О самоцветах и самородных металлах

Минералы формируются, растут и изменяются. Сырьем для их формирования является магма, поднимающаяся через разломы земной коры и оседающая в ее менее глубоких и, следовательно, менее горячих слоях, где она постепенно кристаллизуется, создавая породы, состоящие из ассоциаций минералов. На конечной стадии кристаллизации остается лишь магматический остаток, обогащенный летучими элементами, газами и водяными парами, которые не образовали соединений на предшествующих этапах кристаллизации. Этот остаток кристаллизуется, образуя пегматиты – породы, в которых сконцентрированы некоторые минералы, такие как слюда, турмалин и берилл. Часть газов и водяных паров может остаться в запертом состоянии внутри породы и, подобно воздушным пузырям в хлебе, может оставлять полости миндалевидной (ромбоидальной) формы. Впоследствии эти полости могут заполниться кварцем и его разновидностями (агатом, халцедоном и т. д.). Но основная часть газов и водяного пара обычно выходит на поверхность через разломы и трещины в породе. Смесь газов и водяных паров, охлаждаясь, переходит в растворы, образующие затем на стенках трещин новые минералы. На этой стадии, называемой гидротермальной, можно наблюдать образование самых различных типов минералов, как правило, с кварцем или кальцитом в качестве сопутствующих элементов.

Минералы, образовавшиеся путем трансформации

На поверхности земли минералы и породы подвергаются воздействию внешних (экзогенных) факторов: подобные изменения происходят непрерывно, хотя и очень медленно. Колебания температуры и атмосферные осадки приводят к механическому разрушению породы; атмосферный кислород, углекислота и вода оказывают химическое воздействие; к этому добавляется разрушение вследствие биологических процессов. Влияние экзогенных факторов может привести к существенным изменениям в структуре минералов.

Химическое осадочное образование минералов

Ряд минералов имеет океаническое происхождение. Они сформировались в результате испарения морской воды либо изменений ее химического состава. Именно таким образом образуются залежи каменной соли, а также некоторые железные руды и отложения мела и известняка.

Метаморфическое образование минералов

Когда расплавленная магма поднимается в верхние слои земной коры, происходит их разогрев, сжатие и образование летучих химических элементов. Физико-химические свойства пород, через которые прошла магма, претерпевают серьезные изменения. Эти процессы в науке называются метаморфизмом. Различают контактовый метаморфизм, при котором взаимодействуют соприкасающиеся горячий магматический раствор и холодные вмещающие породы, и региональный дислокационный метаморфизм, при котором перемещения больших масс пород сопровождаются изменением их минерального состава и возникновением новых минералов.

Форма минералов

Кристаллы

Минералы – это физически и химически однородные тела, имеющие, как правило, четко определенный химический состав. Большинство минералов – вещества кристаллические. В тех случаях, когда форма минералов ограничивается плоскими поверхностями (гранями), ребрами и двугранными углами, их называют кристаллами. Внешний вид кристалла тесно связан с его атомной структурой, ведь кристалл – однородное тело, мельчайшие составляющие которого – атомы – расположены в строгом порядке и образуют кристаллическую решетку. Даже у кристаллов несовершенной формы кристаллическая решетка остается неизменной на атомарном уровне. В минералах с геометрически неправильной формой расположение атомов регулируется не слишком жестко. Минералы такого строения называются аморфными: их внешние формы (как, например, у опала) нередко напоминают шар или плод фасоли.

Симметрия кристалла

Важное свойство кристалла – соответствие различных граней между собой, т. е. симметрия. Плоскость симметрии делит кристалл на две одинаковые на вид половины. Ось симметрии проходит через центр кристалла. Вращение кристалла вокруг оси симметрии позволяет получить идентичную форму в нескольких положениях (от двух до шести). При этом каждой грани кристалла соответствует параллельная грань, повернутая на 180° вокруг этого центра симметрии. При комбинации и упорядочивании вышеназванных элементов симметрии мы получим для всех кристаллов 32 класса симметрии, которые можно сгруппировать на основе их общих характеристик в семь кристаллических систем (сингоний). Триклинная сингония обладает наименьшим числом элементов симметрии; в порядке возрастания за ней следуют моноклинная сингония, ромбическая, тетрагональная, тригональная, гексагональная и кубическая.

Минеральные агрегаты

Хорошо сформированные отдельные кристаллы в природе встречаются редко. Более часто в ограниченном пространстве кристаллы громоздятся друг на друга, образуя минеральные агрегаты – большое количество сросшихся кристаллов одного минерала. В разломах породы группы кристаллов, растущих от общего плоского основания, образуют друзы, в полостях образуются жеоды. Минеральные агрегаты могут быть самого разного вида.

В небольших разломах многих известняков обнаруживаются образования, похожие на окаменевший папоротник, – дендриты, образующиеся из отложений оксидов и гидроксидов марганца и железа.

Двойники

Одной из характерных кристаллических форм являются двойники, представляющие собой взаимные закономерные срастания кристаллов одного и того же минерала. Они бывают простыми и сложными и отличаются своеобразными формами (например, кристаллы гипса срастаются в «ласточкин хвост»).

Физические характеристики

Внешняя форма и симметрия кристалла зависят от связей между атомами и от их расположения. Расположение атомов определяет физические свойства кристаллов.

Цвет

Некоторые минералы имеют настолько чистый и выразительный цвет, что ими пользуются в качестве основы для изготовления красок. В повседневной речи часто встречаются выражения типа изумрудно-зеленый, рубиново-красный, голубой, как бирюза, цвета аметиста и т. п. Цвет – один из главных критериев идентификации кристалла, однако общеизвестно, что ряд минералов имеет переменный цвет. Среди многочисленных минералов с неизменным цветом – зеленый малахит, черный графит, желтая сера. Кварц, кальцит, каменная соль – минералы, бесцветные в чистом виде, окрашиваются, если содержат примеси. Известна синяя соль, а также желтый, розовый, фиолетовый или бурый кварц. А такой минерал, как флюорит, существует практически во всей цветовой гамме.

Цвет турмалина, апатита и берилла может варьировать в зависимости от условий образования. В этом случае цвет не является различающим фактором. Цвет минерала зависит как от химического состава и структуры, так и от наличия механических примесей, трещинок и пр.

Твердость

Под твердостью понимают сопротивление кристалла попытке деформировать его, другими словами – то сопротивление, которое он оказывает внешнему механическому воздействию.

Фридрих Моос (1773—1839) предложил относительную 10-ступенчатую шкалу твердости (которой пользуются до сих пор), где каждый из минералов, представляющих собой градации твердости, царапает предшествующий: 1 – тальк, 2 – гипс, 3 – кальцит, 4 – флюорит, 5 – апатит, 6 – полевой шпат, 7 – кварц, 8 – топаз, 9 – корунд, 10 – алмаз (эти значения действительны для данных минералов в чистом виде). На практике удобно разделять минералы по твердости на четыре группы: 1) мягкие (твердость меньше 2,5) – в большей или меньшей степени царапаются ногтем); 2) средней твердости (от 2,5 до 5,5—6) – оставляют царапину на ногте; царапаются ножом или осколком стекла; 3) твердые (5,5—6) – царапают стекло или лезвие ножа; 4) очень твердые (> 7) – царапают кварц.

Твердость минералов первой группы легко уточнить с помощью бумаги: минерал твердости 1 легко пишет по бумаге; твердости 1,5 – царапает бумагу, пишет с трудом; твердости 2 – не пишет, но царапается ногтем.

Спайность

Удар молотка или давление ножа позволяют отделить плоские в расколе слои кристаллов некоторых минералов. Расслоение происходит вдоль границ минимального сцепления. Это свойство называется спайностью. Некоторые минералы можно расслоить в различных направлениях. Каменная соль и галенит расслаиваются параллельно граням куба. Флюорит расслаивается, т. е. имеет спайность по граням восьмигранника (октаэдра), кальцит – по граням ромбоэдра. Другие минералы, например слюда или гипс, прекрасно расслаиваются только в одном направлении, а в другом направлении расслоение несовершенно или, как правило, невозможно.

Излом

Многие минералы, например кварц и опал, не имеют спайности ни по каким направлениям, основная их часть раскалывается беспорядочно. В зависимости от поверхности излома различают плоский излом, неровный излом, раковистый излом, полураковистый излом, шероховатый излом и др. Излом может служить параметром определения минерала.

Блеск

Так же, как и цвет, блеск – один из параметров определения минерала. Различают минералы с металлическим и неметаллическим блеском, тем не менее, когда невозможно их различить, иногда говорят о полуметаллическом блеске. Различают многочисленные категории минералов с неметаллическим блеском в зависимости от его интенсивности и качества. Самые распространенные термины для определения этого блеска – алмазный блеск, стеклянный блеск, жирный блеск и матовый блеск (у минералов со слабой отражающей способностью).

Диагностические свойства минералов, которые определяют с помощью простейших инструментов

Шкала Мооса

Цветные камни могут быть любой твердости, но если твердость меньше шести, то их использование в ювелирном деле становится проблематичным. Твердость изменяется вследствие выветривания, включений, примесей, кристаллических сростков и спайности.

Твердость

На практике твердость определяется как реакция сопротивления камня на механическое воздействие (царапанье) различными эталонами. Существует несколько шкал твердости с пропорциональным делением, наиболее известна шкала Мооса. При определении твердости минерала следует быть осторожным, чтобы не повредить естественную огранку кристалла.

Черта (цвет минерала в порошке)

Если потереть камень о фарфоровую пластинку, не покрытую глазурью, то появится след черты, который иногда совпадает с цветом минерала (в основном для случая идиохроматических окрасок) или полностью отличается от него (например, черта пирита черная). Аллохроматические минералы обычно имеют белую или очень бледную черту. И снова надо быть очень осторожным при тестировании, чтобы не повредить естественную огранку кристаллов.

Плотность

Плотность минерала, определяемая в метрической системе как отношение массы к объему, традиционно используется в диагностике драгоценных камней, поскольку эта константа почти не меняется от образца к образцу. Суспензионный метод определения плотности минералов наиболее точный и быстрый. Образец помещают в жидкость с известной плотностью, если он всплывает, его плотность меньше, чем плотность жидкости; если тонет – плотность больше. При соответствующем наборе тяжелых жидкостей с эталонированной плотностью можно легко определить плотность довольно большого числа минералов. Для прецизионных измерений плотности обычно используют метод двойного взвешивания, когда один раз взвешивают образец на воздухе, а второй раз – в воде.

Двупреломление

Кристаллы, в которых наблюдаются разные оптические свойства по разным направлениям, называются анизотропными. Оптическая плотность и показатель преломления в них зависит от кристаллографической ориентации. Пучок света при прохождении через такие кристаллы расщепляется на два поляризованных пучка – возникает эффект двупреломления, который можно измерить в лабораторных условиях. Двупреломление не возникает, если свет направлен вдоль оптической оси кристалла. Кальцит и циркон обладают чрезвычайно высоким двупреломлением, которое заметно даже невооруженным глазом. Огранка камней всегда производится с учетом этого явления.

Оптический показатель преломления

Когда пучок света переходит из среды с одной оптической плотностью в другую (например, из воздуха в кристалл), происходит его преломление.

Угол, под которым пучок света падает на поверхность раздела сред, называют углом падения.

Если пучок перпендикулярен поверхности, то преломления не происходит. Показатель преломления – очень важная характеристика для диагностики ювелирных камней.

Дисперсия

Свет разной длины волны преломляется в кристаллах под разным углом. По этой причине обычный белый свет, состоящий из смеси всех цветов радуги, разлагается при прохождении через кристалл на отдельные компоненты спектра. Этот очень ценный в ювелирном деле эффект радуги называется дисперсией. Его легко наблюдать в таких драгоценных камнях, как алмаз и циркон. Синтетические камни, имитирующие алмаз, тоже обладают сильной дисперсией (фианиты, YAG и др.).

Плеохроизм