Как образуются драгоценные и цветные камни в природных условиях

Как мы уже говорили, драгоценные камни относятся к большой группе природных химических соединений, называемых минералами.

Под понятием минерал подразумевается однородное определенного состава химическое соединение или, реже, определенный химический элемент, образующийся в результате естественных физико-химических процессов, происходящих в природе. Иногда минералами называют и искусственно- получаемые химические соединения, которые по своему составу и кристаллическому строению похожи на природные вещества, например синтетические алмаз, кварц, рубин и сапфир. В настоящее время известно более 3000 минералов, к числу которых относятся и драгоценные камни.

Прежде чем перейти к обсуждению по существу затронутого вопроса, т. е. к условиям образования драгоценных и цветных камней, необходимо сказать несколько слов о веществе вообще и о его элементарном химическом составе.

Окружающие нас предметы представляют собой физические тела, которые в большинстве случаев являются сложными в том смысле, что состоят из более простых веществ или химических элементов. В настоящее время известно 102 химических элемента, из них 87 выделены из природных соединений, а остальные 15 синтезированы человеком путем применения радиоактивных методов, причем они получены в весьма небольших количествах. В связи с этим интересно отметить, что элемент № 101, полученный американским ученым Гленом Г. Сиборгом в 1954 г. и названный им в честь великого русского химика Д. И. Менделеева менделевиумом, обошелся в 500 000 долларов; при этом было получено всего 5 атомов, однако каждый из них удалось индентифицировать.

Этот пример дает весьма наглядное представление о том, какие удивительные возможности может предоставить современная техника для проведения научных экспериментов с радиоактивными веществами. Следовательно, все многообразие окружающих нас вещей и предметов, которые мы наблюдаем в повседневной жизни, образовано не более чем из 87 элементов.

Подобно тому как различные комбинации весьма ограниченного числа букв алфавита создают богатство слов языка, так и разнообразные соотношения элементов создают обилие всевозможных веществ. Если продолжать подобную аналогию дальше, то и количественное соотношение химических элементов в природе так же разнообразно, как и набор шрифта в типографии, где более употребительных букв значительно больше, чем менее распространенных.

В природе наиболее распространенными элементами являются такие, у которых ядра атомов наиболее устойчивы.

Все известные драгоценные и поделочные цветные камни образовались в земной коре. Поэтому посмотрим, из каких элементов состоит в основном твердая оболочка нашей планеты.

Шведский ученый Гольдшмидт и русский академик А. Е. Ферсман определили процентное содержание атомов девяти наиболее распространенных элементов земной коры, а академик А. Н. Заварицкий на основании их данных подсчитал объемные отношения этих элементов. Результаты подсчетов получились следующие: кислорода в земной коре оказалось 46,59% по весу и 91,76% по объему, кремния 27,72% по. весу и 0,8% по объему. Следующие семь элементов - алюминий, железо, магний, кальций, натрий, калий и титан - составили 24,94% по весу и 7,4% по объему. Следовательно, 9 вышеназванных элементов составляют основную массу земной коры (99,25% по весу).

При этом кислороду и кремнию принадлежит ведущее значение, их доля участия в построении земной коры составляет 74,31% по весу и 92,56% по занимаемому объему, т. е. они составляют основу земной коры. На долю остальных элементов приходится всего лишь 0,75% по весу, а они составляют всю остальную часть таблицы Д. И. Менделеева.

Если химия углерода наиболее ярко представлена в области органической химии и без углерода невозможна была бы жизнь, то химия кремния интересна своими силикатами^* и без кремния невозможна была бы "жизнь" земной коры.

^* (Силикатами называют соединения кремния и кислорода с другими элементами. В силикатах связь между атомами кремния и связь кремния с другими элементами осуществляется через атомы кислорода.)

Силикаты составляют ¹/₃ всех известных минералов, однако они представляют подавляющее большинство в количественном соотношении, так как почти все породообразующие минералы относятся к силикатам. Все остальные элементы распределены в земной коре весьма неравномерно. В силу целого ряда причин, связанных с геохимией земной коры и свойствами самих элементов, часть из них сосредоточилась в виде отдельных месторождений; а другие, наоборот, сильно рассеялись в земной коре.

Возникновение тех или иных минералов, в том числе и драгоценных камней, зависит не только от наличия в данном месте тех элементов, которые образуют эти минералы, но также и от соблюдения многих других условий, требующихся для их образования, например: необходимой температуры, давления, концентрации реагирующих веществ и т. п.

Вот почему в природе очень редки драгоценные камни. Помимо того что в природных условиях весьма трудно сочетать все необходимые условия для их образования, количество драгоценных камней чрезвычайно мало по сравнению с другими, более распространенными минералами, и они легко "теряются" среди них.

Но, к счастью для нас, в природе нашлись также и пути для концентрации драгоценных камней, а в некоторых случаях нам стали известны определенные "излюбленные" места их возникновения.

Образование минералов в природе происходит различными путями, которые, с энергетической точки зрения, разделяются на процессы, идущие за счет тепла изверженной магмы^*, т. е. за счет внутреннего тепла Земли, и на процессы, совершающиеся за счет энергии Солнца.

^* (Согласно современным взглядам, магма представляет собой огненножидкий силикатный расплав сложного состава. Магма находится в недрах земной коры под давлением вышележащих слоев и при температуре 1200-2000° С. На больших глубинах все компоненты, составляющие огненножидкую магму, по отношению друг к другу находятся в хаотическом, неупорядоченном состоянии, т. е. в магме нет никаких кристаллических тел.)

1. Процессы, связанные с продуктами магматической деятельности. В результате этих процессов рождение минералов происходит при кристаллизации самой магмы или связанных с ней процессов. Эти процессы протекают обычно при высокой температуре и высоком давлении.

В минералогии подобные процессы образования минералов называются эндогенными, или внутри рожденными.

2. Процессы минералообразования, протекающие в поверхностных зонах земной коры. Эти процессы совершаются при обычных температурах и небольших давлениях. При этом в образовании минералов принимают активное участие воздух, вода и биохимические процессы, происходящие в воде. Эти процессы образования минералов называются экзогенными, т. е. извне рожденными.

В силу различных геологических причин, связанных с вулканической деятельностью, горообразованием и опусканием земной коры, магма поднимается в верхние ее зоны. При этом в результате остывания магмы из нее выкристаллизовываются в определенной последовательности составляющие ее части. Вначале выделяются вещества, имеющие высокую температуру плавления. Затем, по мере остывания магмы, постепенно выкристаллизовываются и остальные вещества, имеющие более низкую температуру плавления.

Так как химический состав магм не одинаков, то породы, образованные за счет этих магм, в зависимости от содержания в них окислов кремния (SiO₂), магния (MgO), железа (FeO) и некоторых окислов других элементов^* подразделяют на ультраосновные (меньше всего содержащие SiO₂), основные (содержание SiO₂ несколько больше) и кислые (наиболее богатые SiO₂). Так возникают различные горные породы: ультраосновные - дуниты, пироксениты и т. д.; основные - базальты, габбро, диабазы, порфириты и др.; кислые - граниты, гранодиориты, кварцевые порфиры и т. д. Многие из этих пород дают после обработки красивые, отшлифованные поверхности и используются в качестве облицовочного материала.

^* (Основу земной коры составляют изверженные породы, образовавшиеся за счет излившихся магм. Эти породы состоят в основном из следующих элементов: кислорода - 46,59% (по весу), кремния - 27,72, алюминия - 8,13, железа - 5,01, магния - 2,09, кальция - 3,68, натрия - 2,85, калия - 2,6, титана - 0,63%. Перечисленные 9 элементов составляют 99,25% от веса земной коры, тогда как на долю остальных 80 элементов, находящихся в земной коре, приходится всего 0,75% по весу.)

Большинство драгоценных камней связано с пегматитами, представляющими особый продукт кристаллизации остаточного расплава магмы, т. е. расплава, который получился после того, как основная масса магмы закристаллизовывалась в породу. В этих "маточных" растворах концентрируются все элементы, не вошедшие в образование основной массы породы. Пегматиты обнаруживаются в виде "жил" как в теле магмы, так и в прилегающих к ней или вмещающих ее породах. В пегматитах обнаруживаются топазы, турмалины, изумруды, александриты, фенакиты и другие камни.

Магма почти всегда содержит в своем составе большое количество различных легколетучих веществ, которые по мере падения давления в магме и по мере ее продвижения к земной поверхности выходят из нее, проникают в окружающие магму породы и химически реагируют с ними.

В этих процессах энергичное участие принимают горячие водные растворы, которые образуются как за счет конденсации паров воды, выделяющихся из магмы, так и за счет внешних вод, нагретых горячим массивом остывающей магмы.

В результате подобных процессов возникает целый ряд минералов, в том числе и некоторые драгоценные камни, такие, как, например, бирюза, благородный опал и др.

Все, что создано эндогенными процессами, на поверхности Земли подвергается процессам выветривания, т. е. полному или частичному разрушению под влиянием воздействия воды, углекислоты, кислорода воздуха и жизнедеятельности организмов. Растворимые в воде части разрушенной породы и ее мелкие частички вымываются водой и уносятся ею в долины рек, в озера, моря и океаны, где они в известных условиях отлагаются, образуя месторождения осадочных горных пород. Нерастворимые в воде минералы в виде мелких взвешенных в воде частичек, обломков пород уносятся водными потоками и отлагаются в речных долинах и водных бассейнах в виде песка, гальки и гравия. Таким образом, возникают различного рода россыпи, в том числе и россыпные месторождения драгоценных камней.

Иногда эндогенные и экзогенные образования верхних участков земной коры в силу мощных горообразующих процессов перемещаются в глубь земной коры, где они под влиянием высоких температур и давлений в значительной степени изменяются: известняки, например, превращаются в мрамор или происходит перегруппировка составных частей первоначального минералогического состава с образованием новых минералов и пород. Таким образом возникают такие горные породы, как, например, различного рода яшмы.