Образование и облик минералов и кристаллов

Изучение облика минералов, т. е кристалломорфо-логия, составляет один из существенных разделов мине­ралогии. Минералогам, петрографам и исследователям месторождений, словом, каждому, кто занят изучением минерального мира, кристаллография — учение о кри­сталлах— необходима для диагностики минералов и их агрегатов. Подчас минералы встречаются в природе в виде правильных кристаллов, выросших в пустотах, но гораздо чаще в виде сплошных зернистых или плотных образований (рис. 3). Минералы, кристаллизовавшиеся в условиях земной коры, образованы по определенным законам. Их кристаллографическая форма зависит от химического состава, а также от физических условий образования — давления и температуры.

По своим размерам природные кристаллы могут быть самыми разными: от микроскопических до весьма крупных вплоть до нескольких метров длиной и в попе­речном сечении. Внешний облик кристаллов зависит от того, насколько спокойно происходил их рост. Большин­ство кристаллов в природе растут медленно — тысячи и миллионы лет. Однако некоторые кристаллы растут очень быстро, например кристаллы легко растворимых солей, иногда сублимационных минералов (сера, таблич­ки гематита) в кратерах действующих вулканов.

Вообще говоря, кристаллы образуются в тех случаях, когда какое-либо вещество переходит из жидкого или газообразного состояния в твердое. Рост кристалла на­чинается с образования зародышей и скелетных форм. При длительном, равномерном, беспрепятственном по­ступлении вещества со всех сторон возникают нормаль­ные кристаллические формы, что, однако, едва ли является правилом. В большинстве случаев кристаллы стеснены в своем росте соседними телами (соседними кристаллами). Это приводит к образованию несовершен­ных кристаллов с искаженными гранями, так как по­ступление растворов, питающих кристалл, происходит с разных сторон неравномерно.

Признаками хорошо образованных форм монокри­сталла являются ровные, блестящие грани, отсутствие входящих углов (только двойниковые сростки имеют разнообразные входящие углы). Часто грани кристал­лов бывают шероховатыми, с притупленными ребрами, а сами ребра закругленными. Подобные особенности следует относить за счет процессов растворения, когда на кристалл воздействовали активные растворы.

Многочисленные физические и химические свойства выкристаллизовавшихся минералов, такие, например, как характер роста кристаллов, форма кристаллов, твер­дость, спайность, растворимость и т. д., зависят от хи­мического состава кристаллов, от их упорядоченного атомного или молекулярного строения. Изучением этих вопросов заняты специалисты одного из наиболее важ­ных направлений исследований в кристаллографии. На­пример, кристалл каменной соли — хлорида натрия (NaCl), состоит из атомов натрия и хлора. По углам ку­бической элементарной ячейки NaCl располагаются, чередуясь, атомы натрия и хлора (табл. 1). Эти «кирпи­чики» расположены в пространстве закономерно. В це­лом подобная конструкция называется кристаллической решеткой. Каменная соль образует кубические кристал­лы и спайные выколки по кубу именно вследствие своей характерной структуры.

В соответствии с химическим и кристаллографиче­ским многообразием в минеральном мире существует некоторое количество структурных типов кристалличе­ских решеток, иногда построенных просто, но чаще имеющих весьма сложное строение. Исследования атом­ного строения кристаллических решеток, успешно про­водимые с помощью рентгенографии, включают изуче­ние химии минералов и некоторых аспектов атомной физики.

Можно привести следующие примеры отдельных ти­пов кристаллических структур: кубическая гранецентрированная решетка самородной меди, построенная из атомов меди, кубическая решетка галита (каменной соли), построенная из как бы вложенных друг в друга кубиче­ских гранецентрированных решеток из ионов Na+ или Сl^-, кубическая решетка флюорита, слоистая решетка молибденита, гексагональная и тригональная решетки кварца, тригональная решетка кальцита.

Рис. 3. Полость рудной жилы в разрезе.

Многообразны типы кристаллических решеток у сульфидов и окислов. Особый интерес с точки зрения их структуры представляют силикаты, преобладающие в составе горных пород, и среди них в первую очередь такие, как полевые шпаты, слюды, оливин, пироксены, амфиболы. В составе этих минералов большую роль иг­рают кремний (Si) и кислород (О). В силикатах атом кремния всегда окружен четырьмя атомами кислорода,

ТАБЛИЦА 1

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ И КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ РЕШЕТКИ

Самородная медь, Сu Сингония кубическая, представ­лена гранецентрированным кубом с плотнейшей упаковкой атомов. Атомы меди расположены по уг­лам куба и в центре каждой гра­ни элементарной ячейки образующими правильный тетраэдр [SiO₄]⁴~. Каждый атом кислорода в решетке силикатов одновременно при­надлежит двум разным тетраэдрам. Благодаря этому возникают сдвоенные тетраэдры, кольцеобразные замк­нутые группы тетраэдров (например, у берилла — двой­ные кольца), а при дальнейшей группировке атомов— цепи, двойные цепи (например, у пироксенов и амфи­болов), двумерные бесконечные слои и трехмерные бес­конечные каркасы (например, у полевых шпатов и лей­цита).

Галит (каменная соль), NaCl Сингония кубическая, кристалли­ческая структура представлена ионной решеткой. Ионы натрия (Na+, черные шарики) и ионы хлора (Сl-, белые шарики) попе­ременно располагаются в углах малых кубов

Спайный выколок галита в форме куба, замкнутая спайная форма

Флюорит (плавиковый шпат), CaF₂

Сингония кубическая. Ионы каль­ция (Са²⁺) расположены по зако­ну гранецентрированного куба. Ионы фтора (F^-) занимают цент­ры всех малых кубов

Спайный выколок флюорита в форме октаэдра, замкнутая спай­ная форма

Молибденит (молибденовый блеск), MoS₂

Сингония гексагональная, кристал­лическая структура слоистая. Ионы молибдена (Мо²⁺) и ионы серы (S^-) образуют плоские сет­ки. Характер кристаллической ре­шетки обусловливает совершенную спайность, параллельную базальной плоскости

Кальцит (известковый шпат), СаСОз

Кристаллическая решетка тригональная. Кристаллическая струк­тура в элементарной ячейке спай­ного ромбоэдра состоит из ионов кальция (Са²⁺) и карбонат-ионов [СОз]^2-. Оба типа ионов распо­лагаются как бы в гранецентрированных решетках

Спайный выколок кальцита, зам­кнутая спайная форма (ромбо­эдр). Примеры: кальцит, доломит, магнезит, сидерит и др.

Открытая спайная форма, листо­ватость, свойственная слюдистым минералам. Примеры: мусковит, биотит, хлорит

Примеры структур силикатных минералов (анионные комплексы) На рис. (а) и (б) изображены изолированные группы кремнекислородных тетраэдров, представ-лекные двумя различными видами (а) Отдельный изолированный тетраэдр [SiO₄]^4-(6) Группа из двух тетраэдров, связанных между собой об­щим углом, с формулой [Si₂0₇]⁶-

(в) Группа из трех тетраэдров, соединенных в кольцо, с формулой [Si₃О₉]^6-

(г) Группа из четырех тетраэд­ров, соединенных в кольцо, с формулой [Si₄O₁₂]^8-

(д) Группа из шести тетраэд­ров, соединенных в кольцо, с формулой [Si₆O₁₈]^12-

Многие соединения встречаются в различных струк­турных типах, так что разные минеральные виды обна­руживают в этом случае одинаковый состав. Такое яв­ление называется полиморфизмом, а химически иден­тичные минералы, различающиеся структурой кристал­лической решетки, — полиморфными модификациями, например пирит и марказит (оба имеют состав FeS₂).

Рамки данного карманного справочника позволяют привести лишь ограниченные (но важные!) сведения о многообразии кристаллических форм и о специальных, базирующихся на математической теории принципах классификации кристаллов. Более подробные данные по этому вопросу читатель найдет в разделе «Кристалло­графические свойства минералов», написанном д-ром В. Шмицем.

Для графических построений и в классификационных целях минералоги и кристаллографы используют кри­сталлографические оси и осевые системы. В зависимо­сти от длины отрезков, отсекаемых на кристаллографи­ческих осях, и взаимного расположения этих осей раз­личают семь осевых систем (см. приложение 1А) [В отечественной литературе употребляется термин сингония», который мы и будем использовать в дальнейшем. — Прим. перев.].

Триклинная сингония. Три оси разной длины пересе­каются под косыми углами; например известково-нат-риевые полевые шпаты (плагиоклазы).

Моноклинная сингония. Две оси разной длины пере­секаются под косым углом, третья ось составляет с ними прямой угол, например ортоклаз, авгит, слюда и гипс.

Ромбическая сингония. Три оси разной длины пере­секаются под прямыми углами; например оливин, энста-тит, топаз, ангидрит, барит и сера.

Тетрагональная сингония. Два отрезка оси одинако­вой длины пересекаются под прямым углом, третья ось перпендикулярна им, и отсекаемый на ней отрезок имеет иную длину, например рутил, циркон, касситерит и халь­копирит.

Тригональная сингония. Три отрезка осей равной длины пересекаются в одной плоскости под углом 60°, третья ось перпендикулярна этой плоскости, и отсекае­мый на ней отрезок имеет иную длину, например каль­цит.

Гексагональная сингония. Положение осей аналогич­но их положению в тригональной сингонии, например кварц (высокотемпературный), берилл, апатит, снег и

лед.

Кубическая сингония. Три равновеликие оси пересе­каются под прямым углом, например каменная соль, алмаз, магнетит, пирит, хромит, галенит, золото и гра­нат.

Для определения сингонии кристалла важным при­знаком является форма выделения минерала. Изомет-ричные, порой округленные зерна минерала, вкраплен­ные в агрегат других минералов, позволяют предполо­жить для него кубическую сингонию. Так выглядит, на­пример, гранат в слюдистом сланце или лейцит в фоно-литах, трахитах или базальтах. У большинства кристал­лов гексагональной, тригональной, тетрагональной, ром­бической, моноклинной или триклинной сингонии преоб­ладает призматический габитус. Грани, ориентирован­ные параллельно оси с, обычно называют призматиче­скими. Хорошо образованные призматические грани ха­рактерны, например, для монокристаллов кварца, берил­ла, топаза, турмалина, кальцита, арагонита, дистена, ставролита и др. Другие формы этих сингонии могут иметь таблитчатый или пластинчатый габитус, парал­лельный оси с.

У хорошо образованных некубических кристаллов важны базальные и пирамидальные грани, определяю­щие различия их облика. Для высокотемпературного кварца характерна гексагональная бипирамида, для апатита характерны притупления базисной грани. Для моноклинного ортоклаза характерны резко выраженные грани диэдра, расположенные параллельно оси а. К этим главным граням часто присоединяются специфичные для разных сингоний второстепенные грани, усложняющие форму кристалла. Так, у кристаллов тригонального кварца наряду с гранями тригональной призмы присут­ствуют грани трапецоэдра, у гексагонального апатита и берилла — многочисленные второстепенные грани и т. д. Все эти кристаллографические признаки минералов имеют особое значение. Они часто позволяют устано­вить, при каких физико-химических условиях образо­вался тот или иной минерал. Вместе с тем появление определенных граней может быть характерно для мине­рала из конкретного месторождения и может указывать на определенный минеральный парагенезис.

Эти наблюдающиеся на кристаллах минералов ком­бинации граней создают его характерную естественную огранку, а общая конфигурация определяет его габитус. Так, например, апатиты, образовавшиеся в диапазоне температур 550—300 °С, кристаллизуются в виде корот-копризматических кристаллов, а апатиты в гранитах, образующиеся при температурах выше 700 °С, имеют тонкоигольчатый габитус. Аналогичная картина наблю­дается и в случае калиевых полевых шпатов: полевые шпаты, являющиеся составной частью магматических пород, образуются при температурах выше 700°С (сани­дин, ортоклаз), пегматитовые калиевые полевые шпа­ты— примерно при 600—550°С (ортоклаз), а гидротер­мальные, такие, как адуляр, кристаллизуются в интер­вале температур 300—100 °С; соответственно различен и облик этих полевых шпатов, возникших в различной гео­логической обстановке.