Как подобрать ключ к проблеме

Как же минералог подбирает ключи к агрегатам, как заставляет их рассказать свою "биографию"? Научиться этому - значит получить доступ к важнейшей информации о процессах образования горных пород и месторождений и, в конечном счете, обогатить арсенал методов поиска полезных ископаемых. Проблема, однако, относится к труднейшим в минералогии. Решение ее осложняется и колоссальным, малоизученным многообразием агрегатов; по словам одного из ведущих минералогов-онтогенистов А. Г. Жабина, "накопленная информация о строении минеральных агрегатов земной коры производит впечатление неограниченного разнообразия, которое едва ли когда-либо будет подчинено генетической классификации".

Фундаментальное учение о минеральных агрегатах - дело будущего. Но пристальное изучение агрегатов в последние 20-25 лет уже принесло свои плоды: в море "неограниченного разнообразия" возникли отдельные островки, где исследователь чувствует под собой надежную опору. Такими островками служат друзы, параллельно-шестоватые и другие уже рассмотренные нами агрегаты. На этих простых, но достаточно разнообразных и поучительных приметах минералог учится правильно ставить задачу и отрабатывает метод ее решения.

Исходная информация - строение, "анатомия" самого агрегата. Цель - восстановить картину его происхождения. Что для этого требуется?

Прежде всего - установить, как заполнялось веществом пространство агрегата. Известны следующие способы заполнения:

1. кристаллизация в свободном или освобождающемся пространстве. Так образуются друзы, параллельно-шестоватые агрегаты первого и второго типов, секреции. Отложение минералов на стенках называется крустификацией;
2. метасоматоз - отложение одного вещества на месте другого путем его замещения или превращения. Примерами метасоматических образований могут служить псевдоморфозы, некоторые агрегаты метаморфических горных пород;
3. отложение в пространстве, освобождаемом при активной роли самого растущего агрегата. Таковы конкреции и параллельно-шестоватые агрегаты третьего типа.

Следующий принципиальный момент - способ и особенности массопереноса, обусловившего рост агрегата. Во всех рассмотренных примерах кристаллизация происходила в водных растворах, а вещество доставлялось к растущему агрегату посредством диффузии (во всех случаях), течения раствора, конвекции и концентрационных потоков (друзы), капиллярных явлений (параллельно-шестоватые агрегаты второго и третьего типов, конкреции). В соответствии с универсальным принципом Кюри, симметрия массопереноса отражается в строении минерального агрегата. Вопрос этот довольно сложен, и следует остановиться на нем подробнее.

Реконструируя историю минерального агрегата, минералог чаще всего интересуется не столько его внешней формой, сколько симметрией его текстуры и структуры. В данном случае термин "симметрия" следует понимать более широко. Под симметрией текстуры подразумевают повторяемость типичных, примерно одинаковых деталей строения в соответственных точках всего пространства агрегата. Симметрия структуры - это закономерности строения в пределах отдельного представительного, характерного фрагмента. Возьмем для примера конкрецию. Если она растет в однородной среде, пропитанной неподвижным раствором, то массоперенос может осуществляться лишь за счет диффузии и капиллярного просачивания жидкости. Такой массоперенос имеет симметрию шара, так как идет равномерно во всех направлениях и участках пространства. Внешняя форма конкреции (см. рис. 53, а) приближается к шаровой. Текстура ее также имеет симметрию шара: в соответственных точках - в данном случае на одинаковых расстояниях от поверхности агрегата - повторяются примерно одинаковые элементы. Они могут быть получены друг из друга, включая размеры и характер ориентировки, с помощью операций симметрии, возможных для шара. Если же изучение конкреции показывает, что симметрия ее текстуры отклоняется от шаровой, то необходимо сделать вывод, что и в питании имели место соответствующие отклонения: окружающая среда не была вполне однородной; массоперенос был направленным и т. д. В качестве представительного фрагмента конкреции, исходя из строения этого агрегата, следует выбрать небольшой сектор; его можно характеризовать симметрией конуса с осью L∞, направленной по радиусу конкреции.

Для сравнения рассмотрим теперь секрецию (см. рис. 53, в). Вариант первый: секреция крустифицирована равномерно по всей внутренней поверхности. По тем же соображениям, что и в предыдущем примере, ее текстуре следует приписать симметрию шара. Совсем не обязательно при этом, чтобы сама секреция имела шаровую форму. В данном случае внешняя форма агрегата определяется готовой полостью, образование которой - вопрос отдельный, имеющий к формированию агрегата лишь косвенное отношение. А вот неравномерности распределения индивидов в секреции, напротив, весьма существенны. Поэтому рассмотрим вариант второй: одна часть секреции отличается от другой характером индивидов или их размерами, взаимным расположением, толщиной слоя минерала на стенке. Такая текстура имеет симметрию конуса, стрелы и т. д., но не шара. В отличие от предыдущей эта текстура свидетельствует о направленности массопереноса. Представительным фрагментом может служить сегмент - участок секреции с отложившейся в нем друзовой, параллельно-шестоватой или иной коркой. В том и другом вариантах строение сегмента имеет симметрию конуса. Симметрия структуры - это в сущности симметрия текстуры более простого агрегата, слагающего участок секреции.

Таким образом, текстура и структура - это дальний и ближний порядки в строении агрегата, обусловленные особенностями его образования.

Наконец, требуется установить организационную иерархию данного минерального коллектива. Только что мы видели простой агрегат (друзу) в роли строительного элемента более сложного агрегата (секреции). Роль составных элементов

могут играть и сложные индивиды - сферолиты и сферокристаллы. Вырастая на общей подложке, они могут вступать в геометрический отбор, срастаться в друзовые и параллельно-шестоватые агрегаты. Возникает несколько уровней организации минерального вещества (хотя, в конечном счете, любой агрегат построен из индивидов в тесном смысле слова).

А теперь новые примеры.

Полости - инкубаторы кристаллов

Минерализованная полость - для собирателя сущий клад: отличные кристаллы, друзы, сростки - словом, все лучшее, что можно видеть в коллекциях и музейных витринах, происходит главным образом из полостей в горных породах, рудных телах и жилах (рис. 54). Занорыши, гнезда, продушины - эти их образные и звучные названия, ведущие свое происхождение от старательского фольклора, до сих пор сохраняются в лексиконе горняка (и минералога) наряду с научными терминами - камера, миарола, миндалина.

Рис. 54. Минерализованная полость в горной породе

Среди всего этого минералогического великолепия особо выделяются трещины в некоторых метаморфических горных породах, или, как их еще называют, "жилы альпийского типа". Известны они, впрочем, не только в Альпах, но и во многих других районах земли, в том числе у нас на Памире, Приполярном Урале. В таких трещинах встречаются прекрасные кристаллы и друзы апатита, аксинита, гематита, рутила, брукита, анатаза, эпидота, титанита, альбита. Главное их богатство - высококачественное пьезокварцевое сырье, горный хрусталь.

Как образуются кристаллы и друзы в трещинах "альпийского" типа? Чем обусловлено их высокое качество?

Характерно, что в этих трещинах обнаруживаются в основном те же минералы, которые отдельными зернами рассеяны во вмещающей породе. Значит, из породы эти минералы выносились растворами, а в полости-трещине кристаллизовались вновь. Минералы совершали свой долгий и трудный путь как будто специально для того, чтобы перевоплотиться в музейные шедевры.

На самом деле природе нет никакого дела до наших эстетических эмоций. Главное - это обеспечение энергетического минимума, условия равновесия. Но переотложение вещества с укрупнением индивидов как раз и отвечает этой цели: сокращается суммарная поверхность индивидов, а, следовательно, и их общая поверхностная энергия. Все необходимые условия как будто налицо: имеется полость-кристаллизатор - трещина, имеется и "транспортный агент" - влага, пропитывающая горную породу и циркулирующая по ее порам. Правда, круговорот воды между породой и полостью совершается очень медленно. Но если дело касается качества, природа не допускает спешки.

Требуется, однако, еще одно: разная растворимость минералов в породе и в полости. Иначе один и тот же раствор не был бы в состоянии выполнять в одном месте функцию растворителя, а в другом - кристаллообразующей среды. Но возможно ли такое? Оказывается, возможно.

Теория утверждает (а эксперимент удостоверяет), что растворимость индивидов зависит от их величины: при одинаковых условиях мелкие крупинки и зерна растворяются чуть лучше крупных. Поэтому при определенной концентрации раствор по отношению к мелким индивидам будет недосыщен, а по отношению к крупным - пересыщен. В таком растворе мелкие индивиды растворяются, а крупные - растут.

Режим растворения - кристаллизации устанавливается автоматически. В порах породы раствор частично растворяет зерна, пока не станет насыщенным. Попав в полость, он оказывается по отношению к находящимся там кристаллам пересыщенным и отдает им часть растворенного вещества: идет кристаллизация. "Отработавший" раствор, поступая в поры, оказывается по отношению к зернам недосыщенным: идет растворение. И так далее. Раствор исправно выполняет свою роль транспортного агента, с переформированием в более крупные индивиды вещество освобождается от части поверхностной энергии. Полость как бы осуществляет функцию энергетического дренажа.

Переотложение минералов связано также с тем, что зерна находятся под направленным давлением вышележащих толщ горных пород, а в период метаморфизма испытывали сильное одностороннее сжатие. Установлено, что в точках приложения повышенного давления растворимость кристаллических тел увеличивается. Это также является причиной обогащения порового раствора. Но в полости кристаллы испытывают лишь всестороннее сжатие: жидкость, в которую они погружены, передает внешнее давление как гидростатическое, и оно равномерно распределяется по всей поверхности кристаллов. Поскольку причины повышения растворимости здесь нет, тот же раствор оказывается пересыщенным, и избыток вещества "сбрасывается" на растущие кристаллы. Частичное растворение несколько разгружает наиболее сжатые точки, давление распределяется более равномерно, соответствующая энергия покидает систему. Полость опять-таки служит энергетическим дренажем.

В некоторых случаях переотложение минерального вещества вызывается местным нагревом. Вблизи источника тепла кристаллы растворяются, а в менее нагретой части вновь выпадают из остывшего раствора. Такого рода полости называются погребами. Источником тепла обычно служит остывающая магматическая интрузия; массоперенос осуществляется путем конвекции.

Метод температурного перепада используется в промышленных масштабах для так называемого гидротермального синтеза кристаллов веществ, растворимость которых повышается при нагревании. Выращивание кристаллов ведется в автоклавах - герметических сосудах, рассчитанных на высокие давления и температуры. В донной части автоклава помещают куски кристаллизуемого вещества, в верхней - кристаллические затравки. Температура в нижней части автоклава поддерживается несколько более высокой, чем в верхней. Внизу перегретый раствор насыщается веществом, переносится конвекцией в зону роста, вследствие понижения температуры становится пересыщенным и сбрасывает избыток вещества на затравки. Так получают высококачественные искусственные кристаллы кварца и многих других технических и ювелирных материалов.

Остается ответить на второй вопрос: почему именно в трещинах "альпийского" типа образуется первосортный друзовый материал? Для этого надо разобраться, что требуется для образования хороших друз минералов.

Совершенные кристаллы, как известно, получаются при медленном росте в слабо пересыщенных растворах. В этом также предпосылка продолжительного друзового роста: при слабых пересыщениях возникает мало зародышей, и кристаллы имеют возможность дорасти до значительных размеров раньше, чем начнут мешать друг другу. При высоких пересыщениях появление множества центров кристаллизации ведет к тому, что коллективный рост быстро переходит в стадию геометрического отбора, и растущая друза вскоре вырождается в параллельно-шестоватый агрегат.

Рассмотренный нами процесс переотложения минералов идет за счет очень небольшой разницы в условиях растворения и кристаллизации. Температурные перепады невелики; направленное давление лишь немного повышает растворимость; мелкие индивиды растворяются чуть лучше крупных. Возможность высоких пересыщений в таких условиях исключена. Допустим, по какой-либо причине концентрация раствора все же повысилась; тогда растворение немедленно прекратится и кристаллизующееся вещество будет выделяться до тех пор, пока концентрация не снизится вновь. Диффузия растворенного вещества и циркуляция в порах идут очень медленно, вследствие чего раствор, поступающий в полость, постоянно разбавляется там обедненным раствором. По всем этим причинам пересыщение всегда поддерживается вблизи того нижнего предела, при котором еще возможен рост кристаллов. Но в этом, как мы только что выяснили, и состоит условие образования крупных друз совершенных кристаллов. Рост идет медленно, и надо полагать, что над такими шедеврами природе приходится трудиться особенно долго.

Агаты и кремни

На территории Подмосковья некогда высились грандиозные горы, вроде нынешних Альп... Но это было невообразимо давно. Уже более миллиарда лет назад на месте подвижной горной области завершилось формирование мощной и жесткой Русской платформы, а на ее поверхности возникла Московская синеклиза - гигантское, очень плоское овальное "блюдо". В течение сотен миллионов лет синеклиза заполнялась осадками, и постепенно они спрессовывались в горные породы. Громадная платформа лишь чуть "вздрагивала" от толчков соседних активных областей: временами блюдо слегка наклонялось то одним, то другим краем, дно его то прогибалось, то снова немного поднималось. Но и этих небольших движений, длившихся миллионы лет, было достаточно, чтобы сюда много раз приходило и вновь отступало море; субтропические, тундровые, пустынные пейзажи сменяли друг друга вместе со сменой геологических периодов и эпох.

Под нынешними равнинными лесами и полями Подмосковья лежат пласты песков и глин, а дальше, до глубины полторы-две тысячи метров, - толщи известняков и доломитов. Так что горные породы Подмосковья не отличаются большим разнообразием и по богатству минералами не могут соперничать, скажем, с Уралом или Забайкальем.

Но в одном нельзя не отдать должного щедрости подмосковной природы: кремни, агаты, халцедоны - богатейшие минералогические клады Подмосковья. Все эти камни - агрегаты одного минерала - кварца. Но их происхождение, строение и свойства существенно различны.

Кремни известны с глубокой древности: первобытному человеку они служили непревзойденным материалом для каменных орудий. Подмосковье было бы для него бесценной кладовой жизненно важного сырья... Но с тех пор как человечество перешло к использованию других материалов, интерес к кремням увял, и изучены они недостаточно. Предполагается, что они образовались после того как известковый морской осадок уплотнился и превратился в горную породу. Кремни относят к метасоматитам: они возникли путем постепенного замещения известняка под действием растворов, несущих связанный кремнезем (двуокись кремния), вероятно, в виде легко растворимых силикатов щелочных металлов. Источником кремнезема служили продукты выветривания силикатных пород суши и захороненные в известняке кремневые остовы некоторых организмов, населявших море. Кремнезем выделялся из раствора и оставался на месте, а взамен поступало в раствор и уносилось соответствующее количество минералов известняка. На месте выделения кремнезема постепенно образовывался округлый кремневый желвак. В этом проявлялась все та же тенденция к концентрации вещества, стимулируемая сокращением поверхностной энергии. Как и в предыдущем примере, она осуществлялась при посредничестве вездесущего транспортного агента - воды. Рассеянное в большом объеме вещество как бы стягивалось в одно место; недаром кремни называют еще стяжениями.

Построены кремни из скоплений сферолитов халцедона и микроскопических зерен кварца. Они всегда содержат много примесей: частички окислов и фосфатов железа, пирита, кальцита, мелкие фрагменты материнской породы, окаменевшие остатки древней фауны. Иногда в кремнях заключены небольшие полости с агатами или друзами кристаллов кварца. Снаружи они часто покрыты беловатой корочкой - так называемой патиной.

В полированных срезах красота подмосковных кремней предстает палитрой ярких разноцветных пятен (рис. 55). В синие и голубые цвета кремни окрашены частичками вивианита и окисленного пирита; окислы железа пигментируют их бесчисленными бурыми, красными, желтыми оттенками. На разрезанном кремне часто виден концентрический узор. Это - результат ритмической диффузии, явления, открытого в конце прошлого века немецким химиком Р. Лизегангом. Снаружи в кремень диффундировало вещество, способное вызывать образование окрашенного осадка. Это могла быть, например, просто вода, обогащенная кислородом, окислявшая пирит и вивианит с выпадением бурого гидроокисла железа. Когда концентрация диффундирующего вещества достигала определенного уровня, происходила реакция с выпадением осадка, в результате чего концентрация вновь падала и стимулировалась дальнейшая диффузия вглубь до нового накопления вещества и выпадения осадка. Для подмосковных кремней "кольца Лизеганга" очень характерны.

Рис. 55. Кремни Подмосковья (полированные срезы из коллекции Т. П. и Ю. И Рапопортов). Окрестности г. Дмитрова

Агаты встречаются в Подмосковье гораздо реже кремней. Наиболее известны красивые пестроцветные и бурые агаты из окрестностей г. Голутвина (рис. 56) и голубовато-серые агаты из-под г. Ступино. По своему строению агаты Подмосковья резко отличаются от кремней, в то же время повторяя в основных чертах классические агаты из вулканических пород. Обычно агатовая жеода заполнена сменяющими друг друга резко разграниченными замкнутыми концентрическими слоями халцедона. Ориентировка сферолитов халцедона упорядочение: в микроскоп можно разглядеть, что их центры роста располагаются на поверхности предыдущего слоя, а направлениями роста сферолиты ориентированы внутрь полости. В середине чаще всего находится незаполненное пространство, ограниченное внутренним слоем халцедона или наросшими на него кристаллами кварца. Агат, стало быть, представляет собой сложный агрегат с несколькими уровнями структурной организации: кристаллические волокна - сферолиты - друзы сферолитов (слои) - агат. В минералогическом смысле агаты гораздо "чище" кремней, хотя и в них встречаются включения посторонних минералов.

Рис. 56. Агат (коллекция Т. П. и Ю. И. Рапопортов). Приокское месторождение, Московская область

Не вызывает сомнения, что, в отличие от кремней, агаты образовались при заполнении готовых полостей. В вулканических породах полости возникли при образовании газовых пузырей в жидкой лаве; известны агаты в полостях, оставшихся после выгорания затопленных лавой деревьев. В известняках полости образовались главным образом при выщелачивании подземными водами. Относительно же способа заполнения полости агатом высказывались различные точки зрения, между сторонниками которых шла многолетняя полемика, дававшая повод новым исследованиям. Дискуссия о происхождении агатов интересна и поучительна.

Еще в первой половине прошлого столетия возникло представление, что агаты образуются послойным отложением халцедона из раствора, поступающего в полость извне. В 1915 г. Р. Лизеганг выступил с совершенно иной точкой зрения: происхождение агатов он связывал с ритмической диффузией. По мнению Лизеганга, полость сначала заполнялась коллоидным сгустком - гелем кремнезема. Гель состоит из микроскопических, не более 10^-5 см, частичек кремнезема, слабо связанных между собой и погруженных в водную среду. Затем из стенок полости начинали просачиваться и диффундировать в гель другие вещества, вызывавшие образование в нем "колец Лизеганга", вследствие чего гель окрашивался и разделялся на концентрические слои. На заключительном этапе гель кристаллизовался в халцедон, наследовавший от него концентрически-слоистое строение. В подтверждение своей гипотезы Лизеганг ссылался на интересные и эффектные опыты с искусственными веществами.

Взгляды Лизеганга получили распространение среди геологов. Но в 1934 г. известный советский минералог П. П. Пилипенко, опираясь на обширный природный материал, выступил с критикой коллоидно-диффузионной гипотезы. Он указал, в частности, что ритмическая диффузия вызывает образование размытых полос, тогда как в агатах слои разграничены резко. Упорядоченное строение агатов говорит об определенной последовательности кристаллизации. Поскольку центры сферолитов расположены на поверхности смежного слоя, необходимо заключить, что этот слой кристаллизовался раньше. Отсюда следует, что кристаллизация шла слой за слоем по направлению от стенок полости к центру. Гель же кристаллизовался бы одновременно во всем объеме. При этом от него отделилась бы вода, вследствие чего объем должен был сократиться, и в полости неизбежно остались бы пустоты. Между тем, вполне обычны агаты и без пустот. С другой стороны, неясно, куда могла бы деваться масса геля при образовании тонкостенной жеоды, в которой тонкий слой халцедона на стенках занимает лишь малую часть всего объема?

Таким образом, коллоидно-диффузионная гипотеза внутренне противоречива и расходится с наблюдаемыми фактами. Казалось, после работ П. П. Пилипенко должна была окончательно восторжествовать идея образования агатов по типу секреций - путем последовательного, от периферии к центру, отложения халцедона из обновлявшегося раствора. Но к середине нынешнего столетия коллоидная гипотеза приобрела новых сторонников в связи с другой, гораздо более важной для практики проблемой.

Еще в предвоенные годы наметился кризис в представлениях о гидротермальных рудных месторождениях. Известно, что главные компоненты руд цветных металлов - сульфидные минералы. Но в какой форме рудное вещество доставляется к месту своего отложения? Возможность переноса в истинных растворах приходилось отвергать, так как растворимость сульфидов столь низка, что для образования даже небольшой залежи потребовалось бы чуть ли не целое Средиземное море раствора. Такому количеству воды просто неоткуда взяться. Противоречие как будто устранялось, если допустить перенос рудных минералов в виде коллоидных растворов, концентрации которых могут быть во много раз выше. Тогда рудное вещество сначала отлагалось бы в виде геля, который впоследствии раскристаллизовывался.

Теория гидротермального рудообразования - важнейшая глава учения о месторождениях полезных ископаемых. В решении таких крупных проблем ученым не раз помогало изучение всякого рода аналогий. И минералоги, занимавшиеся признаками отложения руд из коллоидных растворов, стали пристально интересоваться другими образованиями, облик которых наводил на мысль о коллоидном происхождении. Возникло предположение, что участием коллоидов обусловлена специфическая почковидная форма некоторых минеральных агрегатов; их стали называть "колломорфными". К ним относили, в частности, "стеклянные головы" - красную (гематит), бурую (гётит), зеленую (малахит) и др. Все эти агрегаты состоят из слоев сферолитов и имеют гладкую почковидную внешнюю поверхность (рис. 57). К "колломорфным" причислялись также агатовые и халцедоновые агрегаты в жеодах, имеющие аналогичное строение. Все они служили как бы моделями коллоидного минералообразования в рудных жилах.

Рис. 57. 'Бурая стеклянная голова' - агрегат сферолитов гётита. Бакальское месторождение. Южный Урал

Многие минералоги, однако, придерживались прежней точки зрения, связывая образование этих агрегатов с кристаллизацией непосредственно из растворов, а не из коллоидных систем. По их мнению, связь "колломорфных" агрегатов с гелями ограничена внешним сходством. Вопрос о гелевом или кристаллизационном происхождении агатов как удобных для изучения аналогов "колломорфных" рудных агрегатов приобрел принципиальное значение.

В 1970 г. минералог В. И. Степанов на примере подмосковных халцедонов показал несостоятельность гипотезы гелевого происхождения "колломорфных" агрегатов. Высокая вязкость геля препятствовала бы оседанию кристаллических зародышей на подложку. Вследствие этого кристаллизация не ограничивалась бы одним "фронтом", а неизбежно распространилась бы на всю массу геля, так как в нем имеется сколько угодно затравок в виде коллоидных частиц. Поэтому при раскристаллизации геля не могла бы образоваться упорядоченная сферолитовая корка, а получился бы зернистый агрегат с более или менее равномерно распределенными в пространстве индивидами. Так всегда происходит кристаллизация вязких жидкостей, например "засахаривание" сиропов и меда: получается однородная масса, а не отдельные слои или осадок. В более общей форме на то же самое указывает универсальный принцип Кюри. При раскристаллизации геля массоперенос мог бы осуществляться только способом диффузии и имел бы поэтому симметрию шара. Структура же агата или халцедоновой жеоды имеет симметрию конуса, указывающую на действие сил иного характера. В данном случае это были силы адсорбции, вызывавшие появление центров роста на стенках, а затем и на сформировавшейся корке. Они были направлены по нормалям к стенкам жеоды и имели симметрию конуса.

Что касается проблемы переноса рудного вещества, то ее решение впоследствии пошло в основном другими путями. Ныне большинство исследователей придерживается мнения, что рудное вещество переносится в виде растворимых соединений, из которых сульфиды образуются уже на месте отложения в результате химической реакции. Согласно последним данным, в таких активных средах, как гидротермальные растворы, и сами сульфиды растворяются в ощутимой степени. В каком виде выпадает вещество из раствора - в виде кристаллов или сферолитов, - зависит от обстоятельств.

В дискуссии о "колломорфных" агрегатах обсуждался еще один интересный для нас вопрос - о так называемых "натечных формах". Натечными называют агрегаты, возникающие при течении минералообразующей жидкости по подложке, на которой минерал выделяется по мере течения. Примерно так представлялось и осаждение геля кремнезема, результатом которого явилось образование полой жеоды "колломорфного" халцедона. И хотя гипотеза коллоидного происхождения агатовых и халцедоновых жеод оказалась ошибочной, выражение "натечные формы" по привычке все еще употребляется применительно к халцедоновым коркам, образовавшимся в жеодах. Подразумевается, что они возникли при стекании раствора по стенкам жеоды.

Универсальный принцип Кюри и на этот раз поможет нам прояснить картину. Поток жидкости, стекающей по стенке, очевидно, имеет симметрию стрелы или листка (Р). Согласно принципу Кюри, этим должна ограничиваться симметрия текстуры образующейся корки, если бы она действительно была натечной. Отдельные слои и вся корка в целом выклинивались бы в одном - вертикальном - направлении, в соответствии с ориентировкой силы тяжести, вызывающей стекание. Но в действительности ничего подобного нет: толщина корки везде одинакова, и текстуре жеоды, как уже отмечалось, свойственна симметрия шара. Следовательно, сила тяжести в данном случае не играла решающей роли. Доказательство "от противного" привело нас к тому, что версия натечного происхождения наших халцедонов должна быть признана ошибочной, как противоречащая принципу Кюри. Заметим, что существуют и другие веские доводы против натечного образования халцедоновых корок.

Обсуждение этих агрегатов мы закончим воображаемой экскурсией в один из живописных уголков Подмосковья, где познакомимся с еще одним любопытным природным феноменом.

Загадка халцедоновых сосулек

Лесистые овраги в окрестностях подмосковного города Ступино - с давних пор место паломничества любителей камня. После многолетних раскопок овраги основательно оскудели, но когда-то здесь можно было без большого труда собрать буроватые халцедоны и голубовато-серые агаты, в изобилии встречавшиеся в осыпях и коренных выходах известняковых пород. Необычайно красивые и крупные, до 25-30 см, халцедоновые жеоды сделали бы честь любому минералогическому музею. Но более всего поражали выросшие на стенках и сводах некоторых жеод длинные, в 15 см и больше, причудливо изогнутые и разветвленные халцедоновые "сосульки" (рис. 58). Все это напоминало замысловатые восковые изваяния, но на самом деле халцедон очень тверд - он легко царапает стекло.

Рис. 58. Халцедоновая жеода с псевдосталактитами. Московская область

Своеобразный внешний вид - всегда свидетельство необычного "жизненного пути" минерала. Справедливости ради надо заметить, что предмет нашего интереса для минералогов не новость: халцедоновые "сосульки" известны и на других месторождениях. Но по яркости и масштабности этого явления ступинским халцедонам, пожалуй, нет равных.

Еще Р. Лизеганг дал подобным образованиям название "псевдосталактиты". Очевидно, он имел в виду, что "сосульки" внешне похожи на сталактиты пещер. В минералогической литературе псевдосталактиты - излюбленный пример "натечных форм". Однако универсальный принцип Кюри снова ставит все на свои места и убедительно доказывает ошибочность укоренившегося мнения; доводы аналогичны тем, которые приводились выше. Допустим, что раствор действительно стекал с выступов свода полости. Тогда свежий раствор поступал бы к основанию псевдосталактита, и по мере выделения вещества при стекании вниз концентрация должна была уменьшаться. В результате псевдосталактит был бы со стороны основания толще. Возможен другой вариант: выделение минерала шло преимущественно на нижнем конце псевдосталактита, где задерживались капли раствора. В любом случае псевдосталактит имел бы текстуру с симметрией конуса, соответствующей симметрии массопереноса стекающим раствором. Кроме того, рост псевдосталактита в длину происходил бы путем отложения слоев преимущественно на нижнем конце поперек его продольной оси.

Рис. 59. Строение псевдосталактита

На самом деле диаметр псевдосталактита по всей длине не меняется, слои везде имеют примерно одинаковую толщину и расположены концентрически вокруг оси. Иными словами, текстура псевдосталактита имеет симметрию цилиндра. Каждый слой является продолжением соответствующего слоя халцедоновой стенки жеоды (рис. 59) - значит, на псевдосталактитах и стенках слои нарастали одновременно. Далее: невозможно представить, как и почему могли "натечные" псевдосталактиты разветвляться и изгибаться, иногда на 180°. Встречаются, хотя и редко, "сосульки", выросшие со дна жеоды вверх - совсем уже очевидное противоречие с "натечностью". И, наконец, как в толще известняка могли сохраниться пустые полости, в которые раствор втекал и из которых он вытекал, только смачивая стенки? Если же полость была заполнена раствором, - а так оно, очевидно, и было, - то о каких натеках может идти речь?

В общем, аргументов против натечного происхождения халцедоновых "сосулек" набирается более чем достаточно. Но в таком случае все "здание" разом рушится, ибо приходится признать, что псевдосталактиты вообще не росли в длину. Они могли образоваться только одним способом - нарастая на готовый остов. И пока этот остов не будет обнаружен, происхождение "сосулек" останется загадкой.

Вообще говоря, стержневидные халцедоны - не редкость, но обычно роль остова выполняют в них иголочки других минералов, выросшие в полости еще до кристаллизации халцедона. В псевдосталактитах никакого постороннего основания обнаружить не удается.

Похоже, что решение проблемы зашло в тупик. Поэтому сделаем остановку и, вспомнив о пользе моделирования, выполним простенький опыт. Нальем в стакан раствор желтой кровяной соли или разбавленный в несколько раз силикатный конторский клей. Бросим в стакан несколько мелких крупинок медного купороса и начнем наблюдать за ними. Через некоторое время на каждой крупинке появятся тонкие трубчатые выросты, они будут удлиняться, изгибаться, давать боковые побеги, и со временем в стакане вырастет целый "лес". Перед нами - модель явления, происходившего в полости жеоды до начала кристаллизации халцедона. Далее - комментарий.

Сульфат меди (медный купорос) вступает в обменную реакцию с желтой кровяной солью или силикатом натрия (силикатный клей), и образуется нерастворимое вещество - гексацианоферрат либо силикат меди. В нашем опыте оно выделялось в виде студенистой пленки, обволакивавшей кристаллики медного купороса. Пленка - полупроницаемая мембрана: она пропускает сквозь себя молекулы воды, но задерживает частицы растворенного вещества. В данном случае вода диффундирует преимущественно снаружи внутрь капсулы, в которую заключен кристаллик: здесь находится более концентрированный раствор, а, следовательно, концентрация самой воды меньше; диффузия же вещества всегда идет в ту сторону, где его концентрация ниже. Таким образом, мембрана действует, как насос: она "накачивает" воду в капсулу, и там возникает избыточное, так называемое осмотическое давление. Пленка растягивается, кое-где не выдерживает давления и рвется; изнутри раствор сульфата меди устремляется в брешь, струйка соприкасается с внешним раствором и тотчас же обволакивается мембраной. Так появляются трубчатые отростки и побеги, а внутреннее давление заставляет их вытягиваться и изгибаться. Существенно, что реакция всегда идет на контакте реагентов: смешиваться им не позволяет возникающая мембрана.

Нечто подобное происходило и в нашей жеоде. Сначала полость заполнилась раствором кремнезема, вероятнее всего, в виде силикатов щелочных металлов, как в опыте с силикатным клеем. Затем через поры в стенках стали просачиваться растворы солей тяжелых металлов - железа, марганца и др. Надо полагать, это было связано с какими-то изменениями в геохимической обстановке. Эти соли выполняли ту же роль, что медный купорос в нашем опыте, - мы выбрали его просто как более доступное и распространенное вещество. В устьях пор растворы медленно приходили в соприкосновение с заключенной в полости жидкостью вследствие чего стенки покрывались мембранной пленкой. Осмотическое давление отслаивало мембрану от стенок, прорывало ее, и появлялись мембранные трубки с изгибами и ветвями. А поскольку они были несколько тяжелее раствора, сила тяжести вносила свои поправки: трубки, выросшие со свода, свисали вниз, а те, что появились на дне, ложились и сливались с выстилающей полость мембраной. Сохранились лишь немногие из них.

Через какое-то время мембрана отвердела и превратилась в тончайшую подложку. Затем настала очередь халцедона: его сферолиты слой за слоем обрастали стенки и нити...

Мембраны и осмос играют исключительно важную роль в живых организмах: они управляют процессами обмена веществ, функцией почек и других органов, транспортировкой питания и влаги от корневой системы растения к его надземным частям. Благодаря осмотическому давлению живые ткани сохраняют свою форму, оно поддерживает стебель растения в вертикальном положении, а листья - простертыми к свету и воздуху. Полупроницаемой мембраной снабжена каждая клетка, и общая площадь мембран в одной особи растения или животного может исчисляться гектарами.

Участие этих типично биологических механизмов в жизни минералов кажется необычным: в процессах минералообразования мы привыкли усматривать иные схемы. А ведь ступинский феномен отнюдь ни уникален. Псевдосталактиты халцедона, пусть не столь эффектные, встречались и на Волыни, в агатах Западной Грузии, Сихотэ-Алиня и в других районах. На роль "мембранных ячеек" в образовании некоторых агатов указывал еще Р. Лизеганг. Советский минералог Ф. В. Чухров в 1940 г. описал мембранные формы хризоколлы - красивого голубого медного минерала. В мембранных формах встречаются гётит, псиломелан, пирит (рис. 60).

Рис. 60. Псевдосталактиты пирита. Курская магнитная аномалия

И, может быть, самое удивительное - тот факт, что отдаленное внешнее сходство этих минеральных форм со своеобразной флорой или фауной действительно имеет основой аналогию с некоторыми явлениями, происходящими в живой природе.

Если вам, читатель, случится найти минералы с "сосульками", отнеситесь к ним внимательно. Быть может, они возбудят ваш интерес, наведут на размышления, и судьба этих минералов покажется вам необычной и значительной.

А. Пуанкаре, французский математик и философ, как-то заметил: "Если бы природа не была прекрасна, она не стоила бы того, чтобы ее знать".

Прекрасны и величественны законы формы минералов. За ними угадывается биография камня. Постарайтесь вникнуть в нее - и откроются удивительные хитросплетения мотивов и обстоятельств возникновения минералов, о которых они поведают сами, если набраться терпения и суметь к ним прислушаться.

Холодный и бездушный камень, оказывается, может не так уж мало. Он выбирает экономный способ структурной перестройки; он сам себя лечит; изменяя внешний облик, приспосабливается к условиям своего развития. Даже отбор, самоорганизация и объединение усилий, пусть в примитивной форме, доступны сообществу минералов. А "несовершенства" кристалла - вовсе не неудача природы: таким способом она непринужденно выходит из трудного положения.

Наше повествование подошло к концу. Вероятно, не на все свои вопросы любознательный читатель получил исчерпывающий ответ, и не всегда такой ответ существует. Но если у читателя возник вкус к тому, что Н. И. Кокшаров хорошо назвал "беседовать с минералами", то остальное довершат любовь к природе и жажда ее познания. И цель автора была бы в таком случае достигнута.