По страницам минералогии и кристаллографии

Мы уже говорили, что земная кора состоит из горных пород. Очень часто в быту мы называем горную породу „камнем" и, конечно, считаем его обязательно твердым. Правильно ли это? В принципе правильно. Оба термина обозначают одно и то же понятие. Однако между ними имеется существенная разница.

Горная порода в отличие от "камня" в житейском понимании слова вовсе не обязательно твердая. К горным породам относятся не только гранит, базальт, мрамор и другие крепкие породы, но и рыхлые и сыпучие тела, такие, как пластичная глина, рыхлый песок, сланцы, а также жидкие тела (вода и нефть) и даже газы.

Строители называют „камнем" крепкие горные породы, а не мягкие и рыхлые. Так что „камень" — это строительное понятие, а иногда и бытовое. Геологи называют „горными породами" все горные породы, как крепкие, так и мягкие, рыхлые и сыпучие.

От горных пород нужно отличать минералы. Что же такое минерал? По определению академика А. Е. Ферсмана, минерал — это химическое соединение химических элементов, образовавшееся естественным путем, без вмешательства человека. Это своего рода „здание", построенное из определенных "кирпичиков" в различных количествах, но не беспорядочная куча этих "кирпичиков", а именно „постройка" по определенным законам природы.

Но мы хорошо можем понять, что из одних и тех же "кирпичиков", даже взятых в одном и том же количестве, можно построить разные „здания". Так, один и тот же минерал может встречаться в природе в самых различных видах, хотя по существу он остается все тем же химическим соединением.

А что это за "кирпичики"? Это самородные химические элементы. Мы насчитываем свыше ста видов кирпичиков", из которых построена вся окружающая нас природа.

Великий русский ученый Д. И. Менделеев расположил эти "кирпичики" — химические элементы — в стройную таблицу, названную именем ее создателя. Оказалось, что минералы состоят из этих разнообразных "кирпичиков", а различные сочетания их, да к тому же в разных количествах, и дают нам то, что мы называем минералами. Например, кислород в двойном количестве с кремнием дает кварц (кристаллическая форма кремнезема). У каждого минерала своя химическая формула. Это значит, что его химический состав постоянен.

Из ста четырех видов "кирпичиков" на Земле построено свыше 3000 разных „построек" — минералов (кварц, полевой шпат, каменная соль, т.д.). Эти "постройки" - минералы, скапливаясь вместе, образуют то, что мы называем горной породой (например, гранит, базальт, песок) .

Значит, горная порода - это скопление одного или нескольких минералов, которые слагают значительные участки земной коры. Поэтому в отличие от минералов горная порода не имеет химической формулы. Итак, горная порода может состоять из одного или нескольких минералов. В первом случае она называется мономинеральной (например, известняк, мрамор, гипс), во втором случае — полиминеральной (гранит, состоящий из минералов кварца, полевого шпата и слюды; базальт, габбро и др.).

Выдающийся советский петрограф Ф.Ю.Левинсон-Лессинг описал соотношение между горными породами и минералами так. Если бы можно было сравнивать земную кору по сложности ее строения и состава с некоторым сложным организмом, можно было бы сказать, что горные породы — это ткани, из которых построен наш организм, а минералы -слагающие его клетки.

Наука, которая изучает минералы, называется минералогией. Ею установлено, что большинство минералов входит в состав горных пород. Минералы представляют собой зерна различной величины и самой разнообразной неправильной формы. Они имеют кристаллическую природу, т.е. упорядоченное внутреннее строение. И в этом нет ничего особенного. Ведь все минералы, расположенные на поверхности Земли — твердые тела. А твердые тела делятся на кристаллические и аморфные (не имеющие кристаллического строения).

Кристаллических тел в природе большинство. Правда, когда мы говорим „кристалл", то перед нашими глазами возникают прекрасные многогранники, например драгоценные камни (бриллианты, рубины, изумруды), которыми мы любуемся в музеях или ювелирных магазинах. Кристаллические же тела — это крохотные, подчас невидимые глазом зернышки, образующие твердое тело. Однако внутреннее строение таких невзрачных зернышек столь же красиво и закономерно как и строение упомянутых великолепных многогранников.

Что такое кристаллы?

Это камни с природной, т.е. не сделанной руками человека, правильной, симметричной, многогранной формой. Трудно поверить, что такие идеальные многогранники с безукоризненно гладкими плоскими гранями и прямыми ребрами образовались сами, без помощи человека. Моделью идеального кристалла могут служить кристаллы горного хрусталя.

Они представляют собой бесцветные, прозрачные шестигранные „карандашики" с острыми пирамидками на концах. Слово „кристалл" происходит от греческого слова "крюсталлос" - лед. Почему лед? Потому, что в древности и даже в средние века люди из-за внешнего сходства кристаллов льда и горного хрусталя считали их идентичными. Кроме внешнего сходства общее между ними — способность замерзать при низких температурах. Только лед замерзает при совсем небольшом, а горный хрусталь — при очень сильном морозе.

Плиний Старший утверждал, что горный хрусталь образуется под действием холода, что он всегда находится в зоне наибольшего замерзания зимних снегов. А что касается того, что горный хрусталь - это лед, то, по его мнению, это ни у кого не вызывает сомнения. Такого же мнения по вопросу о происхождении горного хрусталя придерживались в течение многих столетий древние греки. Они считали горный хрусталь окаменевшим льдом, превращенным в камень по воле богов.

Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны, как вода. Недаром в быту приняты выражения "прозрачный, как кристалл", "кристально чистый". А теперь продолжим разговор о кристаллах. Мы держим в руках кристалл голубого аквамарина и восхищаемся природным совершенством его формы. Это — главный секрет очарования кристаллов. Неужели такие — от природы? Да, от природы! Это она в своей архитектурной мастерской создала такие великолепные произведения, полные эстетической привлекательности и простоты.

Долгие годы люди пытались проникнуть в непонятную для них тайну "изготовления" природой кристаллов. Появилась наука кристаллография, изучающая внутреннюю структуру кристаллического вещества, его свойства, форму и рост кристаллов.

В огненно-жидкой магме, в горячих струях растворов, просачивающихся сквозь поры и трещины горных пород, в клубах паров и газов, вырывающихся из вулканов, находятся в непрерывном движении потоки ионов, атомов и молекул. Остановить их и заставить начать упорядоченную жизнь нелегко. И тем не менее в природных процессах минералообразования существуют "рычаги", воздействующие на это хаотическое движение атомов и молекул.

Одним из таких "рычагов" является температура. По мере остывания магма густеет. Благодаря этому ионы, атомы и молекулы различных элементов сближаются все больше и больше. На них действуют различные межмолекулярные силы притяжения: гравитационные, электрические, магнитные. Под их воздействием атомы и молекулы останавливаются в наиболее удобных устойчивых положениях, как бы выстраиваются в симметричном и закономерном чередовании. Образуется устойчивый пространственный узор, который кристаллографы назвали кристаллической решеткой.

Увидеть эту решетку пока нельзя. Это недоступно нашему глазу. Ведь он видит предметы лишь определенной величины. Мы не можем рассмотреть, из каких мелких „кирпичиков" построена вся природа. Ддя этого требуется огромное увеличение, примерно в миллиарды раз. Современная электронная микроскопия пока не дает нам такой возможности.

Давайте представим себе невозможное... Наш электронный микроскоп увеличил все в десятки миллиардов раз. Наведем его на кристаллическое вещество, например кристалл галита (поваренная соль).

Мы увидим, что атомы и молекулы этого химического вещества (представим их в виде шариков) расположены не хаотично, а строго систематизированно. Это значит, что частицы (шарики), т. е. атомы, в данном случае натрия и хлора, повторяются с одинаковым шагом в параллельных рядах и плоских параллельных слоях. Все рассматриваемое поле будет напоминать решетку, образованную маленькими „шариками", которые как бы висят в пространстве в строжайшем порядке на расстоянии нескольких микронов друг от друга.

Такое распределение в пространстве называется кристаллическим строением. Сама же постройка из атомов и молекул по определенному геометрическому закону называется кристаллической структурой минерала. Именно правильные ряды частиц в пространстве, трехмерные решетки из атомов и образуют кристаллическую структуру. Это показано на примере галита.

Отмеченная нами плотная и закономерная упаковка частиц (шариков) натрия и хлора в галите является общей для всех кристаллических тел. Регулярность внутреннего строения обусловливает внешний облик кристаллических тел. Это позволяет кристаллам принимать форму многогранников.

От структуры кристалла зависят его форма и свойства вещества. Правильная многогранная форма является следствием атомной структуры. Плоские грани кристалла отвечают плоским сеткам кристаллической решетки, а острые прямые ребра - рядам атомов в решетке.

Чем различаются структуры кристалла и некристалла? Во всех кристаллах атомы, ионы и молекулы образуют симметричные ряды, сетки и решетки. Правильно повторяющееся симметричное расположение частиц является характерной особенностью кристаллов. В этом и заключается их отличие от некристаллов.

Итак, кристаллы можно определить как вещества, в которых составляющие их частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены строго периодически, образуя геометрически закономерную кристаллическую структуру. Кристаллы отличаются друг от друга атомной структурой. Так, например, галит имеет решетки простые, а другие кристаллы - более сложные и даже очень сложные.

По форме кристаллы очень разнообразны. Каждый кристалл имеет плоскость симметрии, оси симметрии, центр симметрии. По этим элементам их объединяют в семь систем (сингоний). Что они собой представляют?

Плоскость симметрии делит кристалл на две равные части, причем одна из частей является зеркальным отражением другой. А что такое ось симметрии кристалла? Это линия, при вращении вокруг которой кристалл повторяет свое начальное положение. Различают оси симметрии второго, третьего, четвертого и пятого порядков в зависимости от того, сколько раз при вращении кристалла вокруг оси на 180° повторяется его начальное положение в пространстве. Центром симметрии называется точка внутри кристалла, в которой все отражается, как в зеркале; при таком отражении изображение поворачивается не только справа налево, но и с лица наизнанку.

Какими бывают кристаллографические сингонии? По кристаллографическим осям и по элементам симметрии выделяют высшую, среднюю и низшую кристаллографические сингонии, которые стали фундаментом современной теории строения кристаллического вещества. Знание элементов симметрии кристаллического вещества необходимо для минералогических и петрографических исследований.