भूविज्ञान और निर्माण

लगभग सारे प्राकृतिक हीरे प्राचीन, स्थिर महाद्वीपीय खंडों की गहरी जड़ों में क्रिस्टलित हुए, जिन्हें क्रेटन (cratons) कहते हैं, 4 GPa से ऊपर के दाब और 950–1400 °C तापमान पर। GIA उस स्थायित्व क्षेत्र का ऊपरी सिरा लगभग 140 km पर रखता है, और अधिकांश रत्न-हीरे मोटे तौर पर 150 से 250 km के बीच बढ़ते हैं। इंक्लूजनों की तिथि-गणना उन्हें एक अरब वर्ष से ऊपर की आयु देती है, कुछ को लगभग 3.5 अरब की।

हीरे सतह तक केवल तीन दुर्लभ मैग्मा प्रकारों में पहुँचते हैं: किम्बरलाइट (kimberlite), लैंप्रोआइट (lamproite) और लैंप्रोफ़ायर। तीनों मैंटल में गहराई पर थोड़ी मात्रा में पिघलने से बनते हैं, वाष्पशील पदार्थों तथा मैग्नीशियम से भरपूर होते हैं, और तेज़ी से फूटते हैं, अनुमानतः 4 से 20 m/s पर। किम्बरलाइट मैग्मा 200–300 km जितनी गहराई पर बन सकता है। वह चीरता हुआ ऊपर बढ़ता है, दाब घटने पर गैस घोल से बाहर आती है, और विस्फोट तीन हिस्सों वाला पाइप खड़ा करता है: एक क्रेटर, चूर-चूर चट्टान का एक डायट्रीम (diatreme) जिसकी दीवारें लगभग 80 से 82 अंश पर ढलती हैं, और अंतर्वेधी किम्बरलाइट का एक मूल क्षेत्र। Clifford के नियम के अनुसार हीरा-धारी किम्बरलाइट क्रेटनों के सबसे पुराने आर्कियन हिस्सों से फूटते हैं। पश्चिमी ऑस्ट्रेलिया की Argyle खदान, जो लैंप्रोआइट है, 2020 में बंद होने तक गुलाबी तथा भूरे हीरों की अग्रणी उत्पादक थी। अच्छा अयस्क भी पतला होता है: USGS खनन किए गए किम्बरलाइट में हीरे की मात्रा 0.1 से 0.6 ppm रखता है।

अतिगहरे (superdeep) हीरे लगभग 300–800 km पर बने और दुनिया भर में खनन किए गए हीरों का अनुमानतः 2% हैं। उनमें नाइट्रोजन-विरल CLIPPIR पत्थर और बोरॉन वाले नीले टाइप IIb हीरे शामिल हैं।

अपरदन रत्नों को उनकी मेज़बान चट्टान से मुक्त करता है, और नदियाँ, लहरें तथा धाराएँ उन्हें बहा ले जाती हैं। रत्न-खनिज कठोर, रासायनिक रूप से प्रतिरोधी और क्वार्ट्ज़ रेत से अधिक सघन होते हैं, इसलिए वे वहाँ जमा होते हैं जहाँ धाराएँ धीमी पड़ती हैं: बजरी की पट्टियों, गड्ढों, पुरानी नदी-वेदिकाओं और तटों पर। इन जमावों को प्लेसर (placers) कहते हैं; नदियों के बिछाए प्लेसर जलोढ़ (alluvial) कहलाते हैं। दोषयुक्त क्रिस्टल ढुलाई में टूट जाते हैं, इसलिए प्लेसर प्रायः अपने स्रोतों से अधिक ठोस पत्थर देते हैं। कोरंडम भंडारों पर GIA की समीक्षा दर्ज करती है कि कायांतरित परिवेश के प्लेसर, जैसे श्रीलंका में Ratnapura तथा Elahera और मैडागास्कर में Ilakaka, सबसे ऊँची गुणवत्ता के नीलम देते हैं।

हीरे का सबसे बड़ा प्लेसर तंत्र दक्षिणी नामीबिया के अटलांटिक तट पर है। Orange नदी दक्षिणी अफ़्रीका के भीतरी भाग से हीरे तट तक लाई, और उत्तर की ओर बहती तटवर्ती धारा ने उन्हें पुराने नदी-मुख से 150 km से अधिक दूर तक तटों और समुद्र-तल पर फैला दिया। बजरी का आकार और हीरों का आकार, दोनों उत्तर की ओर घटते जाते हैं। खनन 1908 में शुरू हुआ, जब Zacharias Lewala को Kolmanskop के पास रेत में एक हीरा मिला। इन भंडारों के 2006 के एक अध्ययन ने 1990 के दशक के अंत तक दक्षिणी अफ़्रीका में निकाले गए 130 मिलियन से अधिक कैरेट जलोढ़ हीरों में नामीबियाई तट का हिस्सा 55% से अधिक रखा। अब समुद्री खनन का बोलबाला है: 2020 का एक शोधपत्र बताता है कि सात जहाज़ों का बेड़ा 150 m तक की गहराई पर समुद्र-तल पर काम करता है और नामीबिया के हीरा उत्पादन का तीन-चौथाई से अधिक निकालता है।

पेगमाटाइट (pegmatite) असामान्य रूप से बड़े, आपस में गुँथे क्रिस्टलों से बनी आग्नेय चट्टान है। अधिकांश रत्न-युक्त पेगमाटाइट ग्रेनाइटी होते हैं। ये ठंडे होते ग्रेनाइट मैग्मा के अंतिम, जल-बहुल अंश से क्रिस्टलित होते हैं, जो उन असंगत तत्वों से समृद्ध अवशेष होता है जो आम चट्टान-निर्माता खनिजों में आसानी से नहीं बैठते: लिथियम, बेरिलियम, बोरॉन, फ्लोरीन, फॉस्फोरस, रुबिडियम, नायोबियम, सीज़ियम और टैंटलम। इस चरण के कम तापमान पर नए क्रिस्टल मौजूदा क्रिस्टलों की वृद्धि से धीमे शुरू होते हैं, इसलिए बहुत से छोटे रहने के बजाय कुछ ही क्रिस्टल बहुत बड़े हो जाते हैं। हाल का काम बताता है कि वृद्धि दर एक मीटर या उससे अधिक प्रतिदिन तक पहुँच सकती है।

रत्न क्रिस्टल सबसे अधिक पिंड के मूल और मध्य क्षेत्रों की खुली या मिट्टी भरी पॉकेट में मिलते हैं, जहाँ वे तरल भरी जगह में स्वतंत्र रूप से बढ़े। ऐसी गुहाओं वाले पिंड मायारोलिटिक पेगमाटाइट कहलाते हैं, और वे उन प्लूटनों के भीतर या पास बैठते हैं जो भूपर्पटी में कम गहराई तक अंतर्वेधित हुए। लिथियम-सीज़ियम-टैंटलम (LCT) परिवार के पेगमाटाइट नायोबियम-इट्रियम-फ्लोरीन (NYF) परिवार से कहीं अधिक हैं, और वे रत्न टूरमैलीन, बेरिल, स्पॉड्यूमीन, टोपाज़ तथा गार्नेट के महत्वपूर्ण उत्पादक हैं।

जाने-माने पेगमाटाइट रत्न-क्षेत्रों में ब्राज़ील का Minas Gerais, मैडागास्कर, पाकिस्तान का Skardu ज़िला और California का San Diego County आते हैं, जहाँ Oceanview खदान से आज भी कुंज़ाइट निकलता है। पेगमाटाइट से ज्ञात कुछ सबसे बड़े क्रिस्टल निकले हैं, जिनमें स्पॉड्यूमीन और बेरिल की लंबाई 10 m या उससे अधिक दर्ज है।

सबसे अधिक मूल्यवान माणिकों में से बहुत संगमरमर में बढ़े, जो चूना पत्थर के ताप और दाब में फिर से क्रिस्टलित होने पर बनी कायांतरी चट्टान है। संगमरमर-आश्रित भंडारों की एक पट्टी मध्य और दक्षिण-पूर्व एशिया में फैली है: अफ़ग़ानिस्तान में Jegdalek, पाकिस्तान में Hunza घाटी और Nangimali, नेपाल में Chumar तथा Ruyil, म्यांमार में Mogok और Mong Hsu, और वियतनाम में Luc Yen तथा Quy Chau। ये सब उस ज़मीन में हैं जो भारत की एशिया से टक्कर से विकृत हुई, और रेडियोमितीय तिथि-गणना मध्य तथा दक्षिण-पूर्व एशियाई भंडारों को ओलिगोसीन से प्लायोसीन आयु देती है, लगभग 40 से 5 मिलियन वर्ष।

GIA की कोरंडम भंडारों की समीक्षा इन संगमरमरों में माणिक की वृद्धि को मोटे तौर पर 620–670 °C और 2.6–3.3 kbar पर रखती है। क्रिस्टल चट्टान में बिखरे बैठते हैं, साथ में फ्लोगोपाइट, मस्कोवाइट, स्कैपोलाइट, मार्गराइट, स्पिनेल, टाइटेनाइट, पाइराइट और ग्रेफाइट, और इसीलिए बढ़िया लाल स्पिनेल भी उन्हीं कामों से निकलता है, सबसे बढ़कर Mogok से। म्यांमार का Mogok Stone Tract लगभग 600 CE से कबूतर के खून जैसे माणिक देता आया है।

हर बढ़िया माणिक भंडार संगमरमर-आश्रित नहीं है। मोज़ाम्बिक का Montepuez कायांतरित मैफ़िक तथा अल्ट्रामैफ़िक चट्टानों में एम्फिबोलाइट-प्रकार का भंडार है, और उसका अधिकांश उत्पादन पास की द्वितीयक ज़मीन से आता है: कोणीय टुकड़ों का कोलुवियम, और उससे कम हिस्सा चिकने, गोल जलोढ़ कंकड़ों का।

बहुत से नीले, हरे और पीले नीलम युवा क्षारीय बेसाल्ट क्षेत्रों के ऊपर की मिट्टी और बजरी से निकाले जाते हैं। इस तरह के भंडार Tasmania से होते हुए पूर्वी ऑस्ट्रेलिया, दक्षिण-पूर्व एशिया और पूर्वी चीन से सुदूर पूर्वी रूस तक फैले हैं, और नाइजीरिया तथा कैमरून में, मैडागास्कर में और इथियोपिया के Aksum में भी काम में लाए जाते हैं। बेसाल्ट ने रत्न नहीं बनाए। नीलम ज़ेनोक्रिस्ट हैं, यानी उस लावा के लिए पराए क्रिस्टल जो उन्हें ले आया, और वे उपक्षारीय ऑलिवीन बेसाल्ट, उच्च-एल्युमिना क्षारीय बेसाल्ट तथा बेसानाइट के प्रवाहों और प्लगों में मिलते हैं, उन भूपर्पटीय परिवेशों में जो उठते मैंटल प्लूमों के ऊपर खिंचे हुए थे। उन प्रवाहों के अपक्षय से वे जलोढ़ भंडार बचे हैं जिन पर आज काम होता है, मुख्यतः उत्तरी New South Wales और मध्य Queensland में।

इन नीलमों का रसायन पहचाना जा सकता है। 2007 के एक अध्ययन में J.-J. Peucat और सहयोगियों ने दिखाया कि क्षारीय बेसाल्ट से आए मैग्माजन्य नीले नीलमों में 2000 से 11000 ppm लोहा, 140 ppm से अधिक गैलियम और आम तौर पर 20 ppm से कम मैग्नीशियम होता है, जिससे गैलियम-से-मैग्नीशियम अनुपात 10 से ऊपर बैठता है। कायांतरी नीले नीलमों में, जिनमें कंबोडिया के Pailin के हल्के रंग के पत्थर और Mogok, श्रीलंका तथा Ilakaka का माल शामिल है, 3000 ppm से कम लोहा होता है और अनुपात 10 से नीचे रहता है। प्रयोगशालाएँ आज भी उस विभाजन को प्रमाण की एक कड़ी के रूप में काम में लेती हैं।

Montana के Yogo Gulch नीलम इससे जुड़ा मैग्माजन्य मामला हैं, पर उनकी मेज़बान चट्टान बेसाल्ट नहीं, एक क्षारीय लैम्प्रोफ़ायर है।

पन्ने को बेरिलियम चाहिए, जो ग्रेनाइट और पेगमाटाइट में इकट्ठा होता है, साथ में क्रोमियम या वैनेडियम, जो गहरे रंग की मैफ़िक तथा अल्ट्रामैफ़िक चट्टानों और कुछ शेलों में इकट्ठा होते हैं। अधिकांश भंडार इन दोनों को एक साथ लाते हैं: GIA की समीक्षा कायांतरित मैफ़िक तथा अल्ट्रामैफ़िक चट्टानों वाले प्रकार को विश्व उत्पादन का लगभग 70% बताती है, जिसमें ब्राज़ील, ज़ाम्बिया और रूस मुख्य आपूर्तिकर्ता हैं।

Eastern Cordillera में कोलंबिया के भंडार दूसरी तरह बने, जिनमें कोई आग्नेय क्रिया शामिल नहीं थी। पन्ने निम्न क्रिटेशियस काली शेलों के भीतर शिराओं और ब्रेशिया में मिलते हैं। 1994 के एक Nature शोधपत्र में T. L. Ottaway और सहयोगियों ने Muzo खदान के लिए दिखाया कि जलतापीय लवणजल वाष्पीय सल्फेट को अनुकूल संरचनाओं तक ले गए, जहाँ उसका रासायनिक अपचयन हुआ; फिर सल्फर ने शेल के कार्बनिक पदार्थ से क्रिया की और वहाँ फँसे क्रोमियम, वैनेडियम तथा बेरिलियम को मुक्त कर दिया। GIA इन द्रोणी तरलों को 300–330 °C और 40 wt.% तक तुल्य NaCl पर रखता है, जो गहराई में तब बने जब वर्षाजल और संरचनाजल नमक की परतों तथा वाष्पीय अनुक्रमों से मिले।

खदानें दो समूहों में बँटती हैं। पश्चिमी क्षेत्र में Muzo, Coscuez, Peñas Blancas, Cunas, La Pita और Yacopi हैं; पूर्वी क्षेत्र में Gachalá, Chivor तथा Macanal ज़िले।

ऑस्ट्रेलिया के बहुमूल्य ओपल क्षेत्र Great Artesian Basin में और उसके किनारे के साथ हैं, जिसकी क्रिटेशियस चट्टानें एक उथले भीतरी समुद्र, Eromanga Sea, में और उसके किनारे बिछी थीं। दक्षिण ऑस्ट्रेलिया में Coober Pedy और Andamooka, New South Wales में White Cliffs तथा Lightning Ridge, और Queensland के बोल्डर ओपल क्षेत्र, सब इन्हीं अवसादों में बैठते हैं, और ओपल मुख्यतः उनकी क्रिटेशियस बलुआ पत्थर तथा मृत्तिका-पाषाण इकाइयों से निकाला जाता है।

ओपल कैसे बना, इस पर आज भी बहस है। GIA का इन क्षेत्रों का सर्वेक्षण एक अपक्षय सिद्धांत, एक सूक्ष्मजीव सिद्धांत और एक सहविवर्तनिक सिद्धांत सामने रखता है, जबकि हाल का काम गहराई तक अपक्षयित परिच्छेदिका से होकर गुज़रते एक अपचयन-उपचयन मोर्चे की ओर इशारा करता है। समय को लेकर भी मतभेद है।

भंडार की शैली क्षेत्र-दर-क्षेत्र बदलती है। Lightning Ridge में काला ओपल आरंभिक क्रिटेशियस Finch Claystone की सफ़ेदी लिए मिट्टी में पिंडों के रूप में मिलता है; खनक उन्हें नॉबी कहते हैं, और भंडार आम तौर पर सतह से 30 m से कम नीचे होते हैं। किसी नॉबी का बड़ा हिस्सा गहरा धूसर पॉच होता है, जिसके एक भाग में बहुमूल्य ओपल रहता है, और वही गहरी पृष्ठभूमि बढ़िया काले ओपल को उसका प्ले-ऑफ-कलर देती है। Queensland में ओपल उन सिलिकामय आयरनस्टोन संपिंडों को भरता है जिन्हें खनक लिली पैड या नट कहते हैं, और जो ऊपरी क्रिटेशियस आयु के Desert Sandstone में हैं। ओपल ने क्रिटेशियस जीवाश्मों की जगह भी ले ली है, सूक्ष्मदर्शीय जीवों से लेकर डायनासोर के कंकालों तक।

दो पदार्थ रत्नविज्ञान के किनारे पर बैठते हैं: एक जो असली है पर काटने लायक बड़ा लगभग कभी नहीं मिलता, और एक जिसके अस्तित्व पर ही विवाद है।

मॉइसेनाइट सिलिकॉन कार्बाइड है। प्राकृतिक सिलिकॉन कार्बाइड बहुत दुर्लभ है और दुनिया भर में केवल कुछ ही भंडारों में नन्हे क्रिस्टलों के रूप में मिला है, प्रायः 1.5 mm से छोटे। सबसे बड़े ज्ञात प्राकृतिक क्रिस्टल उत्तरी इज़राइल की Kishon नदी से आते हैं, जहाँ निकाला गया माल 2000 के आसपास 0.1 से 1 mm से बढ़कर 2002 में 2.2 mm, 2009 में 3.5 mm और 2012 में 4.1 mm हो गया। इन आकारों पर प्राकृतिक क्रिस्टलों को पहलदार नहीं किया जा सकता, इसलिए आभूषणों में काम आने वाला मॉइसेनाइट प्रयोगशाला में उगाया जाता है।

लोन्सडेलाइट, जिसे षट्कोणीय हीरा भी कहते हैं, क्षुद्रग्रह टकरावों के चिह्न के रूप में व्यापक रूप से काम में लिया जाता रहा है और ग्रेफाइट से हीरे में बदलाव में उसकी केंद्रीय भूमिका मानी जाती है। लंबे प्रयासों के बावजूद इसे कभी अलग, शुद्ध पदार्थ के रूप में न बनाया गया न वर्णित किया गया। 2014 में Péter Németh और सहयोगियों ने Nature Communications में बताया कि जिन नमूनों में लोन्सडेलाइट के लक्षण माने गए, वे {113} ट्विन और {111} स्टैकिंग दोषों से भरे घनीय हीरे हैं, जिनमें Canyon Diablo उल्कापिंड का वह माल भी है जिससे मूल वर्णन बना था। उन्होंने तर्क दिया कि यह खनिज अलग पदार्थ के रूप में मौजूद नहीं है, और उस पर टिके काम की फिर से जाँच ज़रूरी है।