College van de maand: Smelt- en vloeistof insluitsels in mineralen

De geoloog Henry Clifton Sorby heeft in 1858 voor het eerst smelt insluitsels in mineralen en kristallen beschreven. In zijn tekst refereert hij ook al naar eerdere beschrijvingen over insluitsels met vloeistof in kristallen waarbij deze kristallen gevormd zijn door vulkanische processen. De wetenschap had dus toen al door hoe belangrijk de kleine details kunnen zijn. Het duurde echter nog wel een tijdje voor men goed kon analyseren wat de samenstelling van een dergelijk insluitsel was. Pas nadat er nauwkeuriger apparatuur was ontwikkeld, kon men de inhoud goed onderzoeken.

afb. 1. jpg
Figuur 1. Olivijn met smelt inclusie onder de microscoop. 1 um = 0.001 mm ; 40 um = 0,04 mm. Foto: Kim Molag.

Magmatisch gesteente en vulkanisch gesteente en in mindere mate ook in metamorf gesteente bevatten mineralen waarin kleine bubbels of “smalle zakjes” waarin smelt gevangen zit in het kristal wat er omheen gegroeid is. Smelt insluitsels zijn bubbels met vloeistof of gas en komen voor in ijs en diverse gesteenten. Het wordt een smelt insluitsel (Engels: melt inclusion) of vloeistof insluitsel (Engels: Fluid inclusion) genoemd afhankelijk van de inhoud. De bubbels zijn vaak alleen goed zichtbaar met een microscoop omdat ze 1 mm of kleiner zijn in grootte, zie figuur 1. Ook al zijn de insluitsels dus erg smal en bevatten ze dus weinig materiaal, ze bevatten een heleboel bruikbare informatie. De condities om het mineraal heen tijdens de groei, worden opgesloten in het insluitsel. Ook zegt het iets over welke elementen tijdens de gesteentevorming in de omgeving aanwezig waren. Met behulp van verschillende technieken kan allerlei soorten informatie uit de insluitsels worden verkregen.

In deze column zal ik specifiek de smelt- en vloeistof insluitsels van het ontstaan bij magmatisch gesteente beschrijven.

Figuur 2. Schematische schets hoe insluitsels ontstaan terwijl een kristal groeit. De dikke zwarte rand geeft de grens weer tussen kristal en vloeistof. Bron: Sorby, H. C. (1858).

Het ontstaan van insluitsels gebeurt doordat de condities niet in evenwicht zijn met de snelle groei van het kristal.Wanneer een kristal groeit, ontstaan er kristalvlakken.Het groeiende kristal wordt rondom omgeven door vloeistof of magma. Het groeiende kristal wordt rondom omgeven door vloeistof of magma. Op de kristalvlakken groeit het kristal verder. De kristalvlakken zijn echter niet perfect egaal en recht waardoor er soms inkepingen of kloofjes zijn. Als de randen van deze kloofjes net iets sneller groeien dan dat de kloof zich kan opvullen kan er een grotere gleuf ontstaan die uiteindelijk kan dichtgroeien en dan vol zit met vloeistof of smelt, zie figuur 2. Op deze manier zitten de insluitsels dus vol met vloeistof en/of vaste stof uit de tijd van het ontstaan van het gesteente. Bij de juiste ‘normale’ temperatuur blijft de vloeistof volledig het insluitsel vullen. Wanneer de temperatuur echter hoger is en het systeem afkoelt zal de vloeistof ook koelen en ontstaat er ruimte in de vorm van een bel in de vloeistof.

Welke informatie kunnen we halen uit de insluitsels? Denk hierbij aan informatie over allerlei elementen. De hoeveelheid van een bepaald element kan wat zeggen over de condities tijdens het ontstaan van de bubbel. Echter zijn de inclusies ontstaan tijdens de groei waardoor de concentraties die gemeten worden in de inclusies niet per se representatief hoeven te zijn voor bulk samenstelling van de vloeistof of magma waarin het kristal zit of het kristal zelf. Het is een moment- opname die ontstond vlak na de kristallisatie van de kristalvlakken. Je kunt deze informatie wel gebruiken om de verandering tijdens de groei te kunnen waarnemen, zoals de samenstelling van het overige magma of de ingroei van dochter isotopen. Ook bevatten de insluitsels informatie over geologische processen die plaatsvonden voordat het kristal volledig afgekoeld was.

Figuur 3. Olijven kristallen in een speciale houder. Elke ronde houder is rond de 2 cm groot. Foto: Kim Molag.

Wat is het nut van dit alles? Voor de uitleg gebruik ik als voorbeeld een ijskern i.p.v. een gesteente. Wanneer er een luchtbel in een ijskern zit kan het ijs voorzichtig opengebroken worden om de hele oude lucht te meten. Deze lucht kan informatie geven over het klimaat dat er toentertijd heerste.

Wanneer je kijkt naar een smelt inclusie in magmatisch gesteente kun je informatie verkrijgen over de evolutie van het magma en zijn compositie, maar ook over vluchtige componenten die liever in de smelt gaan dan in het gesteente en daardoor weinig voorkomen in de steen. Om aan dit soort insluitsels te meten heb je hele precieze apparatuur nodig.

Figuur 4. Close up van een houder vol met olivijn kristallen. Foto: Kim Molag.

Bijvoorbeeld een Electron Microprobe Analysis (EMPA). Dit is een instrument dat elektronen gebruikt om röntgenstralen te creëren waardoor de chemische compositie van mineralen bepaald kan worden. Dit is erg handig om te bepalen welke elementen aanwezig zijn en in welke hoeveelheden. Dit is een van de vele voorbeelden van mogelijke technieken die gebruikt kunnen worden. Zo is er ook microthermometry waarbij het insluitsel wordt verhit naar zijn oorspronkelijk smelt temperatuur waarna het snel wordt gekoeld tot een glasachtige smelt. Hierdoor is het “glas” vrij van gas bubbels of dochter mineralen die mogelijk gevormd kunnen zijn.

Uiteindelijk gebruik je een techniek die aansluit op wat je wilt te weten komen. Zo is een veel gebruikte techniek de K-Ar en Ar-Ar datering methode. Men meet het Argon gas dat vrij komt uit de gasinsluitsels wanneer de steen open gebroken wordt.

Al met al zijn insluitsels een hele belangrijke bron van informatie over het ontstaan van al het gesteente. En daarmee kunnen we steeds meer zeggen over het ontstaan en veranderen van onze aarde.

Figuur 3 en figuur 4 laten de olivijn kristallen zien in speciale houders zodat ze beter bekeken kunnen worden. Zo een doorzichtige ronde houder is rond de 2 cm groot. Er zit sticky tape onder zodat de kristallen blijven plakken, maar men kan voorstellen dat het een priegelwerkje is.

Bronnen:
  • Sorby, H. C. (1858). On the microscopical, structure of crystals, indicating the origin of minerals and rocks. Quarterly Journal of the Geological Society14(1-2), 453-500.
  • Kim Molag Msc student Earth Science aan de VU. Die mij het geweldige idee gaf om over dit onderwerp te schrijven.