תכליל (מינרלוגיה)

תכליל הוא אי-סדירות נראית - חומר או מבנה המצוי בתוך חומר טבעי, בגביש של מינרל או בסלע ואינו מרכיב יסודי שלו. תכליל יכול להיות: גביש של מינרל אחר, גז ונוזל, או פגם כגון סדק, שבר או חוסר רציפות בצמיחה.

"טביעות האצבע" של הטבע

תכלילים בגבישים מספקים מידע חשוב לכמה מענפי הגאולוגיה: מינרלוגיה, גמולוגיה ופלאונטולוגיה. נתונים חשובים על טמפרטורה ולחץ ומידע כימי משמשים כעין "כמוסת זמן" ומאפשרים הצצה לסביבת ההיווצרות של הגביש.

מכלול החומרים והפגמים בתוך הגביש מהווה מעין טביעת אצבע ייחודית לו, ומספק מידע על תהליכים שונים שחלו בעת התגבשותו ואחריה, על מקורו הגאולוגי ועל האזור הגאוגרפי בו נכרה. במקרים רבים ניתן אף לזהות את המכרה המסוים בו נמצא.

כאשר מדובר באבן חן, חשוב לזהות את התכלילים לא רק כדי לאמת את מקורה הטבעי אלא גם כדי שלא לפגום בה בשלבי החיתוך והליטוש, להימנע מהסרת כמות גדולה של חומר יקר ולהעניק לה את המראה הטוב ביותר באמצעות הדגשת תכונותיה הייחודיות.

חקר התכלילים

מדענים רבים רותקו על ידי התכלילים אותם ראו בגבישים.

רוברט בויל (Robert Boyle) כתב ב"מקורות ומעלות של אבני חן" (Origin and Virutes of Gems) על: "פיסת גביש במרכז טיפה של מים..."

הגאולוג הבריטי הבולט הנרי קליפטון סורבי (Henry Clifton Sorby) פרסם בשנת 1858 מסכת מקיפה על תכלילי נוזל וגז במינרלים וסלעים בשם "על מבנה מיקרוסקופי של גבישים" (On the Microscopical Structure of Crystals). מחקרו תיעד את המורפולוגיה של סוגי תכלילים שונים והציע נוסחה לחישוב הלחץ והטמפרטורה בהם נוצרו.

חוקר הטבע אייזק לי (Issac Lea) היה הראשון להשתמש במונח "תכלילים" (Inclusions). שנותיו הארוכות היו מוקדשות למחקר מיקרוסקופי של תכלילים באבני חן ובמינרלים. לי צבר אוסף ניכר של מינרלים וצדפות אשר נתרמו לסמית'סוניאן. האוסף שהותיר כולל אלפי דוגמאות של אבני אודם, ספיר, כריזובריל, טורמלין, גארנט, קוורץ ואבנים אחרות, והוא ממוין ומלווה באיורים המראים את התכלילים המעניינים.

לי פרסם שלושה מסמכים על תצפיותיו, ואלה היוו יסוד להתפתחות חקר התכלילים באבני חן ובמינרלים:

רשימות על גבישים מיקרוסקופיים הכלולים במינרלים אחדים (Notes On Microscopic Crystals Included In Some Minerals),‏ 1869.
רשימות נוספות על גבישים מיקרוסקופיים הכלולים במינרלים אחדים (Further Notes on Microscopic Crystals in some of the Gems),‏ 1869.
רשימות על "תכלילים" באבני חן (Notes on “Inclusions” in Gems),‏ 1877.

לי נטה לגישה שונה במקצת מקודמיו. במקום הכללה מורפולוגית, כימית ופיזיקלית של תוכן הגבישים, הוא התעניין יותר במיון הסוגים השונים ואסף בלהיטות חומר על אופיים של סוגי התכלילים בקורונדום, בקבוצת הגארנט, בטופז, בספינל ובקוורץ. עבודתו של לי התמקדה בעיקר באבני חן, בעיקר עקב משיכתו לקסמן הרב, כמו גם בשל העובדה שפניהן המלוטשים סיפקו חלון מושלם להתבונן דרכו ולבחון את התכלילים. עד היום מסווגים תכלילים במינרלים ובאבני חן לפי גישתו של לי:

תכלילים פרוטוגנטיים - נוצרו עוד לפני תחילת ההתגבשות ונלכדו בתוך הגביש בשלבי התגבשות שונים
תכלילים סינגנטיים – נוצרו בשלבים שונים במקביל להתגבשות הגביש
תכלילים אפיגנטיים - נוצרו לאחר סיום תהליך ההתגבשות

זיהוי תכלילים

תכלילים רבים נראים לעין, למשל מחטי רוטיל בקוורץ או אִיזוּר בטורמלין. תכלילים אחרים הם קטנים הרבה יותר, ולשם זיהויים נדרשים עזרים נוספים.

אמצעים אופטיים - זיהוי תכלילים נעשה באמצעות ראייה בלתי אמצעית או באמצעות זכוכית מגדלת או מיקרוסקופ. דרך זיהוי זו היא פשוטה, אך אינה מהימנה כמו השיטות האחרות ותלויה בניסיונו של הבוחן, ורק תיאור מדויק וקפדני של התכלילים עשוי לשפר את אמינותה.

עקיפת קרני רנטגן באבקה - בשיטה זו נדרשת כמות קטנה של אבקת תכליל מוצק. אם התכליל אינו נמצא על פני השטח של הגביש, יש לחשוף אותו ולגרדו באמצעות פצירת יהלומים או חוד של גביש יהלום. בדרך זו, מאחר שיהלום קשה ואינו נשרט, אין מכשיר הגירוד מוסיף מרכיבים משלו לאבקה. האבקה משמשת ליצירת צילום רנטגן בדיפרקטומטר אבקה (powder diffractometer). דפוסי העקיפה המתקבלים מושווים לדפוסים ידועים. חסרונה של השיטה היא התאמתה לחומרים מוצקים בלבד.

אלומת אלקטרונים - כאשר תכליל מוצק חשוף על פני השטח, ניתן להשתמש במיקרוסקופ אלקטרוני סורק (SEM) בצמוד למיקרוסקופ אלקטרוני (EMP). בדרך זו נוצרות קרני רנטגן המייצגות את אורכי הגל של היסודות המרכיבים את התכליל. קרינה פלואורסצנטית ניתן לנתח באמצעות מערכת לפיזור אנרגיה (EDS) צמודה למיקרוסקופ אלקטרוני או למיקרוסקופ האלקטרוני הסורק, ואת הספקטרום המתקבל ניתן להמיר להרכב הכימי של הדגימה. לשימוש ב-SEM יש יתרון ביכולתו להגדיל את השטח הנבדק ולהפיק תמונות שלו, בעוד ה-EMP משמש בעיקר לכימות אנליזה כימית. שתי השיטות אינן הרסניות לדגימה אך הן מתקשות לזהות יסודות קלים.

ספקטרוסקופיית לייזר רמאן (Raman laser spectroscopy) – אלומת לייזר מונוכרומטית ממוקדת בתכליל, וכאשר היא פוגעת במולקולות החומר, משתנה אורך הגל של חלק מהפוטונים, בהתאם לחומר הנבדק. כאשר האור פוגע בחומר הוא מעורר את האטומים המרכיבים אותו, וחלק מהפוטונים הנפלטים פליטה משנית, עוברים הסחה לאורכי גל קצרים או ארוכים יותר. את ההסחה ניתן למדוד דרך בדיקה במונוכרומטור של אורכי הגל הנפלטים. מידת ההסחה פרופורציונית לרמות האנרגיה של החומר, ומאפשרת את זיהויו בהשוואה לדפוסים ידועים. היתרון בשימוש בשיטה זו היא התאמתה לחומרים בכל מצב צבירה.

סוגי תכלילים

תכלילים פרוטוגנטיים

סוג זה של תכלילים נוצר לפני התגבשות האבן, חלקם נוצרו בסביבת ההתגבשות ואחרים הגיעו לשם בדרכים שונות (סחף, רוח) או אף נוצרו מאותה תמיסה ממנה התגבשה האבן.

מוטות - חדירה של מינרלים אחרים היוצרת צורת מוטות. לדוגמה: מוטות טורמלין בעלי חתך משולש ומוטות רוטיל וטרמוליט בברקת.

אלומות דשא – מוטות קצרים בברקת

גביש בתוך גביש – גביש זהה: יהלום בתוך יהלום, או גביש זר: גארנט או ספינל בתוך אודם וספיר.

הילת הזירקון – גביש זירקון מכיל כמויות זעירות של אורניום רדיואקטיבי פעיל הפוגע במבנה הגבישי של הזירקון והורס אותו במשך מיליוני שנים עד אשר הוא הופך אמורפי כמעט. כאשר הזירקון חודר לאבן, ההרס הרדיואקטיבי משנה את המשקל הסגולי של הזירקון והוא מגדיל את נפחו, ובתוך כך נגרמים סביבו שברים בגביש שהוא מצוי בתוכו. חדירת הזירקון היא פרוטוגנטית, ואילו ההילה נוצרת בשלב האפיגנטי. דוגמאות: הילה בגארנט מסוג אלמנדין, באודם ובברקת.

גבישים – גבישונים קטנים המפוזרים בחלקים שונים של האבן. נפוצים גבישי קלציט ופיריט.

עלעלים – לוחות דקיקים של נציץ מסוג ביוטיט או פלוגופיט (phlogopite) ונראים כעלעלים שחורים, חומים צהבהבים.

פתיתי שלג, דנדריטים – גבישי קלציט, אפטיט ואחרים בגדלים שונים המפוזרים בחלל הגביש. שמותי של תכליל זה נובעים מצורתו: זרועות הנשלחות מנקודה אחת לכמה כיוונים ויוצרים צורת פתית שלג או עץ (דנדריט ביוונית: עץ).

פירורי לחם – "ענן" של תכלילים אשר יכולים להיות מורכבים ממקבצים של גבישים קטנים.

תכלילים אורגניים – בענבר אופייניים תכלילי חרקים וצמחים שחדרו לתוך השרף המקורי ונותרו גם לאחר התאבנות השרף לענבר.

תכלילים סינגנטיים

סוג זה של תכלילים נוצרו ביחד עם האבן, בשלבים שונים של התגבשותה ובדרך כלל יש להם קשר מינרלוגי אמיץ לאבן. תכלילים אלה מסודרים בסדר סימטרי מסוים המקביל לסדר התגבשות האבן.

סיכות – חדירה של תמיסה והתגבשות בתוך תעלות זעירות שנוצרו באבן במהלך ההתגבשות. לסיכות אין צורת הגביש האופיינית לחומר החודר. דוגמאות: סיכות רוטיל באודם המונחות במקביל לצירי הגביש ונתונות ביניהם בזווית של 60/120 מעלות, גבישי גארנט מסוג פיירופ או פרידוט ביהלום המסודרים במקביל לקירות האוקטהידרה.

גבישים – גבישים קטנים המפוזרים בחלקים שונים של האבן. נפוצים גבישי קלציט באודם מבורמה, פצלת השדה באודם מתאילנד ודיופסיד כרום ביהלום.

נוזל – תכלילי נוזל ראשוני (primary liquid inclusions) שנוצר כאשר חלה הפרעה בתהליך הצמיחה של הגביש. בדרך כלל, בגלל חוסר זמני בחומרים הדרושים להתגבשות נוצרים באבן חללים זעירים המתמלאים בנוזל. שינוי קיצוני פתאומי בטמפרטורה החיצונית או חדירה מקרית של נוזל או גוש אחר עשויים לבלום את הצמיחה הטבעית של הגביש באזור שנפגע. תכליל זה יימצא רק באבנים שנוצרו בלחץ נמוך ובחום לא רב, והוא לא יימצא ביהלום, למשל, שלהתגבשותו נדרשים לחץ וטמפרטורה גבוהים.

שתי פאזות - תכלילי נוזל משניים (secondary liquid inclusions) הנוצרים בתוך שברים או בקיעים בתוך הגביש אליהם חדר נוזל. לשברים אין צורה אופיינית והם משמשים כמאגר זעיר לנוזל. לעיתים נפלטת מהנוזל בועית גז, ואז ייווצר תכליל שתי פאזות. סוג תכליל זה אופייני לרבים מסוגי הברקת.

שלוש פאזות – בתכליל שתי פאזות עשוי להתגבש גביש מתוך הנוזל שחדר אל תוך הסדק. תכלילים אלה אופייניים לברקת מקולומביה ומזמביה.

תשליל (negative inclusion) – בגלל חוסר זמני בחומרים הדרושים להתגבשות נוצרים באבן חללים זעירים בצורת הגביש והם מתמלאים בנוזל.

תריסים – תכלילים הנראים כקווים מקבילים ושקופים ונובעים מהפרעות בצמיחה הסדירה של הגביש. תכליל זה עשוי להיגרם על ידי כוחות חיצוניים – לחץ וטמפרטורה - שפעלו על הגביש במהלך ההתגבשות או ממתחים פנימיים בתוך הגביש.

אִיזוּר (zoning) - אזורי צבע מקבילים להתפתחות שכבות הגביש הנובעים משינוי בתמיסה ממנה התגבשה האבן. דוגמאות: איזור באחלמה, בפלואוריט, בבריט ובברקת. בטורמלין יוצר האיזור דוגמת אבטיח: קליפה ירוקה, שכבת ביניים לבנה וחלק פנימי אדום.

קווי צבע – תכלילים אלה אופייניים להפרעות בצמיחת הגביש. גורמי הצבע (coloring elements) נעדרים מן התמיסה או שהרכבם משתנה. דוגמאות: מקטעי צבע רציפים בגבישי טורמלין ופלואוריט.

גבישים תאומים – נגרמים בדרך כלל מצמיחה שכבתית של גביש על גבי גביש אחר.

גבולות בין גבישים תאומים – קווים עדינים ושקופים המייצגים גבולות בין גבישים שצמחו זה על גבי זה.

טביעת אצבע (fingerprint) – סוג זה של תכליל יכול להתרחש במהלך ההתגבשות או לאחר סיומו. טיפות של נוזל השזורות זו בזו אשר חלקן עברו תהליך של גיבוש, ויוצרות מראה של טביעת אצבע. תהליך התפתחותן של טביעות האצבעות הסינגנטיות מתחיל בחדירה של נוזל לתוך סדק רחב ושטוח. לסדק חודרת גם התמיסה המכילה את חומרי הגיבוש של האבן, חודרת לתוך הנוזל ומפרידה אותו לטיפות קטנות ומתחילה תהליך של החלמה של הסדק. בשלב הבא מתגבשות הטיפות הזרות לגבישונים והתמיסה מאפשרת את המשך צמיחתו של הגביש. תכליל זה מופיע בברקת ובאודם.

תכלילי כוכב שביט – גביש קטן שאליו צמוד שובל של חומר לבנבן – תמיסה או גבישונים צפופים שנותרו מאחור כאשר הגביש זז ממקומו בתוך נוזל.

תכלילים אפיגנטיים

סוג זה של תכלילים נוצרו באבן לאחר השלמת ההתגבשות או שהם מכילים חומרים שנלכדו באבן בשלבים קודמים ועברו תהליכים מסוימים לאחר גמר ההתגבשות.

שברים וסדקים - עשויים להיווצר כתוצאה משינויים בלחץ ובטמפרטורה או בעקבות רעידות אדמה.

טביעת אצבע (fingerprint) – סוג זה של תכליל יכול להתרחש במהלך ההתגבשות או לאחר סיומו. טיפות של נוזל השזורות זו בזו אשר חלקן עברו תהליך של גיבוש, ויוצרות מראה של טביעת אצבע. תהליך התפתחותן של טביעות האצבעות האפיגנטיות מתחיל בחדירה של נוזל לתוך סדק רחב ושטוח. בשלב הבא מתגבשות טיפות בנוזל לגבישונים היוצרים את המראה האופייני לטביעת האצבעות.

גלד - הגלדת שבר או סדק (healed cracks) – חומרים החודרים לתוך שברים וסדקים מתגבשים ויוצרים כעין גלד.

הילת הזירקון – השברים הרדיואקטיביים הם תכליל אפיגנטי, אם כי חדירת גביש הזירקון לאבן היא פרוטוגנטית.

כתמים – כתמי צבע שמקורם כנראה בחדירה של חומצות שונות לשברים בגביש לאחר השלמת צמיחתו. כתמי צבע חומים או צהובים המכונים גם "חלודה" אופייניים לברקת.

סיכות – חדירה של תמיסה והתגבשות בתוך תעלות זעירות שנוצרו באבן לאחר ההתגבשות. לסיכות אין צורת הגביש האופיינית לחומר החודר. דוגמאות: רוטיל בקוורץ וספינל באודם מבורמה.

אסטריזם (כוכביות) של 3, 6 (כוכב) או 12 קרניים (כוכב כפול) - נובע מהחזרת אור של מיליוני סיכות זעירות. דוגמאות: כוכביות באודם ובספיר.

תופעת עין החתול (chatoyance) – אסטריזם של קו אחד הנובע מהחזרת אור של מיליוני סיכות זעירות. על מנת להדגיש את התופעה, חותכים ומלטשים את האבנים בצורת קבושון, ומקפידים שהחיתוך יהיה כך שהסיכות תהיינה מקבילות לבסיס האבן המעובדת. תופעה זו מתקיימת באבנים רבות: סימופאן (סוג של כריזובריל) המכיל מחטים של רוטיל, קוורץ, בריל (בייחוד אקוומרין), טורמלין, אפטיט, אבן ירח וסקפוליט.