Hoe ontstond vuursteen?

Stenen sla je door met een hamer of door ze tegen een andere steen te gooien. Dat is bij vuursteen ook zo. Maar er schuilt een addertje onder het gras. Stenen bestaan uit gesteente, maar wat men in de geologie onder gesteente verstaat, gaat voor vuursteen niet op. Vuursteen is weliswaar steenhard, maar het vormt geen rotsen en bergen, zoals graniet of zandsteen. Wat is het dan wel?

Reconstructie van zeeleven in de warme krijtzee.

Vuursteen ontstond in de zeebodem van een subtropische zee tijdens het Boven-krijt en het Vroeg-Tertiair, zo’n 100 tot 61 miljoen jaar geleden. Hoe de vorming precies in zijn werk ging, daarover heerst nog veel onduidelijkheid. Vuursteen vormt namelijk concreties in kalksteen en lagen wit schrijfkrijt. Deze concreties zijn grillige samenklonteringen van silica. Ze zijn vaak knol-, bol- of schijfvormig met alle denkbare variaties daartussen. Soms lijken vuursteenconcreties op boomtakken of stukken hertengewei, soms zijn die zo dik dat veel mensen denken dat ze met een stuk dinosaurierbot te maken hebben.

Vuursteenknol - Zwerfsteen van Horne Naes, Fünen (Dk.).

Vuursteenknollen bezitten zeer uiteenlopende vormen. Sommige tonen gelijkenis met dieren. Met een echt fossiel hebben ze echter niets te maken. De vorm is puur toeval.

Op de bodem van de subtropische Krijtzee ontstond door het afsterven van plankton en zeebodem bewonende dieren, kalkslib. Daartussen bevonden zich ontelbare kiezelskeletjes van eencellige diatomeeën en radiolariën. In de kalkige zeebodem loste het kiezel (=silica) van de skeletjes op. Hieruit ontstond een verdunde kiezeloplossing. Veel is nog onbekend, maar wellicht onder invloed van rottend organisch materiaal, scheidde silica zich af uit de kiezeloplossing. Dit gebeurde rond en in de kalken huisjes en schelpen van dode dieren, maar ook in graafgangen van wormen en kreeften. Daarom vinden we in vuursteen vaak fraaie, in detail bewaard gebleven fossielen.

Vuursteenconcreties variëren van een paar centimeter tot meer dan een halve meter. Soms zijn ze in bepaalde lagen meer dan een meter groot. Worstvormig kronkelende vuursteenconcreties, die vaak meters lang kunnen zijn, zijn vaak ontstaan rond kruipgangen van kreeften en wormen. Vuursteenplaten en dito banken kunnen soms vele tientallen meters gevolgd worden.

Vuursteen met steenkern van een zee-egel - Zwerfsteen van Haddorf (Dld.)

Het gevlekte oppervlak van de vuursteen is de sterk verweerde en deels afgesleten buitenzijde van de vuursteenknol. Op de foto is de vijfstralige onderzijde van de zeeëgel (Galerites vulgaris) fraai te zien.

Waar bestaat vuursteen uit?

Vuursteen bestaat hoofdzakelijk uit silica (SiO₂), ook wel kiezel genoemd. Silica in vuursteen vormt uiterst kleine kristallen van kwarts en andere silica-mineralen, waaronder moganiet en opaal. De kristallen zijn alleen bij zeer sterke vergroting onder de electronenmicroscoop zichtbaar. Zo’n microscopisch fijne kristalstructuur noemt men kryptokristallijn, van het Griekse kryptos, dat verborgen betekent. Naast kwarts en chalcedoon bevat vuursteen een wisselend gehalte aan opaal en moganiet. Opaal is amorfe silica dat net als moganiet water in gebonden vorm bevat. Van opaal is de chemische formule: SiO₂,2H₂O.

Blootgesteld aan zonlicht, vooral op stranden, maar ook door vorstwerking verliezen moganiet en opaal hun water. Vuursteen verkleurt daardoor aan de buitenzijde witachtig. Deze verkleuring noemt men patina. Is de patinalaag zeer dun, dan kleurt deze als ondermelk, blauwachtig wit. Is de laag dikker dan is deze melkwit. Zwaar gepatineerde vuurstenen zijn massaal te vinden op oude stranden en strandwallen langs de Oostzeekust in Duitsland en Denemarken. De stenen zijn niet zelden tot in de kern wit. Dat de witte kleur op een poreuze structuur wijst is te merken door de tong tegen zo’n witte vuursteen te houden. Vocht wordt in de poriën gezogen, waardoor de tong merkbaar aan het oppervlak kleeft.

Vuursteen is door zijn homogene, dichte structuur, vaak glasachtig en doorschijnend. Het bevat meestal ook zeer kleine insluitsels van kalk, hoewel deze in verweerde Drentse vuurstenen door oplossing verdwenen zijn. Ook pyriet komt voor. Vers gedolven vuursteen uit krijtkalk is op de breuk zwart, grijszwart, bruinzwart, grijs of wit met grijze vlekken, vegen en/of strepen. De zwarte kleur wordt veroorzaakt doordat invallend licht geabsorbeerd wordt. Dunne splinters zijn doorzichtig.

Grijze, doorgeslagen vuursteen uit de kalkgroeve bij Lagerdorf (Dld).

Vuurstenen die sinds de ijstijd hier al meer dan 150.000 jaar in de bodem voorkomen, zijn afhankelijk van de bodemlaag waarin ze liggen door verwering en infiltratie met grondwater vaak beige/geel, bruinachtig en soms zelfs rood. Deze kleuren zijn veroorzaakt doordat ijzerhoudend bodemvocht in de poriën van de vuursteen getrokken is en daar is geoxideerd. Het aanwezige ijzer gaat dan roesten. Onverweerde vuursteenknollen zijn aan de buitenzijde wit. De witte buitenkant bestaat uit een dun, poreus overgangslaagje, dat net als de vuursteen zelf uit fijnkristallijne en opaal-achtige silica bestaat. Dit witte laagje noemt men de cortex. In verse vuursteen bevat de cortex nog veel kalk. Dit lost bij verwering snel op.

Bij losse zwerfstenen van vuurstenen is de kalk in de cortex allang verdwenen. Alleen in onverweerde, kalkrijke keileem komen vuurstenen voor waar de cortex nog kalk bevat. De silica van de poreuze cortex zelf is transparant. Door lichtverstrooiing kleurt deze net als schrijfkrijt wit.

Vuurstenen die lang in de bodem hebben gelegen, verliezen hun  poriewater. Dat was met vuurstenen in de prehistorie ook het geval, vooral als die van het oppervlak waren opgeraapt of ondiep uit de bodem kwamen. Deze vuurstenen waren moeilijker en vooral onvoorspelbaarder te bewerken. Bovendien bezaten deze vuurstenen vaak scheurtjes die niet of moeilijk te zien waren. Oppervlakte vuursteen had daarom vaak een slechte kwaliteit. Voor het maken van grote werktuigen als dolken, bijlen en sikkels, waren ze meestal ongeschikt. Voor die werktuigen was men aangewezen op import uit het Oostzeegebied en Noord-Denemarken. Vuursteenbrokken die men aan de voet van keileemkliffen vond of die door mijnbouw uit de kalksteen gedolven waren, hadden deze tekortkomingen niet.

Ondanks de gebreken die aan verweerde zwerfstenen van vuursteen kleven, hebben mensen in de prehistorie er dankbaar gebruik van gemaakt. Werktuigen als pijlpunten, boortjes, schrabbers, mesjes en ook kleine bijlen kon men er prima van maken. Van ondoorzichtige, korrelige vuursteen maakte men in het Mesolithicum zelfs hakken en bijlen, die tot zo’n 15cm lang waren. Ze waren naar onze indruk wat slordig gemaakt en waren zeker niet zo fraai symmetrisch als de Neolithische bijlen uit het Oostzee-gebied. Vaak volgden deze Mesolithische bijlen deels de oorspronkelijke vorm van de zwerfstenen waar ze uit gemaakt waren. De meeste zijn gemaakt van ondoorzichtige, meer korrelige vuursteen. Blijkbaar was dit vuursteentype minder verweringsgevoelig, dan de glasachtige varianten.

Samenvattend, vuursteen bestaat uit kiezel of silica en is ontstaan als concretie in kalksteenafzettingen uit het Laat-Krijt en het Vroeg-Tertiair. Een heel bekend vuursteentype uit het Vroeg-Tertiair (Danien) is bryozoënvuursteen.