóór het ontstaan van het moederkristal werden gevormd (‘genese’ is: ontstaan). Ze kunnen veel ouder zijn dan het moederkristal en er ook niet mee verwant zijn. Bijvoorbeeld brokstukjes van omringend gesteente die nog vóór de vorming van het kristal in de moederloog terechtkomen en daarin een metamorfose ondergaan. Maar ook kunnen ze afkomstig zijn van een voorgaande kristalgeneratie die bijvoorbeeld door grondstofgebrek in zijn groei werd vertraagd, achterhaald werd door de groei van het moederkristal en dan daarin als kristalletjes (met dus andere samenstelling) werden opgenomen. Een typisch voorbeeld zijn de apatietkristalletjes in spinel uit Sri Lanka. Soms zijn protogene insluitsels te herkennen aan hun gecorrodeerde vorm. Maar dikwijls zijn ze ook mooi gaaf; ze zijn dan in dezelfde vormingsperiode als die van het moederkristal ontstaan en konden vrij zwevend in dat kristal op hun gemak uitkristalliseren. Voorbeelden hiervan zijn olivijnkristalletjes in spinel en spinelinsluitsels in robijn en saffier. Verdere voorbeelden van protogene insluitsels zijn de actinolietnaalden in smaragd, kwarts en granaat; apatiet in granaat, kornerupine, korund of spinel; diopsied, granaat en pyriet in korund; glimmers in kwarts, korund en smaragd; zirkoon in granaat, kornerupine of korund; en spinel in robijn. Protogeen is ook pyrrhotiet in diamant. Ook asbest-, anhydriet- en rutielinsluitsels behoren tot deze groep. Edelstenen, die uit het magma kristalliseren, kunnen geen vloeistofinsluitsels bevatten, daarvoor zijn de smeltpunten tijdens hun geboorte te hoog. Bovendien is de druk op die grote diepten zo hoog dat wat grotere holten zeldzaam zijn. Daarom bevatten diamant en pyroop geen vloeistofinsluitsels. 2. Syngenetische insluitsels Dit zijn insluitsels die gelijktijdig met het hoofdkristal groeien en erdoor worden omhuld. Men maakt daarbij onderscheid tussen kristalinsluitsels en andere insluitsels. Tot deze laatste groep behoren niet alleen holten e.d., maar ook verschijnselen die te maken hebben met de kristalgroei zelf. 2a. Syngenetische kristalinsluitsels Deze behoren meestal tot dezelfde geochemische groep mineralen als het moederkristal. Maar tot dit type insluitsels worden ook holten of scheurtjes in het kristal gerekend die met gas of vloeistof zijn gevuld. Ook groeistrepen worden tot deze categorie gerekend. Als een insluitsel zeer snel groeit, dan ontstaan lange naalden (bijvoorbeeld rutielnaalden). Bij de syngenetische kristalgroei kunnen vergroeiingen van verwante kristalconfiguraties optreden waarbij deze zich zodanig op elkaar plaatsen dat hun atoomroosters in elkaar passen. Als dit mooi geordend gebeurt en beide partners ongeveer dezelfde dimensies hebben, dan spreekt men van een ‘geordende vergroeiing’. Maar dikwijls zijn de dimensies verschillend en wordt een hoofdmineraal bewoond door een klein gastmineraal dat zich dan op een passend vlak (lees: met dezelfde atoomafstand) vasthecht. Dit heet ‘epitactische groei’. Het komt o.a. voor bij diamant, waar olivijn- en granaatkristalletjes zich epitactisch binnenin het kristal op een vroeger groeivlak hebben genesteld. In kristallen die gegroeid zijn uit het magma kunnen alleen andere magmamineralen als syngenetische
insluitsels optreden. Zo zijn dit voor diamant: olivijn, pyroop en diopsied. En voor pegmatietkristallen alleen andere pegmatietmineralen zoals: aquamarijn, apatiet, epidoot en kwarts. Verder worden hier als syngenetische insluitsels nog genoemd: biotietglimmer in andalusiet, chrysoberyl, kornerupine, peridoot en Sri Lanka saffier; veldspaten in Birma robijn en saffier; calciet in robijn en spinel uit Mogok en in smaragd uit Muzo; pyriet in fluoriet, saffier en smaragd, rutiel in korund, kwarts en spinel; zirkoon in korund. En tenslotte apatiet, dat in veel edelstenen voorkomt. Dit mineraal wordt als insluitsel zowel protogenetisch als ook syngenetisch gevormd. Het is een belangrijk mineraal bij de omkristallisatie omdat het, net als zirkoon, pyriet, calciet en kwarts, gemakkelijk mengkristallen vormt. Het komt dan ook in meerdere contact-metamorfe edelstenen voor zoals in granaat, robijn, saffier en spinel. Apatiet is overigens ook een van de eerste mineralen die net als zirkoon door hun slechte oplosbaarheid in de hete magmasmelt daaruit in een vroeg stadium als kleine kristalletjes vrij zwevend in het moederkristal uitkristalliseren (klein omdat er respectievelijk onvoldoende fosforzuur (voor apatiet) of zirkonium (voor zirkoon) aanwezig was om grotere kristallen te vormen). Kleine kristalletjes zijn overigens vooral typerend voor protogene insluitsels. Syngenetische mineralen kunnen ook goed dienen als gidsmineralen; ze kunnen informatie geven over de oorsprong van het moederkristal. Zo zijn uraanpyrochloorkristalletjes in saffier een indicatie dat deze komt uit Pailin (Cambodia); uranietkristalletjes in saffier wijzen op Sri Lanka. In edelstenen uit Sri Lanka komen vaak zirkoonkristalletjes voor (maar dikwijls zijn ze ook protogenisch, ze worden dikwijls radioactief afgebroken en vertonen dan de typische cirkelvormige uitstralingen als gevolg van deze activiteit). 2b. Syngenetische gas- en vloeistofinsluitsels Zoals boven reeds is gesteld, kunnen edelstenen die uit het magma kristalliseren, geen vloeistofinsluitsels bevatten. De meeste edelstenen kristalliseren echter uit moederlogen die naast gassen al water in een of andere aggregaatstoestand (bijvoorbeeld als medium in een fluïde oplossing) bevatten. Deze vloeistoffen en gassen kunnen in niet-magmatische fasen, bijvoorbeeld in de pegmatische fase, in holten van het kristal doordringen. Maar dan moeten we eerst nagaan op welke wijze deze holten kunnen ontstaan. Om hierin een beter inzicht te krijgen moeten we ons eerst nog wat verdiepen in de vorming van een kristal. Vloeistofinsluitsel
Een fluorietkristal met insluitsels van oude mineraalvormende vloeistoffen
2b.1 Primaire vloeistofinsluitsels Een kristal wordt gevormd uit zijn moederloog doordat laag over laag atomen worden afgezet. Maar als niet overal voldoende moederloog beschikbaar is of wanneer de toevoer door uitwendige factoren wordt verstoord, dan treden roosterstoringen op. Daardoor kan de vorming van de kristalvlakken niet meer regelmatig verlopen waardoor sommige vlakken wel en andere nog niet gevormd worden. Als de opbouw weer verder gaat dan worden de ontstane holten, die inmiddels gevuld zijn met binnengedrongen vreemde kristaloplossingen, omhuld en de opbouw gaat verder. In dat geval wordt de binnenkant van de holte gevormd door kristalvlakken die de vorm van het oorspronkelijk kristal volgen. Maar ook veranderingen in de temperatuur of druk tijdens de kristallisatie, of storende mineraalinsluitingen, kunnen dit soort primaire holten doen ontstaan. Een kenmerk van dit type holten is, dat ze steeds zeer regelmatige vormen met gladde wanden vertonen; ze lijken sterk op vreemde mineraal insluitsels. Men spreekt hier van ‘negatieve kristallen’. Tot de holten behoren ook de holle kanalen waardoor groeivloeistof werd aangevoerd en die soms nog
zichtbaar zijn. In al deze holten kan tijdens de groei nog vloeistof of een kristaloplossing doordringen waardoor een primair vloeistofinsluitsel gevormd wordt waarin dan nog kristalletjes kunnen voorkomen. 2b.2 Secundaire vloeistofinsluitsels Daarnaast kunnen tijdens de groei, wanneer het kristal gaat verstevigen, door in- of uitwendige omstandigheden (spanningen als gevolg van vreemde kristalinsluitsels, door te snelle groei of ook door uitwendige krachten) scheurtjes of holten ontstaan welke zich ook weer kunnen vullen met al dan niet fluïde oplossingen en gassen. Dit zijn de secundaire vloeistofinsluitsels. De scheurtjes kunnen daarbij verlopen volgens de natuurlijke splijtlijnen van het kristal (de wanden zijn dan recht en glad) of ze verlopen zeer grillig in alle richtingen. De primaire holten onderscheiden zich van de secundaire, naast hun regelmatige vorm, doordat ze weliswaar niet talrijk maar wel vrij groot zijn en meestal op zichzelf staan. De secundaire holten (scheurtjes en groeikanalen) zijn meestal zeer klein maar in grote getale aanwezig. Ze kunnen in een later groeistadium weer geheel of gedeeltelijk worden gevuld met de verarmde moederloog waarna die daarin gedeeltelijk kan uitkristalliseren. Soms lost die moederloog de wand van de scheur weer op en repareert dan de scheur weer vrijwel onzichtbaar. Al deze min of meer met kristalletjes en vloeistof gevulde scheurtjes en kanaaltjes vertonen zich onder de microscoop als vloeistofveren, vingerafdrukken, gordijnen of guirlandes. En bij zijdelingse belichting onder gepolariseerd licht worden deze ook wel als ‘Heilungsrisse’ of ‘healing fissures’ bekend staande vlakke figuren in hun fascinerende, flonkerende pracht zichtbaar. 2b.3 De vulling van de holten De holten kunnen zich opvullen met één fase (vloeistof of gas), met twee fasen of met drie fasen. Pure gasbellen komen in natuurlijke stenen zelden voor; door de zeer lange tijden dat de kristalmassa nog dunvloeibaar blijft hebben de gasbellen ruimschoots de tijd om te ontwijken. Anders ligt dat bij sommige in het laboratorium bereide stenen, door de relatief snelle afkoeling blijven dan gas(lucht)bellen in de hoogvisceuse massa steken. Denk aan de luchtbellen in glas en in de eerste generatie Verneuil-robijnen. Ze zijn daarin te herkennen aan hun zwarte rand als gevolg van het grote verschil in refractie. Bij tweefaseninsluitsels heeft men te maken met een vulling bestaande uit vloeistof met gas. Dit kan bijvoorbeeld water of vloeibaar koolzuur zijn in evenwicht met koolzuur, methaan of hogere koolwaterstoffen (aardolie). Het koolzuur (CO2) is daar afkomstig van de omringende kalksteen Door temperatuurverhoging kan men deze fasen homogeniseren; dan verdwijnt het grensvlak. Op deze wijze komt men te weten bij welke temperatuur het kristal gevormd werd. Deze homogenisatietemperatuur ligt meestal tussen 30 en 400 C. Daarnaast zijn er nog de driefaseninsluitsels waarbij naast bovengenoemde fasen nog kristallen uit de moederloog aanwezig zijn. Als voorbeeld de kristalletjes van haliet (NaCl); sylvien (KCl) en anhydriet (CaSO4) die voorkomen in hydrothermaal gevormde edelstenen. 3. Epigene insluitsels Deze ontstaan ná de groei van het kristal, onder invloed van uitwendige krachten (bijvoorbeeld scheurvorming door druk of temperatuurwisseling) of door ontmenging. Daarbij moet men bedenken dat het in het binnenste der aarde gevormde kristal ook gedurende zijn tocht naar boven steeds omringd is door bijvoorbeeld moederlogen die zullen proberen het kristal binnen te dringen. Belangrijke epigene gebeurtenissen zijn: 3a. Omkristallisatie en ontmenging In het magma zijn verbindingen op basis van titaan of ijzer rijkelijk aanwezig. Ze diffunderen in het hete kristal en lossen daar eerst homogeen in op. Maar bij afkoeling van de moederloog gaan ze ontmengen en uitkristalliseren. Dat gebeurt in een stadium dat de kristalmassa nog vrij week is. In die hoogvisceuse massa kunnen deze binnengedrongen mineralen niet tot grote kristallen uitgroeien. De titaanmineralen kristalliseren dan uit in fijne, dunne naalden; het ijzermineraal tot dunne hematietplaatjes. Bij deze uitkristallisatie moeten de rutielnaaldjes (titaandioxyde) zich aanpassen aan de structuur (het atoomrooster) van het moederkristal. Daarom zullen ze elkaar in een robijnkristal snijden onder hoeken van 60 en 120 graden. De rutielnaaldjes zijn verantwoordelijk voor het stereffect in sterrobijn en -saffier; in sterspinel is dat titaniet (spheen, een calcium-titaansilicaat), terwijl ilmeniet (een titaan-ijzeroxyde) het stereffect veroorzaakt in sterberyl en in sterdiopsied. De hematietplaatjes komen vooral voor in aventurijn, beryl, cordieriet (ioliet) en spectroliet. Ze zijn verantwoordelijk voor de typische lichteffecten welke soms in deze stenen te zien zijn. Bij ontmengingsverschijnselen kunnen ook tweelingkristallen gevormd worden, daarbij leggen de lamellen zich steeds om en om. Ze komen veelvuldig voor in natuurlijke robijnen, maar ook in synthetische stenen zijn ze zichtbaar. Gebeurt dat vele malen naast elkaar dan spreekt men van ‘polysynthetische tweelingen’. Onder de microscoop zijn ze herkenbaar als prachtig parallel lopende strepen. Dit is bijvoorbeeld goed waar te nemen bij de albietlamellen uit de orthoklaas in maansteen.
3b. Gevolgen van druk Door druk kunnen scheuren ontstaan langs de splijtvlakken. In dat geval zijn het rechte scheuren die dikwijls min of meer parallel aan elkaar verlopen. Maar het kunnen ook breuk- of spanningsscheuren zijn. Die verlopen zeer grillig en kunnen elkaar ook kruisen. Ze lijken dan sterk op de hierboven genoemde ‘Heilungsrisse’. Al deze scheuren kunnen zich, net als bij de syngenetische situatie, vullen met kristaloplossingen. Maar in tegenstelling tot de syngenetische situatie vullen ze zich niet met oplossingen, afgeleid van de moederloog, maar nu met xenophysische kristaloplossingen, dus afkomstig van vreemde mineralen. Een voorbeeld hiervan zijn de bruine, plantaardig lijkende dendrieten uit ijzer- en mangaanverbindingen. Zo ook de bruinijzer- en goethietinsluitingen in kwartsen en agaat. 3c. Radioactiviteit Typerend hier is zirkoon, dat dikwijls vrij veel van het radioactieve thorium en uranium bevat. Dit kan radioactief verval van het zirkoonkristal veroorzaken, waardoor de hoog- en laagzirkoonvariëteiten ontstaan. Hierdoor ontstaat een verschil in soortelijke massa met als gevolg uitzetting van het zirkoonkristal. Dit veroorzaakt spanningen die zich vertalen in een halo van zeer kleine scheurtjes rondom dit insluitsel in het moederkristal. Veel stenen uit Sri Lanka vertonen dit verschijnsel.
Gebruik van de microscoop bij het bestuderen van insluitsels Om insluitsels goed te zien onder de microscoop worden verschillende technieken toegepast. 1. Doorvallend licht Zonder verdere hulpmiddelen kan dit, in de normale opstelling van de microscoop, van nut zijn om kleurzones te lokaliseren en ook om de transparantie van een insluitsel waar te nemen. De volgende variaties worden hierop toegepast: 1a. Diffuse belichting Dit is te realiseren door een wit plaatje matglas of een velletje wit papier of plastic op de objecttafel onder de steen te schuiven. Kleurzonering wordt hierdoor beter waargenomen. Toepassing van een mat blauw filter is nuttig om de kleurbanden in gele en oranje saffieren beter te zien. Een belangrijk hulpmiddel bij doorvallend licht is het gebruik van een immersie cuvet. De steen wordt daarbij ondergedompeld in een vloeistof waarvan de refractie zo dicht mogelijk ligt bij die van de steen. Het grote voordeel van deze methodiek is, dat hierdoor de reflecties en storingen van de facetten wegvallen waardoor de insluitsels ongestoord kunnen worden bekeken. Voor spinellen en korunden kun je het beste vloeistoffen als di-joodmethaan of mono-broombenzeen gebruiken. Maar pas op, deze vloeistoffen zijn giftig. Gebruik ze daarom in een goed geventileerde ruimte en kom er zo min mogelijk met de neus boven. Wat vriendelijker is het gebruik van kaneelzuuraldehyde, maar dat stinkt erg en kruipt tegen het glas op. Ook benzylbenzoaat vormt een redelijk alternatief. Voor stenen met lagere refracties is water, of nog beter glycerol, goed bruikbaar. In dat geval zijn de stenen bovendien na gebruik onder de kraan te reinigen. Verschil in refractie tussen steen en vloeistof is vast te stellen door bij de ondergedompelde steen scherp te stellen op een facetrand. Zie je een scherpe zwarte rand dan heeft de steen een hogere refractie dan de vloeistof. En omgekeerd. 1b. Gekruiste polaroidfilters Hierbij wordt in de stralengang boven en onder de steen een polaroidfilter aangebracht (je kunt je behelpen met de glazen van een polaroidzonnebril). Door draaien van de filters ten opzichte van elkaar zijn veel visuele ontdekkingen te doen. Je kunt er tweelingstructuren en spanningen in het kristal mee ontdekken. Combinatie met de immersiemethodiek is hier van veel voordeel. Door draaien van de steen worden meervoudige tweelingvlakken (poly-synthetische tweelingen) zichtbaar als lichte figuren tegen een donkere achtergrond. Ook in de synthetische Verneuilstenen worden ze zichtbaar wanneer de steen evenwijdig aan de optische as wordt bekeken. Met gekruiste filters is ook goed te zien of men met een negatief kristal of met een echt kristal te maken heeft: als het insluitsel dubbelbrekend is, dan vertoont het een uitdoving die verschilt met die van het moederkristal. ‘Heilungsrisse’ leveren met deze opstelling fantastische lichteffecten op. 2. Donkerveld belichting Hierbij wordt met behulp van een speciale, vrij kostbare opzet tussen condensor en steen het licht via een spiegelconus of schijfje zodanig gericht dat het de steen rondom zijdelings treft. Hierdoor is het silhouet van de insluitsels mooi scherp te zien zonder hinderlijke reflecties. Je bereikt er hetzelfde effect mee als bij de immersiemethode. Maar zonder de nadelen daarvan (stofjes op het oppervlak van de immersievloeistof
storen, je kunt de steen moeilijker manipuleren en werken met vloeistof geeft soms geknoei). Wel moet de steen optimaal belicht worden; dat is het beste te controleren door in de uittredende lichtbundel een velletje papier te houden. De steen moet geplaatst worden vlak voor het punt waar de lichtvlek op het papier het scherpst en helderst is. Deze methode voldoet zeer goed voor de studie van fijne groeilijnen en allerlei typen insluitsels. Als alternatief kan zijdelingse belichting met een fijne glasvezellichtbundel ook een heel goed resultaat opleveren. 3. Bovenbelichting Door belichten van de steen van bovenaf (bij voorkeur met een glasvezellichtbundel) kunnen de oppervlaktestructuren van de insluitsels goed worden bekeken. 4. Schaduwtechniek Schuif bij doorvallend licht de rand van een visitekaartje gedeeltelijk in de lichtbundel tussen de condensor en de steen. Met enig oefenen kun je met deze methodiek plaatselijk fijne groeilijnen in de steen waarnemen (en ook de gebogen groeilijnen van sommige synthetische Verneuil-type stenen). Je ziet deze effecten het beste als de rand van het kaartje evenwijdig wordt gehouden aan de groeilijnen. Een soortgelijk effect kan worden verkregen door het condensordiafragma te verkleinen tot juist beneden de diameter van de steen. Algemeen: Maak vooraf de steen altijd goed schoon, anders determineer je naast stofjes op het oppervlak ook je eigen vingerafdrukken! Bekijk een steen altijd van alle kanten en onder verschillende invalshoeken van het licht. Het determineren van insluitsels Soms zijn de insluitsels te herkennen aan hun kristalvorm of andere uiterlijke kenmerken. Maar dikwijls is meer geavanceerde apparatuur zoals de scanning electronenmicroscoop en de Raman laser probe vereist. Voor de visuele herkenning vormen de prachtig uitgevoerde fotoatlassen van Gübelin een heel nuttig hulpmiddel. Literatuur Voor dit artikel hebben we onder meer gebruik gemaakt van: 1. Gòbelin, E., Innenwelt der Edelsteine, ABC Verlag, Zòrich,1973. 2. Gòbelin, E.J. en Koivula John I., Photoatlas of Inclusions in Gemstones, ABC Edition, Zòrich, 1986. 3. Liddicoat, Richard T., Handbook of Gem Identification, Gemological Institute of America, 1989. 4. Hughes, Richard W., Ruby and Sapphire, RWH Publishing, Boulder, Colorado, 1997. Ook in Gems and Gemology staan geregeld artikelen waaruit nuttige informatie over insluitsels is te verkrijgen. Enkele opgaven: Smith, Christopher P., Introduction to analyzing internal growth structures. Gems and Gemology, 1996, no. 3, p. 170-184. Kammerling, Robert C. e.a., Gemstone enhancement and its detection in the 1980’s. Gems and Gemology,1990, no. 1, p. 32-49. Schwieger, Rolf, Diagnostic features and heat treatment of Kashmir Sapphires. Gems and Gemology, 1990. no. 4, p. 267-280.
