Рост, изменение и трансформация кристаллов в природе

   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 немногочисленный комплекс. Более того, многие близкие и даже одинаковые по составу минералы не появляются одновременно. Несмотря на избирательность к условиям своего образования, многие минералы, оказавшись впоследствии в совершенно иной обстановке, сохраняются практически без изменений. А некоторые кристаллы буквально "выталкивают" из себя почти все посторонние примеси (горный хрусталь).

   Эта "консервативность" может быть обусловлена широтой диапазона устойчивости, охватывающего нормальные температуру и давление. Некоторые минералы в этих условиях теоретически неравновесны, однако восстановление равновесия идет настолько медленно, что время наблюдения (даже вся история человечества) слишком мало, чтобы обнаружить изменения. Для восстановления равновесия нужна затрата некоторой "энергии активации", своего рода первичный толчок, аналогичный тому, который выводит из мертвой точки застрявший в ней маятник. Естественные энергетические воздействия, и особенно те, которые возможны вблизи земной поверхности, не всегда достаточны, чтобы выполнить роль такого толчка. Минералы в природной обстановке подвергаются глубоким изменениям - разложению, замещению, растворению. При домашнем хранении некоторые минералы тоже подвержены изменениям, что вынуждает владельца принимать специальные меры для их сохранности.

   Мир минералов - не только многоцветье красок и великолепие форм. Это еще и бесконечное разнообразие становления и развития. В истории царства минералов - насыщенной драматическими событиями геологической истории планеты - каждый индивид и каждый агрегат имеют личную биографию. Жизнь минералов протекает долго и медленно, темп ее нам почти незаметен. И все же часто напрашивается невольное сравнение с живыми существами.

   Не случайно сходство известковых образований пещер с кустами и деревьями, колониями океанских кораллов: в первых специалист разглядит стремление к наилучшему газообмену, во вторых - к свету и воздуху, в третьих - к обилию пищи; и общее для всех - стремление захватить побольше "жизненного пространства", чтобы максимально реализовать возможности роста. Такие широкие сопоставления привели поэта и философа Гете, считавшего, что "наука развилась из поэзии", к глубокой мысли об универсальности форм созданий Природы. А созидает Природа экономно и основательно, не допуская брака и отходов. Здесь все надежно пригнано одно к другому, везде безупречная организованность, четкий порядок. В каждом кристалле поражает безукоризненная гармония архитектуры форм с внутренним устройством и климатом среды обитания; каждый агрегат - пример взаимодействия и самоорганизации коллектива индивидов.

   Каковы же различия между кристаллом и минералом? Можно сказать, что за редкими исключениями, минералы являются кристаллическими веществами. В качестве минералов выступают вещества, устойчивые при нормальных условиях (при которых мы реально живем). Неустойчивые соединения через какой-то промежуток времени переходят в более стабильные. Таким образом, число минералов в природе естественным образом ограничено. Гораздо большее число кристаллов может быть получено искусственным путем и сохранено в условиях изоляции. Очевидно, что законы кристаллографии распространяются и на мир минералов. Что же характеризует кристалл или кристаллическое состояние вообще? Во-первых, кристаллическое вещество должно иметь однородный химический состав, т.е. быть гомогенным. Вторым его важным свойством является анизотропия, под которой понимается различие физических свойств вдоль разных направлений в кристалле.

   Реальные кристаллы минералов. В природной обстановке любой кристалл почти неизбежно подвергается искажениям, которые придают ему черты индивидуальности и делают чем-то непохожим на своих "собратьев". Чтобы разобраться в формах кристаллов, обычно упрощают дело, заменяя реальный кристалл идеализированной обобщенной математической моделью. Но она имеет к реальному кристаллу самое непосредственное отношение: соответствуя его внутренней структуре, она, как следствие, сохраняет те же углы внешнего огранения. Если нет искажений структуры, углы между гранями и между ребрами будут настолько характерны, что часто только по ним можно "узнать" и определить кристалл (однозначно идентифицируются, например, кристаллы кварца и берилла). Симметрия реальных кристаллов - это скорее симметрия, пропорция и соблюдение четких углов.

   Индивидуальный облик, с одной стороны, является свидетельством "личной биографии" кристалла, с другой - отражает общие закономерности формирования реальных кристаллов. Исследованиями закономерностей их зарождения и развития занимается особая отрасль минералогии - онтогения минералов.

   Грани одной простой формы, как правило, развиты неодинаково. Под воздействием земного тяготения, движения минералообразующих растворов, газов и паров, тепловых потоков в них кристаллизация принимает направленный характер: вещество откладывается преимущественно на тех гранях, которые обращены навстречу движущимся частицам. Эти грани постепенно "выклиниваются", а противоположные им грани увеличиваются и становятся преобладающими. Вследствие этого симметрия реального кристалла понижается и он приобретает вид, не свойственный идеальной модели (искажается и трансформируется).

   Так, ромбододекаэдр граната приобретает вытянутый облик с ложной призмой; еще труднее узнать искаженные октаэдры магнетита (см. рисунок ниже). Крайний случай искажения облика - так называемые нитевидные кристаллы, в которых встречаются даже минералы кубической сингонии. Нитевидные кристаллы отличаются высоким совершенством структуры и своей необычной формой обязаны только специфическим условиям роста. Это поражающие глаз и воображение образования.

   Грани реального кристалла - не какие-то абстрактные геометрические плоскости, а реальные физические поверхности с возможным характерным рельефом - штриховкой, бугорками, ямками, связанными как со структурными особенностями, так и процессами роста и изменения. Грани одной простой формы имеют однотипную поверхность, обладают одинаковыми физическими свойствами - растворимостью, способностью адсорбировать примеси, электризоваться, пропускать поляризованный свет, одинаково расположены относительно плоскостей спайности.

   Многие соединения встречаются в различных структурных типах, имеют различную кристаллическую структуру. Разные минеральные виды обнаруживают в этом случае одинаковый химический состав. Такое явление называется полиморфизмом, а химически идентичные минералы, различающиеся только структурой кристаллической решетки, называют полиморфными модификациями, как например пирит и марказит (оба имеют состав FeS2). Наиболее известен в ювелирном деле углерод (С), который может встречаться также в виде драгоценных и технических алмазов природного и искусственного происхождения.

   У хорошо образованных некубических кристаллов важны базальные и пирамидальные грани, определяющие различия их облика. Для высокотемпературного кварца, например, характерна гексагональная (шестигранная) бипирамида (с двумя верхушками), для апатита характерны притупления базисной грани. К главным граням часто присоединяются второстепенные дополнительные грани, усложняющие форму кристалла. Все эти кристаллографические признаки минералов имеют особое значение. Они часто позволяют установить, при каких физико-химических условиях образовался тот или иной минерал. Кроме того, появление определенных дополнительных граней может быть характерно для минерала из строго определенного месторождения.

   Наблюдающиеся на кристаллах минералов комбинации граней демонстрируют его характерную естественную форму и огранку. Так например, апатиты, образовавшиеся в диапазоне температур 550-300oС, кристаллизуются в виде коротко-призматических кристаллов, а апатиты в гранитах, образующиеся при температурах выше 700oС, имеют тонкоигольчатый габитус. Аналогичная картина наблюдается и в случае калиевых полевых шпатов: полевые шпаты, являющиеся составной частью магматических пород, образуются при температурах выше 700oС (граниты), пегматитовые калиевые полевые шпаты - примерно при 600-550oС (ортоклаз), а ценные для ювелиров гидротермальные полевые шпаты, такие как адуляр (лунный камень) и беломорит, кристаллизуются в интервале температур 300-100oС. Соответственно различен и облик этих полевых шпатов, возникших в различной геологической обстановке. Еще более многообразен облик карбоната кальция. Приглядитесь к ажурному дендриту: так неузнаваемо изменила кристалл "борьба за существование", приспособление к вынужденным условиям жизни, это - цена за его размеры.

   Каждая минеральная структура неизменна только в определенном диапазоне условий - температур, давлений, состава минералообраующей среды. Вне этого диапазона те же компоненты дают другие минералы. Примером может служить разграничение областей существования высоко- и низкотемпературной модификаций кварца. Протекая в различной обстановке, разные геологические процессы закономерно образуют разные минеральные комплексы. Именно это делает возможными целенаправленные поиски минерального сырья: геологическая история района подсказывает, какие полезные ископаемые в нем можно теоретически найти. Некоторые минералы (кварц, полевые шпаты, пирит и др.), образующиеся в широком диапазоне условий, встречаются повсеместно. Другие, такие как ценные для промышленности берилл, магнетит, галенит, возможны только в некоторых месторождениях. Третьи, для образования которых нужны исключительные условия (например, алмаз), встречаются на земной поверхности на доступных глубинах изредка. Число минеральных видов увеличивается с понижением температуры и давления.

   Минералы, выцветающие или меняющие окраску под воздействием света:
   - апатит (розовый);
   - сподумен (розовый кунцит);
   - аметист (некоторые разности);
   - топаз (бурый, голубой, розовый, малиновый);
   - кальцит (желтый, розовый);
   - фенакит (буроватый);
   - розовый кварц;
   - флюорит (пунцовый, зеленый);
   - содалит (синий);
   - целестин (голубой);
   - ангидрит (голубой).

   Медленно разрушаются или тускнеют: киноварь, крокоит.
   Разрушаются на ярком свету и при тепловом облучении: сера тетраэдрит, халькопирит.

   Псевдоморфозы. В минералогии псевдоморфозами называют продукты замещения одних минералов другими, сохраняющие форму замещенных минералов. Иногда к псевдоморфозам относят также минерализованные остатки живых организмов - окаменелости (хотя этим дело далеко не ограничивается). В этих случаях новообразовавшийся минерал даже может в точности, вплоть до скульптуры граней, повторять форму прежнего.

   Псевдоморфозы образуются двумя способами:
   1) путем постепенного замещения первоначального минерала по мере его реакции с воздействующим реагентом (псевдоморфозы замещения);
   2) путем отложения нового минерала в полости, освободившейся после растворения и удаления исходного минерала (псевдоморфозы заполнения).

   Основные признаки псевдоморфоза - несоответствие формы кристаллов минеральному виду, наличие реликтов (остатков) незамещенного раннего минерала, особенности строения (тело с визуальной внешней формой индивида сложено агрегатом, состоящим из зерен). Современные методы позволяют со всей несомненностью установить минеральный состав псевдоморфозы. Иное дело - исходный минерал, о котором часто не сохранилось никакой информации, кроме внешней формы. Некоторые псевдоморфозы, не сохранившие остатков и даже следов изначального материала, оказываются "крепким орешком". В химическом отношении псевдоморфоза может весьма отличаться от первоначального минерала.

   Дендритные и скелетные формы. Рядом с кристаллами-многогранниками не совсем обычно выглядят ажурные веточки, например, самородной меди. Это особая порода кристаллов - дендриты (от греческого "дендрон" - дерево), развивающихся в условиях, когда приток питающего вещества к растущему кристаллу затруднен. В таких случаях нарастание происходит преимущественно по ребрам и вершинам - образуется специфическая скелетная форма. В процессе роста кристалл вынужден сам отыскивать себе питание и разрастается далеко от центра кристаллизации - возникает дендрит. "Морозные узоры" на стеклах окон холодной зимой - дендриты льда. Скелетные и дендритные формы (как и описываемые ниже расщепленные кристаллы) обязаны своим возникновением особенностям условий роста и в принципе возможны у любых минералов. Иногда дендриты наблюдаются при вростании кристаллов одних пород в массу других пород (дендриты по халцедону, черные дендриты по родониту, кахолонгу и др.).

   Эпитаксией называется ориентированное нарастание кристаллов одного вида на другой или одних кристаллов на другие. Ориентировка возникает в начале роста младшего кристалла-индивида под действием на его микроскопический зародыш силового поля кристаллической решетки кристалла-основания. Частный случай этого явления - автоэпитаксия, нарастание кристаллов на кристалл одного и того же минерального вида. При этом кристаллические структуры индивидов составляют одно целое. Пример автоэпитаксии - так называемые скипетровидные кристаллы кварца, характерные для его фиолетовой разновидности - аметиста.

   Сферокристаллы и сферолиты. Еще одной особенностью реальных кристаллов является наличие структурных дефектов - посторонних ионов, незанятых узлов кристаллической решетки и т. п. Все это - дефекты в пристраивании атомов друг к другу, возникающие уже в процессе роста кристаллов. Пока дефекты немногочисленны, они не влияют на внешний облик кристаллов. Но когда их возникает слишком много (например, при быстрой кристаллизации), несовершенство структуры неизбежно отражается и на форме кристалла.

   Накопление дефектов вызывает расщепление структуры кристалла на отдельные блоки, так или иначе разориентированные друг относительно друга. В процессе дальнейшего роста каждый из блоков опять расщепляется, порождая блоки следующего поколения; с обособлением и взаимной разориентированностью блоков возникают нарушения закона постоянства углов, которые становятся видимыми, когда кристалл с обилием дефектов достигает больших размеров.

   Первое внешнее проявление блочного роста - появление на плоских гранях ступенчатого рельефа, напоминающего паркет или мозаику. Дальнейшее расщепление приводит к искривлению граней; грани ромбоэдров и кубов могут принимать форму седла. Иногда образуется сноповидный "сросток"; точнее, это не сросток, а продукт расщепления одного единственного индивида. В дальнейшем "сноп" может развиться в "двулистник"; смыкание противоположных концов седла или двулистника приводит к образованию полного сферокристалла. Если расщепление идет интенсивно, то вместо грубых блоков образуются тонкие волокна, слагающие сферолиты шаровидной формы с гладкой поверхностью.

   Расщепленные кристаллы сочетают признаки отдельных кристаллов-индивидов (единство первоначальной структуры и рост из одного центра) и агрегатов (образование "сростков"). Расщепленные кристаллы чрезвычайно широко распространены среди минералов. В сноповидных сростках и двулистниках встречается, например, стильбит - минерал из группы цеолитов; его синоним десмин по-гречески сноп, связка. Старинным термином "стеклянная голова" обозначали сферолитовые образования с блестящей гладкой поверхностью: бурая стеклянная голова (гетит), красная стеклянная голова (гематит) и др.

   Красивейший поделочный камень уральский малахит ценится за сочетание сочного зеленого цвета со сферолитовым строением, обусловливающим кружевной узор и атласный блеск полированных срезов: "камень, а на глаз, как шелк, хоть рукой погладить" - говорится у П. Бажова ("Медной горы хозяйка"). Реже встречаются сферокристаллы малахита.

   Кварц имеет две сферолитовые разновидности: скрытокристаллический халцедон, в котором микроскопические волокна вытянуты поперек продольной оси кристаллов, и кварцин - с волокнами вдоль этой оси (сферокристаллы кварца). Слои халцедона и кварцина, откладываясь слой за слоем в полостях горных пород, образуют агаты. Расщепление кристаллов в природе происходит чаще, чем может показаться на первый взгляд начинающему любителю. На правом фото в нижнем ряду для сравнения приведены самостоятельные кристаллы минерала, растущие из одного центра в разные стороны и образующие подобие каменного цветка (в отличие от расщепленных кристаллов).

   Из микроскопических сцементированных между собой сферокристаллов кремнезема состоит благородный опал (ниже приводится его фото под электронным микроскопом).