Как в природе растут кристаллы и образуются минералы
По 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. Некоторые кристаллы растут очень быстро, например кристаллы растворимых солей, иногда сублимационных минералов (сера, таблички гематита) в кратерах действующих вулканов.
Кристаллы образуются, когда какое-либо вещество или их комплекс переходит из жидкого или газообразного состояния в твердое. Рост кристалла начинается с образования зародышей и скелетных форм. При длительном равномерном и беспрепятственном поступлении вещества со всех сторон возникают нормальные кристаллические формы, но 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.
Агрегаты минералов. Несколько индивидов, развивающихся из расположенных по соседству центров кристаллизации, срастаются в агрегат минералов. Из всего многообразия агрегатов более всего коллекционеров интересуют друзы, вырастающие в свободном пространстве из произвольно расположенных зародышей. В процессе друзового роста индивиды развиваются независимо друг от друга и сохраняют форму одиночных кристаллов.
С течением времени растущие индивиды начинают стеснять друг друга. Возможность дальнейшего развития сохраняют лишь те из них, которые растут в сторону свободного пространства, т. е. перпендикулярно поверхности нарастания агрегата. Это явление носит название геометрического отбора. В результате самоупорядочения ориентировки индивидов друза перерастает в параллельно-шестоватый агрегат. Его свободная поверхность, образованная головками кристаллов, называется щеткой.
Поэтому ясно, почему крупные друзы встречаются нечасто: по мере роста увеличивается вероятность вырождения друзы в параллельно-шестоватый агрегат. Для образования крупных друз нужно, чтобы центры кристаллизации были немногочисленны и расположены не слишком близко друг к другу (достаточно сильно удалены). Условия, благоприятные для продолжительного друзового роста и образования крупных кристаллов, обычно обеспечиваются только при достаточно медленной кристаллизации. При чрезмерно быстрых процессах образуются мелкие и очень мелкие агрегаты и кристаллы (вплоть до микронных).
Начав существование около 5 миллиардов лет назад, наша планета и сегодня находится в состоянии непрерывной эволюции. Движущие силы эволюции - собственная энергия Земли, сосредоточенная главным образом в ее недрах, и энергия, которую Земля получает извне, в виде света и тепла, излучаемых Солнцем. Недра Земли - гигантский энергетический котел, в котором господствуют высокие давления и температуры. Их колоссальная энергия вызывает образование континентов и горных систем, землетрясения и извержения вулканов. Основным источником внутреннего тепла Земли служат, по-видимому, идущие в ее глубинах процессы радиоактивных распадов.
С каждыми 100 метрами удаления от поверхности температура Земли повышается в среднем на 3oС, а давление на 30*105 паскалей. На больших глубинах земное вещество находится в сильно нагретом (вплоть до расплавления) и сжатом состоянии. В этих условиях оно обладает необычными свойствами, например способностью удерживать легко подвижные, летучие соединения. С глубиной меняется и химический состав недр. Из глубин Земли тепло распространяется на ее относительно холодные верхние зоны. С геологической точки зрения особенный интерес представляет перенос тепла восходящими потоками нагретого вещества (конвекция) - при этом в верхние части земной коры поступает и само содержимое глубоких недр.
Зарождаясь на глубине в десятки километров, огненно-жидкие расплавы сложного, преимущественно силикатного состава, насыщенные летучими соединениями, - так называемые магмы - проплавляют себе путь в горных породах, поднимаются по трещинам и застывают в верхних горизонтах коры или изливаются на поверхность в виде вулканической лавы. Согласно современным представлениям, глубинное вещество Земли претерпевает постепенную дегазацию, т.е. теряет летучие компоненты. Часть их, входящая в состав магмы, переносится ею к поверхности Земли и отделяется при понижении давления. Другая часть образует перегретые газово-жидкие растворы, состоящие главным образом из воды и углекислоты и оказывающие сильное воздействие на минералы горных пород.
Энергия, получаемая Землей от Солнца, также очень велика. Земная поверхность непрерывно воспринимает солнечное излучение мощностью 8,5*104 миллиардов киловатт - в 10 000 раз больше энергии, одновременно добываемой человечеством, и в 3500 раз больше теплового потока из недр. Эта энергия вызывает мощные движения в атмосфере, круговорот воды, движение рек и ледников, выветривание горных пород и нивелирование горного рельефа. Тем самым медленно, но неуклонно сводится на нет работа внутренних сил Земли, и лишь возможность концентрироваться в отдельные периоды и в отдельных зонах планеты позволяет им возводить свои грандиозные постройки, на время опережая силы разрушения. Колоссальная энергия солнечного происхождения, с которой не сравнимы даже мощные ядерные взрывы, участвует в крупных ураганах и наводнениях; огромные ее запасы накапливаются в населяющих Землю организмах и сосредоточены в горючих ископаемых.
Все геологические процессы, от грандиозных вулканических катастроф до незаметного испарения воды морей и озер, сопровождаются перераспределением вещества и энергии; различные твердые, жидкие и газообразные вещества при этом разрушаются и образуют новые. Иными словами, то здесь, то там происходит обновление минерального состава земной коры. Таков самый общий ответ на вопрос о том, почему образуются минералы.
Процессы минералообразования, идущие за счет внутренней энергии Земли, называют эндогенными; идущие за счет внешней, т. е. солнечной, энергии - гипергенными (или экзогенными). Эти процессы протекают в существенно различных условиях. К эндогенным относятся процессы, происходящие при застывании магмы на глубине (интрузивные) или на поверхности Земли при извержениях вулканов (эффузивные). На глубине затвердевание магмы происходит медленно; это обусловлено низкой теплопроводностью горных пород, а также высоким давлением, благодаря которому в магме удерживаются летучие компоненты, понижающие температуру кристаллизации расплава. По мере затвердевания отделяются обогащенные газами остаточные расплавы, кристаллизующиеся в особой последовательности (пегматиты). С дальнейшим снижением температуры процесс переходит в гидротермальную стадию, когда основным переносчиком вещества и средой минералообразования являются жидкие водные растворы.
Эндогенными процессами обусловлено образование почти всех силикатных горных пород (граниты, диориты, базальты и др.), под их действием формируются рудные жилы и месторождения большинства металлов и неметаллических полезных ископаемых.
Гипергенные процессы идут вблизи воспринимающей солнечную энергию поверхности Земли. К ним относится выветривание коренных залежей полезных ископаемых с их последующим обогащением: легкие продукты выветривания уносятся текучими водами, а тяжелые, содержащие ценные компоненты, остаются на месте. Так образуются россыпные месторождения золота, монацита, самоцветов и др. Химическое выветривание рудных залежей приводит к образованию зон окисления, обогащенных новыми минералами. К гипергенным процессам относится формирование осадочных горных пород на дне водоемов из сносимых текучими водами продуктов выветривания (песчаники, глины, конгломераты и др.), в результате кристаллизации растворенных в воде веществ, отложения продуктов жизнедеятельности организмов и органических остатков (известняки, ископаемые угли и др.).
Отдельную группу составляют метаморфические процессы - переработка горных пород как эндогенного, так и гипергенного происхождения под действием высоких давлений и температур. При этом известняки перекристаллизовываются в мраморы, глины превращаются в кристаллические сланцы с образованием новых минералов (граната, кианита) и т.д. Метаморфизм обусловлен воздействием на породы горячих растворов в обстановке сильного сжатия и высокой температуры. Минеральный состав любого участка современной земной коры - итог многих процессов, сменявших друг друга на протяжении геологической истории Земли, с участием метасоматоза - замещений минералов, происходивших иногда в масштабах многих кубических километров.
Минералообразующая среда почти всегда сложна и разнообразна по составу, а потому, казалось бы, должна порождать и множество самых различных минералов. В действительности же, всякий раз образуется определенный и немногочисленный комплекс. Более того, многие близкие и даже одинаковые по составу минералы не появляются одновременно, они имеют разный геологический возраст. Причина этого в том, что любые, в том числе и минералообразующие, процессы идут в сторону образования устойчивых, равновесных продуктов. Очень многие вещества вообще не могут возникнуть в природных условиях. И хотя число известных минеральных видов постепенно возрастает, оно никогда не будет сопоставимо с колоссальным числом веществ, получаемых сегодня искусственно.
Изучая процессы образования минералов, необходимо обращать внимание на особенности формирования минеральных индивидов и агрегатов. Природа и здесь проявляет поразительную изобретательность, порождающую многообразие форм, о котором говорилось в предыдущей главе. Мы не можем подробно останавливаться на этих вопросах и упомянем лишь об одном из способов кристаллизации, дающем кристаллы и друзы высокого качества и коллекционной ценности в природе. Речь идет о "погребах" - особых полостях (жеодах), и трещинах в породе, где кристаллизация происходит за счет крайне незначительного перепада температуры.
В области высокой температуры происходит растворение зерен, мелких и несовершенных индивидов. Из образующихся растворов в менее нагретой части полости растут уже минералы в виде крупных, хорошо ограненных кристаллов. Промышленная технология, основанная на создании некоторого температурного перепада, широко применяется для выращивания искусственных кристаллов (монокристаллов) и др.
Наукой накоплено огромное количество фактов, говорящих о связи облика и простых форм природных индивидов, типа и величины агрегатов с термодинамическими параметрами минералообразования - составом среды, ее температурой и давлением. Однако картина этого влияния очень сложна: форма растущих кристаллов чувствительна к такому фактору, как незначительные примеси в растворе.
Сколько времени продолжается образование минералов? Это зависит от температуры и концентрации минералообразующей среды, скорости пополнения ее кристаллизующимся веществом, темпов реакций минералообразования. В кристаллизации могут наступать перерывы, рост кристаллов может сменяться их растворением. Для вырастания больших и маленьких индивидов требуется разное время, поэтому правильнее говорить о скорости роста минералов. Природные кристаллы растут из подвижных сред - растворов, расплавов, паров. Даже когда кристалл образуется в твердой среде, рост происходит за счет окружающего его микроскопически тонкого "чехла" питающего раствора.
Универсальный природный растворитель минералов - вода (хотя и не она одна играет эту роль). При обычных, "комнатных", условиях в 1 литре ее можно растворить 350 г галита (обычной поваренной соли), 2 г гипса, 0,013 г кальцита; растворимость большинства других минералов ничтожна. Однако вода в глубоких недрах совсем другая. Она всегда содержит химически активные примеси и при высоких давлениях и температурах в сотни градусов становится "агрессивной средой", энергично действующей на многие минералы. Так, растворимость кварца может быть доведена до 120-160 г/л в глубинах; в природных растворах эндогенного происхождения установлены его концентрации по крайней мере до 8 г/л; а ведь при обычных условиях в 1 л чистой воды удается растворить не более 0,006 г этого минерала. Кроме того, образование минералов во многих случаях вызвано химическими реакциями между легко растворимыми веществами. При таких обстоятельствах скорость роста может стать вполне ощутимой.
Прямых данных о скорости роста минералов немного. Вот несколько примеров:
- заполнение кварцем трещины шириной 30 см (по расчету): 2,7 года (0,3 мм/сутки);
- заполнение гематитом трещины шириной 1 м (извержение Везувия): 10 дней (50 мм сутки, одновременно с обеих сторон трещины);
- рост кристаллов гипса: 0,001-0,008 мм/сутки;
- рост арагонита из горячих источников (Карловы Вары, Чехия): 0,7 мм/сутки;
- рост кальцита из горячих источников (Камчатка, Россия): 0,0055 мм/сутки;
- рост оливина (гранат) в расплаве базальта (Камчатка, Россия): 0,6 мм/сутки.
Дополнительную ценную информацию дает контролируемое выращивание искусственных кристаллов (миллиметры в сутки): алмаз 1,6-3,2 мм/сут.; апатит 6,5 мм/сут.; корунд 0,3-365 мм/сут.; прустит 7 мм/сут.; кварц 0,06-40 мм/сут.; цеолиты 0,0005-0,015 мм/сут. В выращивании кристаллов мы в чем-то опередили технологию природы, а в чем-то еще не научились подражать ей. И все же, проделав несложный подсчет, мы вправе допустить, что рост некоторых природных кристаллов кварца, вопреки распространенному представлению, мог продолжаться и относительно короткое время - всего лишь десятки лет; природные же алмазы, возможно, образовались в недрах Земли за считанные сутки.
