Симбиоз индивидов

Индивиды срастаются геометрически закономерно, когда это происходит под влиянием кристаллических структур. Известно три типа закономерных срастаний: эпитаксии, параллельные сростки и двойники.

Эпитаксия

Так называется закономерно ориентированное нарастание одного минерала на другой. Представление об эпитаксии дает рис. 31, а: видно, что наросшие кристаллики одинаково ориентированы на индивиде-основании - "матрице". Этим эпитаксические срастания отличаются от обычных, незакономерных сростков минералов, в которых взаимная ориентировка более или менее случайна, произвольна.

В царстве минералов явление эпитаксии не редкость: ориентированные нарастания кристалликов галенита на пирротин, халькопирита на галенит и сфалерит, пирита на марказит, кианита на ставролит - лишь немногие из широко известных примеров. В минералогической литературе описано более 400 эпитаксических пар, и, по всей вероятности, большую их часть еще предстоит открыть. Эпитаксия - не всегда "архитектура малых форм". Так называемый письменный гранит, слагающий обширные тела пегматитов, - не что иное как закономерное срастание кварца с полевым шпатом (рис. 31, б).

Рис. 31. Эпитаксические нарастания халькопирита на тетраэдрит [а], кварца на полевой шпат [б - по Л. Е. Ферсману)

Эпитаксии могут возникать при любых минералообразующих процессах. Чаще всего (хотя и не обязательно) эпитаксические пары принадлежат к одному классу химических веществ: оба - сульфиды, или оба - соли кислородсодержащих кислот и т. д.

Эпитаксическое срастание может образоваться двумя способами. Один - это ориентировка кристаллика в процессе его зарождения на поверхности минерала-матрицы, играющего в этом случае роль своеобразного катализатора зарождения. А. Е. Ферсман назвал такие минералы "индукторами", т. е. возбудителями. Другой способ заключается в самостоятельном возникновении зародыша и ориентировке его в тот момент, когда он оседает на грань матрицы. Зародившийся кристаллик разрастается преимущественно вдоль матрицы, вследствие чего приобретает вытянутый или уплощенный облик и может в конце концов покрыть матрицу сплошной "рубашкой".

Своеобразие облика - всегда информация к размышлению. Очевидно, разрастание вдоль матрицы дает какие-то удобства. Входящий угол по контуру прилегания зародыша к матрице выполняет роль той самой ступеньки, в которой так нуждается кристалл для своего роста. Но для того чтобы воспользоваться этой возможностью, эпитаксические партнеры должны обладать сходством кристаллических структур.

Искусственная эпитаксия играет очень важную роль в технологии современной микроэлектроники - получении тонких пленок полупроводниковых монокристаллов, изготовлении печатных схем, сверхминиатюрных приборов и интегральных микросхем. Исследования искусственной эпитаксии обогащают новыми представлениями и минералогию.

Почему происходит эпитаксия? Еще в 1908 г. В. И. Вернадский обратил внимание, что при эпитаксическом срастании возникает самая низкоэнергетическая поверхность раздела кристаллов. В связи с этим эпитаксическое срастание может получить преимущество как перед образованием отдельного кристалла, так и перед случайным, неориентированным нарастанием. Поверхность матрицы (как и любого кристалла) представляет своего рода структурный дефект (нарушение однородности структуры, локализация свободной энергии), а эпитаксия этот дефект как бы залечивает, исправляет.

Для получения искусственных эпитаксических покрытий важно выяснить условия ориентированного нарастания. В 1928 г. французский ученый Л. Руайе установил, что расхождение в геометрических узорах срастающихся плоских сеток не должно превышать 15%. Но вскоре стали известны случаи эпитаксии и со значительно большими структурными различиями. В связи с этим возникло предположение, подтвержденное затем и опытными данными, что в процессе зарождения эпитаксическая пленка в прилегающем к контакту слое деформируется и структурно приспосабливается к матрице. Если образование и деформирование эпитаксического зародыша требует меньших энергетических затрат, чем образование жизнеспособного самостоятельного зародыша, кристаллизация идет в виде эпитаксии. Соответствующие условия были найдены в 40-х годах советским исследователем П. Д. Данковым.

В образовании эпитаксических пар по второму способу - с ориентировкой готовых зародышей - по-видимому, большую роль играют активные центры поверхности кристалла, действие которых распространяется на расстояния в сотни параметров элементарной ячейки. Вероятно, активные центры представляют собой скопления структурных дефектов.

О чем поведал кварцевый скипетр

С особенной легкостью возникают ориентированные срастания индивидов одного минерала - автоэпитаксия. Хрестоматийный пример такого срастания - скипетровидный кристалл кварца (рис. 32). Суть явления в том, что на взрослом призматическом кристалле зарождаются и растут кристаллы кварца нового поколения. Следовательно, автоэпитаксию нужно рассматривать как самостоятельное явление, а не просто как продолжение роста. Ориентированное зарождение происходит в местах концентрации поверхностной энергии кристалла-индуктора - на вершинах, разделяющих призму и ромбоэдрические грани головки. Разрастающиеся индивиды второго поколения смыкаются друг с другом и образуют эпитаксический венчик или утолщенную головку - "скипетр". Зарождение новых индивидов может быть связано с изменениями внешних условий. Об этом свидетельствует смена окраски (например, бесцветной на бурую или аметистовую).

Рис. 32. Скипетровидный кристалл кварца. Березовское месторождение, Урал

Автоэпитаксические сростки известны и для многих других минералов, в частности апатита таблитчатого облика из минерализованных трещин (см. рис. 25).

При автоэпитаксии кристаллическая структура младшего индивида продолжает структуру старшего, и оба составляют в сущности один кристалл. Все элементы структур индивидов расположены соответственно параллельно, вследствие чего одинаково ориентированы и элементы огранения - грани, ребра, вершины.

Автоэпитаксия - частный случай параллельного срастания. Такие срастания возникают по разным причинам. По крайней мере, две из них нам уже известны: это регенерация излома (см. рис. 26, б) и смена габитуса (см. рис. 27), вызывающие многоголовый рост кристалла. Параллельные срастания могут образовываться при одинаковой ориентировке нескольких индивидов, эпитаксически нарастающих на одну матрицу, или из-за разделения кристаллов по спайным направлениям. Так, параллельные сростки антимонита, известные на Кадамджайском месторождении, образовались за счет разделения кристаллов по спайному направлению (010). Причиной было давление кварца, который кристаллизовался из раствора, проникавшего в тончайшие спайные трещинки.

На одном из хрустальных месторождений Якутии часто встречаются параллельные сростки кристаллов кварца вроде того, что изображен на рис. 33. Чтобы убедиться, что это действительно параллельный сросток, достаточно взглянуть на образец с торца: шестиугольники поперечных сечений кристаллов ориентированы одинаково. В нижней части сростка можно разглядеть неясную затемненную полосу - она и расскажет нам его историю. Некогда жила состояла из крупнокристаллического и, возможно, сплошного кварца. Впоследствии она была раздроблена тектонической подвижкой, а затем наступил этап регенерации. Один из обломков крупного индивида - именно его следом и является полоса - в результате многоголового роста развился в сросток параллельно ориентированных кристаллов. Но небольшие отступления от параллельности заметны на нашем образце. В данном случае они обусловлены деформациями обломка; а вообще в параллельных сростках подобные отступления довольно часты. Так минерал сам рассказал нам свою биографию. Можно было бы добавить, что дорастание (регенерация) протекало в менее пересыщенном растворе, чем кристаллизация раннего кварца, - на это предположение наводит большая прозрачность кристаллов.

Рис. 33. Параллельный сросток кварца. Якутия

Стоит обратить внимание на следующую подробность. Как автоэпитаксия, так и многоголовый рост приводят к одному и тому же результату - параллельному срастанию. Но с генетической точки зрения это не совсем одно и то же. Автоэпитаксия начинается с ориентировки нового зародыша, тогда как многоголовый рост возможен при смене габитуса или регенерации взрослого кристалла. Параллельное срастание - термин сугубо морфологический: он обозначает просто сросток параллельно ориентированных кристаллов независимо от причины ориентировки.

Цветы минерального царства

Кристаллы называют цветами минерального царства, и по справедливости этот эпитет должен быть адресован в первую очередь кристаллическим двойникам (рис. 34). Уже по одной этой причине они заслуживают подробного рассмотрения.

Рис. 34. Двойник ставролита. Кейвы, Кольский полуостров

Как и параллельные сростки, двойники относятся к закономерным срастаниям одного минерального вида, в которых поверхность срастания принадлежит одновременно одинаковым плоским сеткам обоих индивидов. Но если в параллельных сростках структуры индивидов по обе стороны поверхности срастания продолжают друг друга и получаются одна из другой простым параллельным переносом, то в двойниках они связаны осевой или зеркальной симметрией.

Поясним сказанное. На рис. 35, а изображена структура одиночного кристалла. Введем плоскость симметрии, перпендикулярную чертежу и пересекающую его по линии АА', и выполним отражение левой части структуры; получим структуру двойника (рис. 35, б). Тот же результат получится, если прямой АА' придадим функцию оси симметрии второго порядка. Теперь попробуем то же самое проделать с прямой ВВ' или СC'. На этот раз структурный узор просто повторяется, продолжает сам себя. В чем же дело? Из изображения одиночного кристалла видно, что иного и нельзя было ожидать, так как ВВ' и СС' - это оси или плоскости симметрии, уже имеющиеся в структуре, а потому они и не могут внести ничего нового. Направление же АА' этих функций в одиночном кристалле не выполняет: мы их придаем этому направлению сами, и в результате получаем структуру двойника.

Рис. 35. Кристаллические структуры одиночного кристалла (а) и двойника (б)

Итак, в двойниках соединены по меньшей мере два индивида одного минерального вида; в поверхности их сопряжения лежат частицы, общие для одинаковых плоских сеток того и другого индивида; индивиды связаны элементами симметрии, дополнительными к тем, которые уже имеются в одиночных кристаллах. Называются эти новые элементы симметрии двойниковой осью и двойниковой плоскостью. Своеобразной симметрией и обусловлена в первую очередь внешняя привлекательность двойников.

Но разобраться в сущности двойникования - еще не значит научиться распознавать двойники среди реальных кристаллов. Поэтому познакомимся с некоторыми типами и признаками двойникования.

Рис. 36. Двойники срастания (а) и прорастания [б] тетраэдров

В двойниках срастания (или контактных) индивиды расположены по разные стороны от плоскости срастания (рис. 36, а); в двойниках прорастания (или проникновения) они как бы пронизывают друг друга (рис. 36, б). При повторном двойниковании получаются коленчатые и циклические двойники (рис. 37, а), тройники, четверники и т. д. В полисинтетических двойниках плоскости срастания параллельны друг другу; когда индивиды имеют пластинчатую форму, двойник напоминает колоду карт, в которой каждая карта перевернута относительно соседних (рис. 37, б). Решетчатые сростки рутила (сагенит) и церуссита относятся к полисинтетическим двойникам.

Взаимная ориентировка индивидов называется законом двойникования. Один минерал может двойниковаться по разным законам, но в пределах каждого закона ориентировка индивидов всегда одинакова. Закон двойникования обозначается символом срастающихся плоских сеток - например, "двойник по (010)". Наиболее распространенные законы имеют свои названия - обычно по минералу или месту первой находки: шпинелевый двойник, карлсбадский двойник и т. п.

Рис. 37. Примеры кристаллических двойников: а - циклический восьмерник рутила; б - полисинтетический альбитовый двойник плагиоклаза; в - двойник прорастания флюорита; г - 'железный крест' - двойник прорастания пирита; д - двойник срастания касситерита; е - 'арагонитовый' тройник церуссита; ж - двойник прорастания ставролита, з - двойник срастания кальцита; и - 'ласточкин, хвост' - двойник срастания гипса

Двойники по шпинелевому закону - срастания по плоскости (111), т. е. вдоль грани октаэдра, свойственны многим минералам кубической сингонии. Фигуру, изображающую такой двойник, нетрудно построить (рис. 38): надо рассечь октаэдр пополам плоскостью (111), перпендикулярно этой плоскости провести ось симметрии 2-го порядка (обратите внимание, что в самом октаэдре такой оси нет: вместо нее здесь находится ось L₃) и повернуть вокруг нее верхнюю половину кристалла на 180°. Возьмите лист бумаги и повторите упражнение от руки самостоятельно, стараясь не заглядывать в чертеж; вы, несомненно, получите удовольствие от изящного построения. Кроме собственно шпинели, по этому закону образуются двойники сфалерита и галенита (в том числе и полисинтетические), магнетита и некоторых других минералов кубической сингонии. Двойники прорастания часто образует флюорит (см. рис. 37, в). Очень эффектны двойники пирита - так называемые железные кресты (см. рис. 37, г), в которых прорастают друг друга два пентагондодекаэдра {210}. Участвующий в огранении куб {100} образует плоские части креста. Но такие правильно образованные двойники, как изображенный на чертеже, встречаются редко. Чаще всего индивиды развиты неодинаково, и узнать двойник можно по симметрии и характерному расположению отдельных индивидов.

Рис. 38. Октаэдр (а) можно преобразовать в 'шпинелевый' двойник (б) поворотом одной половины кристалла вокруг специально введенной оси симметрии L₂

Касситерит и рутил (тетрагональная сингония) двойникуются по касситеритовому закону, где плоскостью срастания служит грань дипирамиды {101} (рис. 37, д). Для рутила угол срастания таков, что при повторном двойниковании сросток замыкается и получается кольцеобразный кристалл - циклический шестерник или восьмерник (см. рис. 37, а).

В арагонитовом законе (ромбическая сингония) двойниковой плоскостью служит грань ромбической призмы {110}. Для арагонита и других карбонатов его группы - витерита, стронцианита, церуссита - типичны тройники по этому закону с псевдогексагональной симметрией (см. рис. 37, е и рис. 39). Ставролит получил свое название за крестообразную форму двойников: "ставрос" - по-гречески крест. Кресты бывают как прямые (см. рис. 34), так и косые (см. рис. 37, ж).

Рис. 39. Тройник арагонита. Куэнка, Испания

В гексагональной сингонии возможности двойникования уменьшены в связи с тем, что главная ось имеет четный порядок и поэтому не может служить двойниковой осью. В тригональной сингонии - наоборот: двойниковая ось может быть совмещена с главной осью L₃, и двойники часты и разнообразны. Так, для кварца описано по меньшей мере 18 законов двойникования, причем чаще всего встречаются как раз двойники с совмещенными главными осями - дофинейские и бразильские. Особенности двойникования кварца связаны с тем, что его структура допускает существование "левых" и "правых" кристаллов, внешне отличающихся расположением небольших граней х (рис. 40, а). В дофинейском двойнике прорастают друг друга два одинаковых индивида (рис. 40, б), в бразильском - левый и правый (рис. 40, в). На рис. 37, з показан один из двойников срастания кальцита.

Рис. 40. Двойникование кварца: а - левый и правый кристаллы; б - дофинейский двойник; в - бразильский двойник

В моноклинной сингонии законы двойникования разнообразны и многочисленны "ласточкины хвосты" (см. рис. 37, и) и другие двойники гипса; различные двойники полевых шпатов, в том числе сложные, в которых одновременно сочетаются несколько законов двойникования, и т. д.

В триклинной сингонии нет ни осей, ни плоскостей симметрии, поэтому возможности двойникования максимальны. Триклинные полевые шпаты - плагиоклазы - чаще всего двойникуются по альбитовому закону, по которому образуются также и их полисинтетические двойники (см. рис. 37 б).

Как отличить двойник от обычного кристалла или сростка? В двойниках одни элементы огранения индивидов параллельны, а другие перевернуты, обращены. Это и есть главная примета двойников. Индивиды в них огранены одинаково и в каждом законе двойникования расположены под строго определенным углом друг к другу. На поверхности многих двойников имеются входящие углы (свойственные также и параллельным сросткам) и двойниковые швы - границы индивидов на изломах и гранях (см. рис. 40, б, в).

Строгая логика кристаллизации требует объективных предпосылок двойникования, и читатель, должно быть, уже ждет объяснения. Входящие углы двойников - вот в чем дело. Они выполняют роль той самой ступени, на которой осаждение частиц облегчено по сравнению с гладкой гранью. Для роста входящие углы двойников еще удобнее, чем при эпитаксии - ведь структуры индивидов полностью идентичны. По сути дела, двойникование - это один из способов, которыми кристалл может облегчить себе рост. Предположим, в процессе роста возникла "ошибка упаковки": группа частиц случайно заняла не свое, а симметричное, двойниковое положение. Благодаря появлению входящего угла такая ошибка энергетически выгодна, надобности в ее исправлении нет. Рост продолжается с двойниковой упаковкой частиц, и отложение вещества идет преимущественно во входящих углах (см. схему на рис. 39). Из-за этого двойники иногда приобретают уплощенную форму. Тонкий, как фанера, кристалл галенита (рис. 41) - двойник, и на его краях можно обнаружить входящие углы. Такой двойник растет быстрее одиночных кристаллов и выделяется среди них величиной и уплощенной формой, которой он обязан опережающему нарастанию внутри углов.

Рис. 41. Таблитчатый двойник галенита по шпинелевому закону. Сихотэ-Алинь

Впрочем, ошибки упаковки в процессе роста - не единственная причина двойникования. Так, дофинейские двойники кварца (типичные для кристаллов высокотемпературного происхождения) относятся к "двойникам превращения". При температурах выше 573°С кварц кристаллизуется в гексагональной модификации, представляющей, в сущности, другой минерал. С понижением температуры он переходит в обычную, знакомую всем тригональную модификацию. Превращение связано с перестройкой структуры готового кристалла, что представляет задачу не из легких. Оптимальный выход из положения - перестраиваться отдельными структурно симметричными, сдвойникованными участками. Структура как бы складывается "гармошкой" - такая перестройка проще, чем перестройка целиком, и требует меньших энергетических затрат. Для дофинейских двойников характерны сложные границы индивидов, извилистые двойниковые швы. Внешнюю форму кристалл наследует от гексагонального кварца. Такие псевдоморфозы, отличающиеся от первоначального минерала только кристаллической структурой, называются "параморфозами".

В образовании некоторых двойников превращения заметную роль играют химические примеси. Один из кальциевых цеолитов - стеллерит - образуется при довольно высоких температурах в кристаллах ромбической сингонии. Если кристаллы чистые, то они сохраняются и при охлаждении. При наличии примеси натрия кристаллическая структура с понижением температуры становится неустойчивой, и минерал переходит в моноклинную форму - стильбит Переход сопровождается двойникованием. В связи с этим для стильбита обычны двойники превращения, тогда как для стеллерита двойники не характерны.

Третья причина двойникования - механическое давление. Двойникование позволяет кристаллическим индивидам за счет деформации до некоторой степени приспособиться к давлению, частично "сбросить" механические напряжения (рис. 42). Так образуются некоторые двойники кальцита и доломита (в том числе полисинтетические) в зернах мраморов и метаморфизованных, перемятых известняков.

Рис. 42. Механическое двойникование кальцита: а - кристалл до двойникования; б - кристалл после двойникования

Как видим, двойникование - одна из уловок чрезвычайно экономной природы ради все той же цели - минимизации свободной энергии. И двойники поэтому не всегда встречаются именно там, где их скорее можно ожидать по геометрическим и структурным соображениям.