Характеристика минералов-самоцветов и общий обзор, терминология (доступно)
К минералам относятся однородные по составу и строению составные части горных пород и руд, представляющие собой природные химические соединения (или элементы) любого агрегатного состояния (твердого, жидкого, газообразного) и являющиеся естественными продуктами различных геологических процессов, совершающихся в земной коре, включая и продукты жизнедеятельности организмов.
Иногда твердые минералы бывают хорошо образованными кристаллами, но подавляющая их часть в природе распространена в виде кристаллических зерен с неправильными внешними очертаниями. В последние годы на специальных совещаниях, посвященных терминологии, было предложено под минералом понимать твердые химические соединения кристаллического строения.
Каждый минерал, в том числе самоцвет, характеризуется определенной структурой, химическим составом, а все они, за исключением незначительного числа самородных элементов, являются химическими соединениями.
Структурные и кристаллографические особенности самоцветов тесно связаны с их химическим составом и физическими свойствами. Все эти параметры имеют определенные общепринятые числовые характеристики - константы, установленные или измеренные для каждого минерала.
Особое, в том числе диагностическое значение для минералов имеют морфологические свойства - облик кристаллов, двойники, штриховатость граней; механические-твердость, плотность, спайность, хрупкость, излом и др., а также оптические, в том числе кристаллооптические, - прозрачность, цвет минералов, цвет черты, блеск, светопреломление, двупреломление, плеохроизм, дисперсия и др.
Облик кристаллов (габитус). Основные типы форм кристаллов определяются тем, что любое тело в пространстве имеет три измерения. Форма кристаллов определенной симметрии состоит из простых плоскостей, образующих их грани. Выделяют изометричные формы, т. е. одинаково развитые в трех направлениях в пространстве (гранат, пирит и др.); вытянутые в одном направлении -призматические столбчатые, шестоватые, игольчатые кристаллы (кварц, аквамарин, турмалин, рутил и др.); вытянутые в двух направлениях - листоватые, таблитчатые (рубин и др.).
Широко встречаются переходные формы, такие как боченковидные кристаллы корунда и др. Каждая из кристаллических форм имеет определенную симметрию, основанную на отдельных элементах: плоскостях симметрии, оси и центре симметрии. Формы кристаллов в зависимости от сочетаний элементов симметрии разделяют на системы (сингонии), которые легко определить по характерным для них элементам.
Всего выделяется семь сингонии, которые в свою очередь делятся на виды (классы) симметрии. Самая высокая симметрия присуща кубической сингонии (например, алмаз, гранат, сфалерит, флюорит); далее следуют тетрагональная (циркон, скаполит), гексагональная (берилл, апатит), тригональная (турмалин, кварц, корунд), ромбическая (топаз, хризолит, александрит), моноклинальная (лунный камень, кунцит), триклинная (амазонит, кианит, Лабрадор) сингонии.
Механические свойства. Стойкость кристалла определяется твердостью: опротивлением вдавливанию или царапанью. Для определения твердости существует несколько методов, показывающих относительную величину твердости. Каждый способ имеет свою шкалу твердости и свое распределение кристаллов на этой шкале. В любой шкале эталоном твердости служит наиболее твердый минерал - алмаз. Известная шкала твердости немецкого минералога Ф. Мооса, предложенная в 1811 г., основана на том, что более твердый минерал оставляет царапины на более мягком.
В качестве эталонных приняты 10 минералов: тальк - самый мягкий, его твердость принята за 1, затем гипс - 2, кальцит - 3, флюорит - 4, апатит - 5, ортоклаз - 6, кварц - 7, топаз - 8, корунд - 9, алмаз - 10. Исследуемый минерал можно расположить между эталонными по твердости, установив, какой минерал он царапает и какой царапает его.
Указанный способ имеет существенные недостатки, так как многое зависит от формы минералов и способа нанесения царапин. Как было установлено в последующие годы, твердость разных граней одного и того же кристалла неодинакова; в различных направлениях она обладает векториальными свойствами (анизотропией).
Например, у алмаза наиболее твердые - грани октаэдра, наименее - грани куба. Более точно определить твердость по этому принципу можно на специальных приборах - склерометрах при стандартных условиях.
Существует и другой способ определения твердости: вдавливание с постоянной силой алмазной четырехгранной пирамиды. Этот способ основан на принципе: чем меньше площадь образующейся ямки, тем выше твердость опытного образца.
Разделив силу (в граммах или килограммах), с которой вдавливают пирамиду, на площадь отпечатка (в квадратных миллиметрах), получают численный показатель твердости. Приборы для измерения микротвердости разработаны М. Н. Хрущовым и Е. С. Берковичем. Показатели твердости (грамм на квадратный миллиметр) по этому способу составили: кварца 1100, топаза 1400, корунда 2100. Для эталона твердости - алмаза - 10 000 кг/мм2.
Плотность - отношение массы тела к его объему. Имеет существенное значение при диагностике и оценке минералов, так как ее показатели для каждой разновидности самоцветов находятся в узком постоянном интервале. Определяется она в системе единиц СГС гидростатическим взвешиванием на весах или на денситометре в граммах на кубический сантиметр. Разработан метод определения плотности для небольших камней при помощи набора жидкостей, градуированных по плотности. При взвешивании на весах для расчета плотности (Р) используется формула Р = /п„/(тв- тж), где т„ - масса образца в воздушно-сухом состоянии (в г); тж - масса образца в жидкости (в г).
Применение денситометра ускоряет определение, так как шкала прибора отградуирована в значениях плотности. Плотность самоцветов варьирует от 1,1 (янтарь) до 5,2 (гематит-кровавик). Этот показатель определяет и их поведение в процессах выветривания. У некоторых самоцветов плотность колеблется за счет включений или примесей. Минералы с высоким значением этой величины накапливаются в россыпях вблизи коренных месторождений, а с более низким - уносятся и рассеиваются, но могут затем и концентрироваться в зоне морских прибоев (янтарь, альмандин и др.). Интересен в этом отношении алмаз, который в связи с высокой твердостью сохраняется в галечном материале аллювиальных и делювиальных отложений. Он обладает сравнительно небольшой плотностью и, попадая в речные потоки, хорошо мигрирует на значительные расстояния, часто многократно переоткладывается в россыпях.
Масса камнесамоцветного сырья и огранки из него измеряется вкаратах и граммах. В настоящее время общепринятой единицей массы является метрический карат, который соответствует 200 мг, или 0,2 г. Для жемчуга используется меньшая единица - гран, составляющая четверть карата, или 50 мг. Массу измеряют только до второго десятичного знака. Для некоторых сравнительно крупных камней в качестве единицы массы используют грамм. Прежде масса карата была различной в разных торговых центрах. С официальным принятием метрического карата (с 1922 г. в бывш. СССР (СНГ)) показатель массы стабилизировался и с общепринятым для всех стран мира.
Спайность и излом. Под спайностью понимается способность кристаллов и кристаллических зерен раскалываться по определенным кристаллографическим направлениям, связанным с свойствами их внутреннего строения. Спайность не зависит от внешней формы кристалла и поэтому является важным диагностическим признаком. В определении совершенства спайности принята шкала: спайность весьма совершенная (слюды и хлориты), совершенная (кальцит, топаз и др.), средняя (полевые шпаты и др.), несовершенная трудноопределимая (хризолит, апатит и др.), весьма несовершенная, т. е. практически отсутствующая (корунд и др.). Соответственно излом в первой группе ровный по спайности, а в последней - раковистый.
Явление спайности в кристаллах объясняют соотношением сил сцепления между структурными единицами в кристаллической решетке в различных направлениях. Наименьшие силы сцепления перпендикулярны к плоскостям спайности, которые совпадают с направлением наиболее удаленных сеток с густорасположенными структурными единицами. Это относится и к алмазу, в котором плоскости спайности параллельны граням октаэдра. Кроме спайности, в кристаллах могут наблюдаться трещины отдельности - отражение результатов действия внешних динамических сил. Наиболее часто они отмечаются в корундах, где обычно ориентированы поперек удлинения кристалла.
Хрупкость - свойство кристалла или кристаллического вещества крошиться при давлении, ударе по определенным плоскостям, связанным с внутренним строением кристалла. Хрупкость ограничивает области применения некоторых самоцветов, соответственно иногда снижается их коммерческая цена, а в ювелирной практике требуются мастерство и осторожность при обработке и закреплении таких камней в ювелирных изделиях. Так, например, алмаз, обладающий высокой механической стойкостью, считается хрупким материалом. Он разрушается от ударов и, следовательно, имеет невысокую прочность (в древности твердость и прочность не различали). Это ограничивает его применение в резцах для обработки поверхности, имеющей отверстия или углубления, так как резец будет испытывать удары о стенки отверстий. Пониженной прочностью характеризуются и такие твердые минералы, как топаз и другие, имеющие совершенную спайность в одном направлении, а также более мягкие - как флюорит, с присущей ему совершенной спайностью по октаэдру.
Штриховка. Для некоторых минералов характерны борозды или штрихи на поверхности граней, что часто является диагностическим признаком минерала. Направление штрихов у кварца- поперек вытянутости кристалла, у пирита штрихи одной грани расположены перпендикулярно к каждой соседней грани, у турмалина - вдоль вытянутости кристалла и т. д. Образование штриховатости граней может быть связано с процессом нарастания вицинальных граней (алмаз, турмалин), а также являться результатом полисинтетического двойникового сложения кристаллов (плагиоклаз).
Оптические свойства. Прозрачность - свойство вещества пропускать свет. По этому признаку выделяются прозрачные минералы (горный хрусталь, исландский шпат, топаз, аквамарин и др.), полупрозрачные (нефрит, хризопраз) и непрозрачные (пирит). Прозрачными могут быть бесцветные и окрашенные самоцветы, при этом степень прозрачности их различна. Многие самоцветы, кажущиеся в больших кристаллах или штуфах непрозрачными, просвечивают в тонких сколах, пластинах (нефрит, жадеит, родонит и др.).
Цвет минералов - один из важнейших признаков, свойственных самоцветам и горным породам. Многие минералы названы по этому признаку (лазурит от фр. lazur - голубой, крокоит от греч. шафран, рубин от лат. rubens - красный и т. д.). В 1937 г. А. Е. Ферсман в книге "Цвета минералов" впервые в отечественной литературе обобщил данные о связи природных соединений с их кристаллическими особенностями.
Видимый цвет камня зависит от того, какие части солнечного спектра он поглощает. Различают идио-, алло- и пвседохроматическую окраску. Идиохроматическая - собственная окраска, связанная с внутренними свойствами минерала. Она может быть вызвана различными причинами. Так, в состав многих минералов входят химические элементы в незначительных количествах (изоморфная примесь) в виде ионов - хромофоров, придающих им различную окраску. Ионы этих элементов располагаются в узлах кристаллической структуры и имеют определенную валентность и координацию. Поэтому изменение окраски различными ионами может быть связано со структурной формой вхождения иона-хромофора в кристаллическую решетку минерала.
Различные окраски иногда вызваны ионами одних и тех же элементов, в зависимости от некоторых структурных особенностей кристаллов. Это видно на примере хрома (от греч. "хромос" окраска, цвет), присутствие которого в минералах может обусловливать красную окраску (рубин, изоморфно замещает и др.), ярко-зеленую (изумруд, уваровит и др.) и даже фиолетовую (топаз).
Типичными хромофорами являются: железо, марганец, медь, никель, титан. Большую роль в палитре окраски самоцветов играют ванадий, кобальт и др. Следует отметить, что по цвету часто трудно определить название каменного самоцвета, особенно после обработки, так как различные виды минералов могут мало отличаться по цвету при различной и одинаковой природе окраски. Так, имеют сходство голубой топаз и аквамарин, нефрит и жадеит, рубин и альмандин и т. д., в то же время есть самоцветы, имеющие специфическую окраску (изумруд и др.), которая позволяет провести более точное первичное определение минерала. В некоторых случаях окраска самоцветов не связана с хромофорами или с изменением их химического состава, а обусловлена дефектами кристаллической решетки. Кроме того, небольшую группу окрашенных минералов составляют соединения, в которых окраска вызвана присутствием ионов или целых групп их внутри кристаллической решетки. Это силикаты, у которых имеет место внедрение таких дополнительных анионов, как хлор, сера и др., например, ярко-синий самоцвет - лазурит.
Аллохроматическая - посторонняя окраска, не зависящая от химической породы минерала, связана с диспергированными примесями, окрашенными хромофорами. Последние могут быть органическими и неорганическими соединениями. Часто незначительное количество этого вещества дает интенсивную окраску минерала. К таким примесям относятся бурые гидроокислы железа, марганца, органические вещества, которые часто имеют неравномерное, иногда концентрически зональное размещение - агаты, а также в других минералах - никельсодержащий сапонит в хризопразе, гётит в кварце и др.
Псевдохроматическая окраска свойственна прозрачным минералам. Она обусловлена интерференцией падающего света в связи с отражением его от внутренних поверхностей, трещин спайности, включений. Пример - лабрадорит с его иризацией и др.
Ощущение цвета минерала зависит не только от освещения, контрастов, сочетания теней, характера поверхности камня, но и от физиологических особенностей глаза, и даже от настроения. В работе А. Е. Ферсмана приведены следующие данные С. Алексеевой о психо- и физиологическом влиянии цвета и субъективности его восприятия: желтый - возбуждающий, оживляющий, теплый, бодрый, веселый, суетливый, кокетливый, несколько дерзкий. Цвет веселья и шутки, символ солнечного света, тепла, счастья. (Например, берилл.) Красный - возбуждающий, горячий, самый активный и энергичный, экспансивный, мужественный, страстный, кричащий, цвет доблести, силы, мощи, храбрости... огонь, пламя, жар. (Например, рубин, сердолик.) Зеленый - спокойный, умеренный и освежающий; создает впечатление мягкого, приятного и благотворного покоя... символ весны, плодородия, юности, свежести, жизни, радости, надежды, воспоминания. (Например, изумруд, нефрит.)
Каждая эпоха, каждый художник имеет свою излюбленную гамму красок. Так, в греческой живописи использована черная, белая, желтая и красная краски. Сообразно с воззрениями общества изменялась мода на камни. Так, зеленый изумруд обычно входил в моду после кровавых войн и на мировом рынке цены его поднимались во много раз.
Цвет черты - цвет тонкого порошка минерала, полученного обычно при прочерчивании минералом на матовой поверхности фарфоровой пластинки. Этот диагностический признак является более постоянным по сравнению с окраской. Цвет черты имеет большее значение для непрозрачных или резко окрашенных самоцветов, так как большинство прозрачных или полупрозрачных минералов обладает бесцветной или слабоокрашенной чертой. Часто цвет черты совпадает с цветом минерала (лазурит, киноварь и др.), иногда резко отличается (серый до черного гематит дает красную черту, латунно-желтый пирит - черную и т. д.).
Люминесценция - свойство некоторых минералов светиться под воздействием нагревания (флюорит), давления, облучения ультрафиолетовыми или другими лучами. Минералы, обладающие свойством люминесценции, светятся определенным для каждого из них цветом, со свойственной им интенсивностью. Кроме диагностических целей это позволяет установить не улавливаемые глазом вкрапления самоцветов в породе. Так, на основе люминесценции алмазов происходит их отбор из породы на алмазодобывающих предприятиях Сибири. Светопреломление - явление отклонения светового луча от первоначального направления, возникающее в результате изменения скорости света при вхождении в более плотную среду (воздух - минерал). Показатель преломления -величина угла отклонения светового луча в кристалле от его первоначального направления. Показатель преломления зависит от длины световой волны и соответственно скорости ее распространения. Значение показателя преломления приводится для желтого света с длиной волны 589 нм.
Для минералов кубической сингонии характерен один показатель преломления, что объясняется их изотропностью. Например, скорость прохождения световых лучей в воздухе около 300 тыс. км/с, а в шпинели около 175 тыс. км/с; показатель преломления 1,712-1,736.
Двупреломление присуще всем оптически анизотропным кристаллам, оптические свойства которых изменяются в зависимости от направления луча. При попадании на кристалл световой луч раздваивается. Образующиеся лучи распространяются с различной скоростью и имеют неодинаковые углы преломления. Двупреломление характерно для многих минералов, но особенно отчетливо проявляется в исландском шпате.
Дисперсия - разложение света на составные части. Луч света состоит из лучей разного цвета, составляющих спектр, в котором крайние - красный и фиолетовый. Дисперсия света - зависимость показателя преломления от длины световой волны или частоты ее колебания. В видимой части спектра показатель преломления для прозрачных веществ растет с уменьшением длины волны. Поэтому видимый солнечный свет при прохождении через минералы, обладающие свойствами дисперсии, будет разложен на его составляющие подобно радуге. Разность показателей преломления для красного и фиолетового света называется световым рассеянием или дисперсией. Наиболее сильно проявлена дисперсия (0,044) у алмаза, чем обусловлена его изумительная игра цвета. Высокой дисперсией характеризуется также рутил (0,280), сфалерит (0,156), демантоид (0,057).
Блеск. Падающий на поверхность кристалла свет отбрасывается назад и этим создается впечатление блеска. Интенсивность блеска тем больше, чем больше разница между скоростями света при переходе его в кристаллическую среду, т. е. чем больше показатель преломления минерала. При среднем показателе преломления минерала (n) по отношению к воздуху изменения его блеска характеризуются следующей градацией: стеклянный блеск - кварц (n = 1,54), шпинель (n = 1,73), корунд (n = 1,77), гранаты (n до 1,84); алмазный - циркон (n = 1,92), алмаз (n = 2,40); полуметаллический- рутил (n = 2,62), гематит (n = 3,01); металлический блеск минералов с показателем преломления больше 3 имеют пирит и гематит (железный блеск). До 70% природных соединений - это минералы со стеклянным блеском до n = 1,9.
Плеохроизм (многоцветность) - изменение окраски минералов и ее интенсивности в различных направлениях в зависимости от светопоглощения. В окрашенных кристаллах тетрагональной, гексагональной и тригональной сингоний проявляются два цвета (дихроизм), а ромбической, моноклинной и триклинной - три цвета (трихроизм). Плеохроизм минералов исследуют дихроскопом.
Установленные цвета и их интенсивность характерны для определенных минералов. Весьма точные их определения можно получить наиболее современным методом быстрой диагностики - ИК-спектроскопией, основанной на анализе спектров поглощения и отражения, путем разложения проходящего луча на составные части, идентификации длин волн и полос поглощения и отражения, характерных для каждого элемента и минерала, имеющих установленные точные константы. Это важно для диагностики минералов и для выбора оптимального направления при их огранке.
В соответствии с последовательностью классификации минералов по классам и группам, предложенной А. Г. Бетехтиным в 1950 г., авторы данной работы рассматривают их свойства на примере основных видов камнесамоцветного сырья, добываемого и используемого в камнесамоцветной и других отраслях промышленности на территории бывшего СССР (СНГ).
Подчеркнуты основные промышленные минералы - самоцветы, наиболее часто добываемые в значительных объемах, пунктиром выделены минералы, представляющие интерес как коллекционный или поделочный материал, в скобках приведены разновидности минералов.
Самородные элементы: алмаз, сера. Сульфидные соединения: пирит, сфалерит, галенит. Галоидные соединения (галогениды): флюорит. Окислы (оксиды): корунд (рубин, сапфир), шпинель, хризоберилл (александрит), кварц кристаллический (горный хрусталь, аметист, морион, цитрин, с включениями - празем, авантюрин и др.), халцедон (сердолик, сардер, сапфирин, хризопраз, агаты - моховой, бастионный и др.), опалы (кахолонг, древесный, благородный и др.). Карбонаты: малахит, мраморный оникс, арагонит, кальцит, родохрозит. Фосфаты: бирюза, апатит. Силикаты: оливин (хризолит), циркон (гиацинт, жаргон, старлит), топаз, берилл (берилл, изумруд, аквамарин, гелиодор, воробьевит, ростерит), турмалин (рубеллит, ахроит, верделит, индиголит и др.), гранат (альмандин, пироп, андрадит, родолит, уваровит, гроссуляр, демантоид, топазолит, спессартин), родонит, хромдиопсид, жадеит, сподумен (кунцит), нефрит, полевой шпат (плагиоклаз - лабрадор, беломорит - лунный камень, олигоклаз - солнечный камень), ортоклаз- микроклин (амазонит), санидин, лазурит, цеолиты. Органические соединения: янтарь, жемчуг, кораллы.
Представляют интерес комплексные проявления самоцветов: бесцветного прозрачного данбурита и вмещающих его датолитгеденбергит - волластонитовых скарнов в Приморье, полихромных турмалинов в редкометальных пегматитах, прозрачного густого винно-желтого клиногумита, совместно встречающегося с розовой прозрачной шпинелью в магнезиальных скарнах Памира, трещиноватого красного рубина в биотит-актинолитовых скарнах Урала, жильного полосчатого лучистого флюорита различных ярких расцветок в Забайкалье и из пегматитов Казахстана и многие другие самоцветы, которые, если их нельзя гранить, служат коллекционным материалом.
Не исключена возможность открытия совершенно новых видов камнесамоцветного сырья, как это видно из недавно выявленной в Сибири, не имеющей мировых аналогов, удивительной по красоте сиреневой горной породы - чароита и гранатов различной окраски в Восточной Африке, где в последние годы были обнаружены: тзаворит-зеленый ванадий-содержащий гроссуляр, отличающийся от известного граната - андрадита и демантоида, а также гранат густого оранжевого цвета ("Малайя", или "Леди вечера"), сохраняющегося в приглушенном освещении. Кроме того, в Танзании начали добывать новый, совершенно необычный интенсивно-синий прозрачный минерал из группы эпидота-ванадийсодержащий цоизит (танзанит).
Многие популярные природные самоцветы становятся все более редкими и спрос на них постоянно растет, поэтому, учитывая большую территорию СНГ, разнообразие ее геологического строения и сравнительно малую изученность отдельных регионов на камнесамоцветное сырье, мы вправе ожидать новых открытий подобного рода. Выделяемые рудоносные формации камнесамоцветного сырья позволяют наметить место самоцветов в геологической истории, определить особенности пространственного их размещения и направление поисков новых месторождений, в том числе новых типов самоцветов.
