Парад индивидов

Устроим перерыв: отдохнем от теории и отправимся в минералогический музей. Посмотрим еще раз на знакомые минералы: может быть, теперь они предстанут нашему взгляду и в несколько ином свете. Осматривая экспонаты, полезно припомнить, не попадалось ли что-нибудь похожее где-либо еще - хотя бы в вашей собственной коллекции минералов.

Прогулка по залам музея

В музее экспонаты размещены в строгом порядке, по полочкам минералогической систематики. Мы с вами осмотрим одну витрину за другой, а возле самых интересных экспонатов задержимся, вникнем, поразмышляем.

Стрелка "Начало осмотра" приглашает к витрине с надписью "Простые вещества" - самородные металлы и неметаллы. Медь, серебро, золото; железо, столь же редкое в самородном виде, сколь обычное в повседневной жизни; минералогический уникум - жидкий минерал ртуть; платина и ее родня - палладий, иридий, осмий... Заметно преобладает кубическая сингония: закон Федорова - Грота отводит этим простейшим по составу, минералам верхние ступени иерархической лестницы симметрии. Четко выраженные кристаллы, впрочем, редки: самородные металлы большей частью вынуждены приспосабливаться к тесным пустотам вмещающей породы, а в россыпях, лишившись защитной оболочки, из-за своей ковкости и мягкости быстро теряют форму. Здесь кое-что непонятно: не похожие на кристаллы веточки, ниточки и ремешки, в природное происхождение которых можно поверить, лишь уповая на авторитет музея. На эти образцы стоит обратить внимание.

С самородными неметаллами положение иное: высшую симметрию имеет только алмаз - самородный углерод. Для остальных потолок - средняя категория. Причина - в направленности химических ковалентных связей, определяющей структуры самородных неметаллов. В кристалле алмаза четыре такие связи атома углерода расположены в пространстве совершенно симметрично, чем и обусловлена кубическая сингония алмаза. В других самородных неметаллах связи не столь симметричны и, как следствие, - понижена внешняя симметрия кристаллов.

Кристаллы алмаза очень интересны, но мало доступны даже для музеев. В свои молодые годы А. Е. Ферсман вместе с В. Гольдшмидтом специально изучал кристаллографию алмаза и составил его подробные описания. Характерная особенность многих природных кристаллов алмаза - выпуклые грани и ребра. Полагают, что это результат частичного растворения алмаза в магматическом расплаве, из которого он кристаллизовался.

Рис. 21. Кристалл пирротина. Сихотэ-Алинь

В разделе "Сульфиды" задержимся возле кристалла пирротина (рис. 21). Этот минерал представляет собой одно из соединений железа с серой. Он довольно распространен в природе и встречается в разнообразной геологической обстановке. Но кристаллы пирротина попадаются редко и ценятся как коллекционные экспонаты. Главная примета пирротина - способность притягиваться магнитом, за что он был назван А. Г. Вернером "магнитным колчеданом". Позже он получил современное название, связанное с красноватым оттенком бронзово-желтой окраски. Сочетание этой окраски, характерного "колчеданного" металлического блеска и редкого для минералов свойства - магнитности - составляет неповторимый признак, позволяющий легко узнать пирротин и безошибочно отличить его от других минералов.

Пирротин относится к гексагональной сингонии, чем определяется характерный габитус кристаллов. На нашем образце заметны фигуры роста - небольшие ступеньки, составленные участками граней гексагональной дипирамиды и пинакоида. Известна и моноклинная разновидность пирротина. По всем правилам следовало бы считать ее отдельным минеральным видом, но дело осложняется тем, что обе модификации образуют тесные, неразделимые срастания - структура кристалла строится из крошечных гексагональных и моноклинных участков. В пространственной решетке пирротина половина узлов принадлежит атомам серы, половина - атомам железа, но последнего всегда не хватает - до 20% соответствующих позиций в структуре остаются вакантными. От "дефицита" железа зависят некоторые свойства пирротина: плотность, магнитность, тонкие оттенки цвета.

Рис. 22. Кристаллы антимонита. Кадамджайское месторождение, Киргизия

Интересны и образцы антимонита (рис. 22). Он имеет цепочечную кристаллическую структуру с прочными связями внутри цепочек и сравнительно слабыми - между цепочками. Такая структура обусловливает вытянутый, призматический габитус кристаллов антимонита и совершенную спайность по одному из продольных направлений, по которому структурные цепочки легко отделяются друг от друга. Продольная комбинационная штриховка образована пересечениями граней призмы {110} и пинакоида {010}. В нашей стране прекрасными образцами этого минерала славится Кадамджайское месторождение в Киргизии.

Перейдем к витрине оксидов. Нельзя равнодушно пройти мимо изящных кристаллов кварца - минерала чрезвычайно многоликого, интересного во многих отношениях, сыгравшего заметную роль в истории науки. Г. Г. Леммлейн, блестящий исследователь и знаток, посвятивший много сил изучению кварца, назвал его "элегантным" минералом, отдавая дань, видимо, не только внешности, но и удивительному сочетанию свойств. С кварцем мы уже хорошо знакомы и не раз еще встретимся в дальнейшем. А сейчас перейдем к двум совсем обычным и распространенным оксидам железа - гематиту и магнетиту. Оба они - чрезвычайно важные рудные минералы. Гематит заслуживает упоминания и как один из самых красивых минералов, сочетающий богатство и разнообразие формы с приятной окраской и сильным блеском. Хорошие коллекционные образцы гематита нечасты даже на месторождениях, где он добывается в больших количествах как железная руда. На рис. 23 представлен один из морфологических "капризов" гематита - кристалл, покрытый красивыми фигурами роста.

Рис. 23. Гематит. Коршуновское месторождение. Иркутская обл

Магнетит, напротив, отличается кристаллографической ясностью и строгостью и не столь разнообразен по природным выделениям: распространены всего две простые формы - октаэдр {111} и ромбододекаэдр {110}, другие встречаются редко. Комбинация форм {111} и {110} показана на рис. 24. Комбинационная штриховка на гранях ромбододекаэдра очень характерна для магнетита. Она всегда направлена вдоль длинной диагонали ромба, т. е. вдоль смежной грани октаэдра - как правило, гладкой. Какая из этих двух форм "моложе"? Очевидно, октаэдр, иначе штриховка была бы на его гранях. Как и гематит, магнетит встречается преимущественно в сплошных массах, но на некоторых месторождениях попадаются хорошие кристаллы и друзы. Иногда магнетит образуется за счет частичного восстановления гематита и при этом наследует его внешнюю форму. В честь известного русского геолога И. В. Мушкетова (1850-1902) такие псевдоморфозы названы мушкетовитами.

Рис. 24. Магнетит. Дашкесан, Азербайджан

Среди фосфатов, несомненно, привлекут внимание образцы апатита. Вот два совсем не похожих друг на друга кристалла (рис. 25) - недаром А. Г. Вернер назвал этот минерал "обманщиком" ("апатао" - по-гречески "обманываю"). В огранении первого кристалла главенствует гексагональная призма, присутствует также дипирамида (на данном кристалле только одна ее половина). Некоторая несимметричность головки позволяет представить положение кристалла во время роста. Таблитчатый габитус другого кристалла в основном определяется пинакоидом, на котором отчетливо заметны ступени роста, а по краю расположены небольшие грани призмы и дипирамиды. Кристаллы апатита таблитчатого габитуса характерны для гидротермально минерализованных трещин "альпийского" типа.

Рис. 25. Кристаллы апатита. Слюдянка, Иркутская область (справа); Приполярный Урал (слева)

Раздел силикатов в музее наиболее обширен - в природе на долю этого класса приходится четверть известных минеральных видов. Остановимся около берилла Be₃Al₂[Si₆O₁₈] - минерала весьма популярного у собирателей. Прозрачные зеленоватые, желтоватые, голубоватые бериллы - прекрасные самоцветные камни; особенно ценятся ярко окрашенные разновидности берилла: изумруд (один из самых дорогих камней), аквамарин, воробьевит, гелиодор.

Не менее интересен берилл и в морфологическом отношении. В его кристаллической структуре кремнекислородные тетраэдры (см. рис. 18, а) соединены по 6 штук в кольца [Si₂O₁₈]^12-, а кольца, в свою очередь, собраны в параллельные друг другу стопки, или колонки (рис. 26, а). Крепежными деталями, или, точнее, цементом, служат катионы Be²⁺ и Al³⁺. Вдоль боковых сторон колонок располагаются грани гексагональной призмы {1010} кристалла берилла; грани пинакоида {0001} ориентируются вдоль торцов колонок. Берилл - на редкость выразительный пример соответствия структуры и внешней кристаллической формы. Внутри структурных колонок имеются полые каналы, доступные для молекул воды и других растворяющих агентов. Поэтому берилл может растворяться не только снаружи, но и изнутри. Каналы растравливаются до тонких капилляров, придающих кристаллу шелковистый блеск.

Рис. 26 а. Берилл: кристаллическая структура

На нашем образце (рис. 26, б) видно, как регенерировал кристалл берилла, разбитый поперечной трещиной, - он обладает спайностью по пинакоиду, выраженной, правда, довольно слабо. Неровности излома послужили местами роста, поэтому регенерация шла сразу во многих точках, и получилась чаща параллельно ориентированных призматических кристалликов ("многоголовый рост"). Надо полагать, что если бы процесс регенерации продолжался, кристаллики в конце концов срослись бы друг с другом. Возможно, некоторые участки оказались бы при этом отрезанными от питающего раствора, и тогда в "залеченном" кристалле остались бы включения-пузырьки.

Рис. 26 б. Берилл: регенерация поперечного излома кристалла

Коллекция карбонатов привлекает яркими красками: малахит, азурит, родохрозит, смитсонит... Но по разнообразию кристаллической формы самое видное место занимает довольно скромно окрашенный кальцит. К витрине с кальцитами можно возвращаться снова и снова, каждый раз делая для себя новое открытие. Взгляните хотя бы на это сооружение (рис. 27). Это один кристалл, хотя он больше похож на сросток, так как изобилует "не положенными" кристаллу входящими, т. е. направленными внутрь кристалла углами. Столь странная метаморфоза постигла кристалл при смене габитусной формы. Сначала он рос скаленоэдром, имея наибольшее удлинение вдоль главной оси. Затем во внешних условиях что-то переменилось, и форма роста сменилась на упрощенный ромбоэдр с наибольшим развитием в плоскости (0001), перпендикулярной главной оси. Но переход на один ромбоэдр потребовал бы слишком много времени, и смена габитуса происходила сразу множеством ромбоэдров на всей поверхности кристалла. Возникла комбинационная штриховка, которая постепенно огрублялась и переходила в ребристую форму - начался многоголовый рост. При дальнейшем росте входящие углы в конце концов заросли бы и получился бы один ромбоэдр. Как морфологический тип этот пример аналогичен предыдущему, хотя причина многоголового роста иная.

Рис. 27. Кристалл кальцита с 'присыпкой' кристалликов пирита. Восточное Забайкалье

На этом мы прервем нашу экскурсию. Как видим, в музей можно прийти не только для того, чтобы выразить восхищение талантом и вкусом природы. В музее мы задаем природе наши вопросы и испытываем первые радости от того, что начинаем понимать ее ответы. Но на этот раз еще не все ответы были нам понятны. Тем интереснее: есть повод задуматься и поискать объяснение. Непонятное может оказаться новым. Вот и сейчас мы заметили что-то новое - об этом и пойдет речь.

"Диковинные игрушки природы"

Когда-то М. В. Ломоносов назвал так необычных представителей минерального царства, не укладывавшихся в общепринятые представления о минералах. Во времена великого ученого натуралисты и любознательная публика по этому поводу любили употреблять слово "монстрозитеты", и при всей старомодности этого эпитета ему и сегодня не откажешь в меткости.

Один из таких "монстров" мы только что разглядывали, поначалу тоже находя его странным, что, впрочем, не помешало нам оценить его изящество. Обилие ребер и входящих углов роднит его со скелетными кристаллами. Такие кристаллы растут преимущественно ребрами и вершинами, посягая этим на святая святых - принцип самоогранения. Вид скелетных кристаллов совершенно необычен: вместо плоских граней - торчащие во все стороны острия и ступенчатые ребра (рис. 28).

Рис. 28. Скелетные кристаллы: а - октаэдр флюорита с вершинами в форме ромбододекаэдров; б - 'реберник' пирита

Скелетные кристаллы противоречат нашим привычным представлениям прежде всего тем, что обладают непомерно развитой поверхностью. С энергетической точки зрения это кажется неоправданным. Может быть, скелетные кристаллы - и в самом деле просто "игрушки", случайные курьезы природы? Но для этого они слишком часты и появляются с определенной, выраженной закономерностью. Видимо, имеются веские причины, вынуждающие кристаллы отказываться от экономной компактной формы.

Мы уже выяснили, что при высоком пересыщении вариации формы кристалла несущественны для энергетики кристаллизации! Из этого следует, что быстрое наращивание массы кристалла, если потребуется, будет происходить и ценой искажений формы. Но потребуется ли? И ценой каких именно искажений?

При больших пересыщениях, когда рост может осуществляться по зародышевому механизму Косселя - Странского, на ионных кристаллах возникновение двумерного зародыша вероятнее вблизи ребер и вершин, чем в середине грани. Уже это создает естественную предпосылку скелетного роста: при поспешной кристаллизации новые слои могут возникать вблизи ребер и вершин раньше, чем разрастутся предыдущие слои. Но главная причина скелетного роста находится за рамками модели Косселя. Приглядевшись, мы должны будем признать, что, будучи предоставлен самому себе, кристалл питается неудовлетворительно. Если ребра и вершины окружены питающим раствором со всех сторон, то о серединах граней этого сказать нельзя. Поэтому раствор здесь истощается быстрее, чем у вершин и ребер, и равномерный рост возможен лишь при условии, что раствор перемешивается и концентрация быстро выравнивается. В противном случае грани начинают "голодать" и вследствие этого отставать в росте от вершин и ребер. Такая ситуация возникает опять-таки при высоком пересыщении, неподвижном растворе и затрудненной диффузии: раствор не в состоянии обеспечить равномерную поставку вещества кристаллу. Удивительно чутко реагирует кристалл на окружающую обстановку! Лишь только возникнут трудности с массопереносом питания - и он сам начинает тянуться навстречу питающему веществу, что немедленно отражается на его внешнем облике.

Итак, в определенных обстоятельствах скелетная форма обеспечивает кристаллу более быстрое наращивание массы, а значит, она при этом не только возможна, но и предпочтительна. Определенные обстоятельства состоят в том, что кристаллизация лимитируется массопереносом. Появление скелетных форм закономерно во всех случаях, когда питающее вещество поступает медленнее, чем может расти кристалл: в средах с повышенной вязкостью, затрудняющей диффузию; при низкой теплопроводности кристалла и среды; при адсорбции "отравляющих" примесей преимущественно серединами граней; в обычных условиях - когда затруднено питание какой-либо части кристалла. Так, кристалл, лежащий на дне полости, вырастает снизу "реберником", так как нижние ребра питаются нормально, а нижняя грань - недостаточно.

В соляных озерах иногда образуются эффектные реберники - "лодочки" галита. Кристалл зарождается на самой поверхности рассола и потому питается только снизу и с боков, а сверху остается сухим. По мере роста он тяжелеет и опускается, но так как верхняя грань не наращивается, получается квадратная воронка. Сам по себе скелетный рост в данном случае вполне естествен, все дело, очевидно, в том, что кристалл зарождается на поверхности озера. Как это происходит? Под лучами солнца поверхностный слой рассола нагревается и испаряется. Нагревание ведет к расширению жидкости и уменьшению ее плотности, выпаривание - наоборот, к увеличению. Но в отличие от других веществ растворимость галита мало меняется с температурой. Поэтому испарение приводит к пересыщению раствора и выпадению избытка галита раньше, чем поверхностный слой станет достаточно тяжелым и опустится вниз.

К вынужденным формам роста принадлежат также кристаллические дендриты - как бы гипертрофированные, разросшиеся скелетные кристаллы (рис. 29). Еще в самом начале экскурсии в музей мы познакомились с дендритными формами, очень характерными для самородных металлов - золота, серебра, меди. Иногда дендриты представляют своеобразные агрегаты минералов. Причины их возникновения - в общем те же, что и скелетов: затрудненное питание, плохой отвод тепла. Нередко дендриты находят в узких трещинах - вмещающей породы. Каждая ветвь стремилась расти в сторону более крепкого раствора, подальше от конкурирующей соседней ветви, и под влиянием этой тенденции дендрит все более разрастался в стороны. Такой способ роста определяет форму дендритов, сходную с кустами и деревьями. Отсюда и название: "дендрон" - по-гречески дерево.

Рис. 29. Кристаллические дендриты: слева - самородная медь (Джезказган); справа - нашатырь (Таджикистан)

Давно замечено, что образование дендритов происходит, как правило, в сильно пересыщенных растворах и значительно переохлажденных расплавах. Существенную роль играют тормозящие рост примеси: при одних и тех же условиях в загрязненных средах развиваются дендриты, а в чистых - обычные кристаллы. Почему это происходит, показал в 1950 г. советский исследователь Д. Д. Саратовкин. Растущий кристалл извлекает из раствора или расплава чистое вещество, а примесь накапливается вокруг и начинает тормозить рост граней. Однако вблизи вершин и ребер она как бы оттесняется смежными гранями и остаются просветы, обеспечивающие преимущественный рост вершин и ребер. На изломе контура образовавшегося отростка возникает ответвление, на нем со временем вырастает ветвь второго поколения, и т. д.

Дендритный рост часто рассматривают как следующую фазу скелетного роста. Тот и другой происходят в условиях высокого пересыщения, присутствия примесей, способствующих накоплению дефектов. Как будет ясно из дальнейшего, это может привести к отклонениям от закона постоянства углов. В частности, по этой причине ветви дендрита по мере роста нередко утрачивают единую кристаллографическую ориентировку.

Гораздо реже встречаются в природе антискелеты - кристаллы с выпуклыми гранями, нараставшими быстрее ребер и вершин. Антискелетные формы изучены еще недостаточно. Объективная предпосылка их возникновения - меньшая по сравнению со скелетами неравновесность: при той же массе антискелет обладает меньшей поверхностью. Развитию антиекелетов может способствовать преимущественная адсорбция тормозящих примесей ребрами и вершинами. По-видимому, появление антискелетов более вероятно при малых пересыщениях.

К минералогическим "монстрозитетам" следует отнести также нитевидные кристаллы - тонкие волокноподобные индивиды, вытянутые, как правило, вдоль одной из кристаллографических осей. К ним принадлежит "проволочное" серебро, тонкие иголочки джемсонита, малахита, турмалина, "лучистых" цеолитов, волокна амфиболов (рис. 30) и др. Широко известны агрегаты нитевидных кристаллов: асбесты (хризотиловый и амфиболовые), "горная кожа", "горная пробка" (амфиболы, палыгорскит, сепиолит) и др. Кристаллы кварца, кальцита, флюрита, содержащие включения нитевидных кристаллов рутила, турмалина, козалита, антимонита и других минералов, называются "волосатиками".

Рис. 30. Биссолит - нитевидный актинолит. Дашкесан, Азербайджан

Самые тонкие нитевидные кристаллы ("усы", "вискеры") обладают совершенной кристаллической структурой и вследствие этого необычайно высокой механической прочностью и химической стойкостью. Эти свойства привлекли внимание к нитевидным кристаллам. В настоящее время ведутся работы по их выращиванию.

Своеобразие нитевидных кристаллов в большинстве случаев невозможно объяснить несимметрией массопереноса. К тому же они часто сопутствуют обычным индивидам тех же минералов. Очевидно, нитевидные кристаллы возникают благодаря каким-то особым механизмам роста.

Минералы нитевидной формы чаще всего (хотя и не обязательно) имеют кристаллическую структуру цепочечного типа. Они встречаются в разных месторождениях, но более всего характерны для зон выветривания и окисления, газообразных выделений вулканов (фумарол), низкотемпературных гидротермальных жил. Здесь нередко соседствуют друг с другом "усы" различных минералов. Как правило, боковые поверхности этих кристаллов весьма совершенны. Это говорит о том, что в образовании боковых граней не принимал участия дислокационный механизм роста.

Исследователь природных нитевидных кристаллов болгарский минералог М. Малеев объясняет их возникновение совместным, взаимоусиливающим действием нескольких факторов, каждый из которых создает тенденцию к вытянутому габитусу. Из-за особенностей структуры, наличия винтовой дислокации или по другой причине кристалл уже на ранней стадии роста получает преимущественное развитие в каком-нибудь одном направлении. При достаточно высоком пересыщении он развивается более или менее обычным путем. Если пересыщение мало, рост идет медленно, и формируется совершенная структура с малым числом дислокаций, располагающихся главным образом вдоль удлинения кристалла. Когда пересыщение недостаточно для зарождения новых слоев, рост боковых граней прекращается, но торец кристалла продолжает расти, так как здесь имеются выходы осей винтовых дислокаций. Тенденция к нитевидному росту усиливается избирательным поглощением примесей боковыми гранями.

Нитевидные кристаллы нередко вырастают на пористых подложках. Известняки, глины, некоторые другие горные породы пронизаны мелкими порами, по которым могут капиллярными силами подниматься минералообразующие растворы. В устьях капилляров раствор испаряется, и возникают центры кристаллизации; рост идет со стороны основания кристалла, куда поступает свежий питающий раствор. В данном случае нитевидная форма обусловлена малыми размерами пор и односторонним питанием растущих кристаллов. Развивая значительное усилие, кристаллы преодолевают сопротивление собственного веса и даже поднимают обломки породы. Когда агрегат нитевидных кристаллов становится слишком тяжелым, рост прекращается. Так образуются агрегаты некоторых хорошо растворимых минералов.