Как появились камни
| Как образуются драгоценные камни
Минералы образуются во многих различных условиях окружающей среды внутри Земли. Большинство драгоценных камней формируются в земной коре — верхнем слое планеты глубиной от 3 до 25 миль. Только две разновидности драгоценных камней – алмаз и перидот формируются в земной мантии, которая представляет собой 80% объема Земли. Мантия, в основном, состоит из расплавленной породы, называемой магмой, с твердым верхним слоем.
Хотя немногие из драгоценных камней первоначально образуются в мантии, но все самоцветы добываются в земной коре. Кора состоит из трех видов пород, известных в геологии как вулканические, метаморфические и осадочные. Эти технические термины относятся к способу формирования пород. Некоторые драгоценные камни особенно связаны с одним видом породы, а другие – с несколькими типами пород. Вулканический процесс включает в себя затвердевание магмы. Магма из мантии может подниматься к коре, обычно через вулканические трубки. Если она достигает поверхности земли, то застывает в виде лавы. Однако, если магматическая масса медленно охлаждается в коре, то она может кристаллизоваться и формировать минералы. Увеличение давления также может заставить эту пегматоидную жидкость проникать в окружающие породы, часто с осуществлением химического обмена с ними. Длинный список драгоценных камней, образующихся из вулканической породы, включает в себя группу хризобериллов, все кварцы (включая аметист, цитрин и аметрин), бериллы (изумруд, морганит и аквамарин), гранаты, лунный камень, апатит, алмаз, шпинель, танзанит, турмалин, топаз и циркон. Когда вулканическая порода достигает поверхности земли, силы эрозии и атмосферное воздействие вызывают дробление на более мелкие чаcтицы, которые накапливаются на поверхности или перемещаются ветром и водой. Со временем на земле или под водой образовываются слои таких осадков. Давление со стороны верхних слоев вызывает уплотнение в нижних слоях вместе с различными химическими и физическими изменениями, такими как окаменение, которое приводит к созданию осадочной породы. Испарение — это еще один процесс, производящий осадочные породы, как в случае, когда капанье насыщенные минералами вод образует сталактиты или сталагмиты. Драгоценные камни, связанные с осадочной породой, включают в себя яшму, малахит, опал и циркон. Присутствие интрузивной магмы в данной зоне (известное как контактный метаморфизм) или взаимодействия тектонических платформ большего масштаба (известное как региональный метаморфизм) подвергает вулканические и осадочные породы и минералы воздействию нагрева или давления, которые могут вызвать изменения их химической и кристаллической структур. Результатом является создание метаморфической породы. Драгоценные камни, связанные с метаморфической породой, включают в себя берилл, нефрит, лазурит, бирюзу, шпинель, рубин, сапфир и циркон. Породы и минералы находятся в постоянном процессе изменения, называемом геологическим круговоротом. Вулканическая порода может превратиться в осадочную или метаморфическую породу. Осадочная порода может превратиться в метаморфическую или вулканическую породу. А метаморфическая порода может стать вулканической или осадочной, но для этого вы должны набраться терпения. |
www.gemselect.com
К драгоценным камням относятся самоцветы, обладающие твердостью более 6 и способностью рассеивать свет. Для них характерна однородная окраска или отсутствие цвета, износостойкость, устойчивость к агрессивной среде и выгоранию. Они относятся к высококачественному сырью, большая их часть подвергается огранке.
Шкала твердости была придумана в 1811 году ученым из Германии Фридриха Моосом. В ее основу был положен принцип сравнения разных по твердости пород. Самый твердый камень – алмаз.
Другая группа камней носит название поделочных. К ним относятся кристаллы, в том числе и непрозрачные, и камни с включениями и рисунками. Из них делают резные изделия, украшения, используют для отделочных работ.
Существует несколько видов драгоценных камней, профессионалы разделяют их на 3 группы, в зависимости от ценности. Эта классификация была предложена В. Я. Киевленко.
По классификации М. Бауэра все самоцветы делятся на драгоценные, поделочные и органогенные камни, к которым относятся янтарь, жемчуг и коралл. К самым дорогим относятся натуральные камни, очень редкие в природе.
Минералы, представленные в первой группе, называют ювелирными (драгоценными) и делят на 4 категории.
1. Самый дорогой камень – алмаз, за ним идут сапфир (синий), рубин и изумруд.
2. Оранжевый, зеленый и фиолетовый сапфиры дешевле синих, жадеит, александрит, жемчуг, черный опал.
3. Демантоид, топаз, аквамарин, красный турмалин, самые ценные среди опалов огненные и белые.
4. Бирюза, турмалин, аметист, берилл, хризолит, берилл (розовый, желтый), хризопраз.
Ювелирные украшения могут сильно различаться по стоимости, поскольку на цену камня влияют сразу несколько критериев. Четыре основных – это чистота, цвет, вес и огранка.
После огранки цвет готовой вставки оценивается по тону, насыщенности и оттенку. У изумрудов и рубинов есть один основной цвет, но его оттенков может быть несколько вариантов. Турмалины и топазы могут быть разного цвета, каждый из которых имеет определенную ценность. Ручная работа мастера, занимающегося огранкой, позволяет самоцвету заиграть и искриться при хорошем освещении, выявляя природную красоту минерала. Стоимость редко встречающихся крупных самоцветов может возрастать в геометрической прогрессии по отношению к их массе.
Ко 2 группе относят цветные и ювелирно-поделочные камни. Состоит она из двух групп.
1. Малахит, янтарь, дымчатый кварц, нефрит, гематит, жадеит, горный хрусталь.
2. Непрозрачные полевые шпаты, гелиотроп, агат, розовый кварц, обыкновенный опал, цветной халцедон.
Эти камни хорошо полируются и применяются в виде вставки в ювелирные украшения и идут на сувениры, фигурки.
Третья группы состоит из поделочных камней. К ним относятся: флюорит, селенит, цветной мрамор, гранит, яшма, обсидиан, гагат, авантюриновый кварцит. Из них вырезают крупные изделия, высота которых может достигать несколько десятков сантиметров.
Цены на минералы могут изменяться при открытии новых месторождений или под влиянием моды. Отличить синтетический камень от натурального могут только специалисты, поскольку по физико-химическим свойствам они аналогичны природным самоцветам.
www.kakprosto.ru
Нельзя говорить о горных породах и минералах, слагающих эти породы, не сказав, хотя бы в общих чертах, о кристаллах.
Понятие «кристалл» у многих связывается с твердым и обязательно прозрачным веществом, имеющим своеобразную естественную огранку. Часто говорят: «кристально чист» или «прозрачен, как кристалл». Высокие моральные качества человека нередко характеризуют словами: «кристальной души человек».
На самом деле далеко не каждый кристалл чист и прозрачен, и, вместе с тем, не всякий прозрачный минерал является кристаллом.
Всем хорошо известны прекрасные прозрачные бесцветные кристаллы горного хрусталя, которые, видимо, и послужили материалом для создания приведенной выше образной метафоры. Однако встречается разновидность горного хрусталя смоляно-черного цвета морион. Существуют также кристаллы хрусталя, на вид как бы закопченные, именуемые дымчатым горным хрусталем.
Много есть и обратных примеров, когда чистый и прозрачный минерал не относится к кристаллическим веществам, таким, например, является янтарь или искусственное минеральное вещество — стекло.
Все минералы представляют собой природные химические соединения и подразделяются на две большие группы: кристаллы и некристаллы.
Что же такое кристалл и некристалл и чем они между собою различаются?
Прежде всего основной особенностью всех кристаллов является их естественная огранка. Подчас кристаллы обладают столь правильными гранями и такой красотой форм, что даже искусный ювелир может позавидовать их совершенству.
Каждый кристаллический минерал образует вполне определенные характерные для него кристаллы. Но при этом, в зависимости от условий образования кристалла, отдельные его грани иногда развиваются медленнее других, и от этого форма, присущая данному кристаллу, может искажаться.
Форма какого-либо кристалла не случайна, она в известной мере отображает его содержание, вернее, тот порядок расположения атомов, который присущ тому или иному минералу, обладающему определенным химическим составом.
Следовательно, кристаллическими веществами именуются твердые вещества, атомы, ионы или молекулы которых размещаются в определенном порядке, образуя пространственную кристаллическую решетку. Если кристаллические вещества образовались в естественных условиях на поверхности Земли или в ее недрах, они именуются кристаллическими минералами.
Порядок расположения атомов в кристалле является его существенной качественной характеристикой, от которой зависят физические свойства кристалла: твердость, теплопроводность, электропроводность, оптические свойства и т. д. У большинства кристаллических веществ эти свойства изменяются в зависимости от направлений, проходящих внутри кристалла. В этом легко можно убедиться. Возьмите пластинку кристалла гипса и покройте одну ее сторону тонким слоем воска или стеарина, затем прикоснитесь раскаленной иглой к этой стороне и вы увидите, что воск растает вокруг иглы, образуя пятно эллипсоидальной формы. Это значит, что по направлению длинной оси эллипса гипс лучше проводит тепло, чем в направлении короткой оси,
Для геолога, изучающего минералогический состав горных пород, оптические свойства кристаллов имеют особенно важное значение, так как горные породы, состоящие из мельчайших кристалликов, чаще всего исследуют под микроскопом, с помощью которого минералы распознаются именно по их оптическим свойствам. Большинство кристаллических минералов обладает отмеченной выше особенностью — разносвойственностъю, или анизотропией, которая хорошо проявляется в оптических свойствах. И лишь небольшая группа кристаллических минералов в оптическом отношении обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях кристалла; такие вещества называются равносвойственными, или изотропными, — например, каменная соль, алмаз, гранат и некоторые другие.
Минералы же некристаллические всегда изотропны, к числу их, например, относятся: вулканическое стекло, янтарь, опал и многие другие.
Для того чтобы яснее себе представить, почему большинство кристаллических веществ разносвойственно, а некристаллические вещества равносвойственны, проведем следующее сравнение.
Допустим, построена колонна солдат по четыре в ряд. Известно, что в строю ряд от ряда находится на расстоянии вытянутой руки, а в каждом ряду солдат от солдата отстоит лишь на ширину двух ладоней. Вы можете довольно легко и поэтому быстро пройти между рядами, т. е. в направлении, указанном стрелкой Б, но в поперечном направлении, обозначенном стрелкой А, пройти затруднительно; вам придется буквально протискиваться между бок о бок стоящими солдатами. Еще труднее пройти сквозь строй в диагональном направлении, которое на рисунке показано
стрелкой В. Боли же представить себе толпу людей, стоящих без какого-либо порядка, то понятно, что, проходя через нее, вы в любом направлении будете испытывать примерно одинаковое сопротивление своему движению.
Расположение атомов в кристаллическом веществе в известной мере напоминает порядок размещения людей в строю. Поэтому сопротивление, испытываемое лучом света, проходящим через кристаллическое вещество, различно в разных направлениях. Тот же луч встречает одинаковое сопротивление и проходит с одинаковой скоростью во всех направлениях через вещество некристаллическое, в котором молекулы и составляющие их атомы расположены в беспорядке.
Приведенное сравнение, разумеется, далеко не полно отражает внутреннее строение кристаллического вещества и его физические свойства, которые зависят от особенностей строения атомов и их связей в кристалле. Узнать об этом подробнее можно из специальных руководств, научно-популярных книг и брошюр по кристаллографии.
Разнообразие кристаллов проявляется во многом: в окраске, форме, размерах и других свойствах. Бывают кристаллы-гиганты, как, например, найденный на Украине кристалл кварца весом около 10 тонн или кристалл слюды длиною более двух метров. Большая же часть горных пород состоит из микроскопических кристаллических зерен, размеры которых часто так незначительны, что их удается рассмотреть лишь в электронный микроскоп, увеличивающий в сотни тысяч раз. Из таких мельчайших кристаллов сложены многие глины. Окраска и блеск многих кристаллов изумительны и ни с чем не сравнимы. Этими свойствами славятся драгоценные камни-самоцветы: красные рубины, зеленые изумруды, желтые турмалины и топазы, зеленый при дневном свете и красный при искусственном освещении александрит, алмаз, который бесцветен или слабо окрашен в голубоватые или желтоватые тона, но отличается исключительным блеском благодаря высокому преломлению в нем лучей света. Алмазу всегда придают искусственную огранку, чтобы усилить его блеск и «игру»; такой искусственно ограненный алмаз именуется бриллиантом. Твердость этого минерала самая высокая как среди минералов, так и среди искусственных сплавов. Это объясняется своеобразной кристаллической решеткой его кристалла, в которой атомы углерода располагаются особенно плотно. Любопытно, что ничем не отличающийся по составу от алмаза графит, также состоящий из углерода, но имеющий другую кристаллическую решетку, иное расположение атомов, обладает и совершенно другими свойствами. Это — черный непрозрачный, с металлическим блеском минерал, который относится к самым мягким минеральным веществам и поэтому применяется для производства карандашей.
Большинство кристаллов не только преломляет луч света, но и раздваивает его. Особенно сильно это свойство проявляется у прозрачного кальцита (который иначе называется исландским шпатом). Если, например, посмотреть сквозь кристалл прозрачного кальцита на какой-нибудь небольшой предмет, он будет иметь двойное изображение.
Кристаллические и некристаллические минералы обладают многими такими свойствами, или, как говорят, внешними признаками, по которым их можно распознать даже без применения каких-либо приборов. К ним относятся: твердость, цвет минерала и его порошка, блеск, спайность (способность раскалываться по определенным направлениям), растворимость, прозрачность, характер поверхности излома и реже вкус и запах.
Некоторые же отличающие минералы свойства определяются только с помощью специальных приспособлений, приборов или даже в лабораториях. Сюда относятся химический состав минералов, плавкость, реакции с другими химическими веществами, светопреломление, удельный вес и некоторые другие свойства.
Сказанное выше уже дает некоторое представление о кристаллических веществах. Остается лишь уточнить понятие о минерале, которое значительно шире, чем понятие о кристалле. Между тем многие несведущие в минералогии люди отождествляют их.
Минералом называется природное однородное образование определенного химического состава, находящееся в твердом, жидком или даже газообразном состоянии.
Следовательно, мир минералов несравненно богаче, чем мир кристаллов, так как он включает в себя не только все природные твердые вещества — кристаллы, но также и твердые некристаллы, жидкости и газы (в конечном итоге любую жидкость и газ при определенных условиях температуры и давления можно превратить в твердое вещество).
Минералы образуются в результате физических и химических процессов, протекающих в недрах Земли и на ее поверхности.
Науке известно около трех тысяч минералов, но большинство из них встречается очень редко. Лишь 300—350 минералов широко распространены и составляют почти все окружающие нас камни или горные породы.
Мир насекомых и растений значительно разнообразнее мира минералов. Однако насекомые и растения имеют распространение только на поверхности земли и в водных бассейнах, и лишь на небольшую глубину живые организмы проникают в земные недра.
Минеральный же мир вездесущ. Всюду минералы. Весь земной шар от его тяжелого железоникелевого ядра и до каменной земной коры сплошь состоит из минералов. Вода рек, озер, морей и океанов тоже минерал (только жидкий) с растворенными в ней солями, также минералами. Газообразная атмосфера, окружающая Землю, — минерал. В организме животных и растений много минеральных и в том числе кристаллических веществ.
Словом, всюду минералы: мы ходим по минералам, дышим минералами, употребляем в пищу многие из них, приготовляем пищу в минеральной посуде, строим жилища из минералов, большая часть топлива — минералы, почти вся наша промышленность (особенно тяжелая) добывает и перерабатывает минералы. Без минералов немыслима жизнь человека. Более того, само органическое вещество, первая клетка возникла из минеральных веществ, ибо первичным веществом нашей планеты были минералы.
Много великих и выдающихся людей нашей Родины изучали минералы и горные породы, из них состоящие, их строение, состав, образование и историю. Имена этих ученых известны всему миру: от основоположника отечественной минералогии и геологии великого Ломоносова до выдающихся минералогов советской эпохи — Вернадского и Ферсмана, положивших начало новой геологической науке — геохимии.
Пожалуй, никто так не любил камень, как его глубокий знаток академик Александр Евгеньевич Ферсман. Он был не только известным минералогом и геохимиком, вдохновителем многих открытий новых минеральных богатств нашей страны, но также и инициатором новых отраслей минеральной индустрии. Об А. Е. Ферсмане творили его ученики, что он хотел проникнуть в «душу минералов». Во всяком случае, он понимал их «язык» и мог познавать их. Не случайно А. Е. Ферсман взял эпиграфом к одной из увлекательнейших своих книг слова: «…И камни говорят».
Многое связано у А. Е. Ферсмана с Крымом. Здесь он провел свои детские годы, приезжая с родителями на лето в деревню Тотайкой, которая теперь носит имя ученого и называется Ферсмаетово. Это село расположено в восьми километрах от Симферополя по Алуштинскому шоссе, в вершине Симферопольского водохранилища.
Еще шестилетним мальчиком Ферсман начал собирать красивые камешки по берегам Салгира и в каменоломнях, заинтересовался их происхождением и полюбил камни на всю жизнь.
Позднее, уже будучи крупным ученым, А. Е. Ферсман также посещал Крым и написал немало увлекательных страниц о минералах Крыма.
Мы сказали очень немного о природе кристаллического и некристаллического минерального вещества. Мы приоткрыли лишь маленькую щелочку в занавесе, скрывающем богатую и увлекательную область знания — кристаллографию и минералогию. Открыть шире занавес или даже полностью поднять его — задача тех, кто хочет глубже изучить геологические науки.
Мир минералов богат. Каждый минерал имеет свою историю, даже несколько историй: историю открытия, историю промышленного освоения и, наконец, свою собственную историю — возникновения, развития, изменения.
www.activestudy.info
Самый твердый и самый редкий из природных минералов — алмаз. За всю историю человечества его добыто всего около 150 т, хотя в мировой алмазодобывающей промышленности сейчас работает почти миллион человек. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности. Роль алмазов в современной технике так велика, что, по подсчетам американских экономистов, прекращение применения алмазов привело бы к уменьшению мощности промышленности США вдвое.
Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов "сверхтвердых сплавов". Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25 000 000 оборотов.
Несколько уступая алмазу по твердости, соревнуется с ним но разнообразию технических применении рубин — благородный корунд, окись алюминия Al2O3 с красящей примесью окиси хрома. Мировое производство искусственных рубинов превышает 100 г. в год. Из 1 кг синтетического рубина удается изготовить около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни на фабриках по изготовлению тканей из химического волокна. На изготовление 1 м ткани из искусственного волокна требуется израсходовать сотни тысяч метров волокна. Нитеводители из самого твердого стекла изнашиваются за несколько дней при протяжке через них искусственного волокна, агатовые способны работать до двух месяцев, рубиновые нитеводители оказываются практически вечными.
Новая область для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылась с изобретением рубинового лазера — прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемою в виде тонкого светового луча.
Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия или кремния.
Как получаются драгоценные камни в природе
и как получают их искусственно
В начале было уже сказано о том, какие природные геологические процессы существуют. Большинство драгоценных камней образуется в результате процессов, требующих высоких температур и давлений.
Для того чтобы минерал образовал хороший кристалл, ему необходимы условия для роста, т. е. свободное пространство. Обычно горные породы являются очень плотными, и минералы, которые в них образуются, имеют неправильные формы. Прозрачные и почти идеальные по форме кристаллы самоцветов образуются в полостях трещин и других пустотах. В камерах и занорышах пeгмaтитoв растут кристаллы топазов, изумрудов, турмалинов, в полостях кварцевых жил — кристаллы аметиста, горного хрусталя и т. д. При экзогенных процессах, когда происходит разрушение и выветривание пород, драгоценные камни, как более устойчивые, охраняются и накапливаются в коре выветривания и россыпях. Тем самым они становятся более доступными для добычи, потому что гораздо легче доставать минералы из рыхлых пород, чем из твердых.
При искусственном выращивании кристаллов в аппаратах создаются те же физико-химические условия, которые характерны для природных процессов. Даже некоторые термины, которые издавна используются геологами и минералогами, нашли применение в техническом языке, например термин «гидротермальные условия».
Монокристаллы ряда элементов и многих химических веществ обладают замечательными механическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Так, например, алмаз тверже любого другого минерала, встречающегося на Земле. Кристаллы кварца и слюды обладают рядом электрических свойств, обеспечивающих им широкое применение в технике. Кристаллы флюорита, турмалина, исландского шпата, рубина и многие другие находят применение при изготовлении оптических приборов.
К сожалению, в природе монокристаллы большинства веществ без трещин, загрязнений и других дефектов встречаются редко. Это привело к тому, что многие кристаллы на протяжении тысячелетий люди называют драгоценными камнями. Алмаз, рубин, сапфир, аметист и другие драгоценные камни долгое время ценились людьми очень высоко в основном не за особые механические или другие физические свойства, а лишь из-за своей редкости. Развитие науки и техники привело к тому, что многие драгоценные камни или просто редко встречающиеся в природе кристаллы стали очень нужными для изготовления деталей приборов. Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и поисков новых природных месторождений оказалось невозможно.
Кроме того, для многих отраслей техники и особенно для выполнения научных исследований все чаще требуются монокристаллы очень высокой химической чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в условиях, весьма далеких от идеальных.
Таким образом, возникла задача разработки технологии искусственного изготовления монокристаллов.
Первые попытки искусственно получить замечательные минералы человек предпринимал с давних пор. Еще в средние века алхимики с помощью философского камня пытались превратить простые вещества в драгоценные камни. Но все это были попытки с негодными средствами, потому что алхимики совершенно не представляли законов строения вещества. Успех пришел лишь тогда, когда был в достаточной мере познан процесс минералообразования. В настоящее время существует целый ряд способов выращивания кристаллов. Исходное вещество может быть твердым, растворенным или расплавленным, даже может находиться в газообразном состоянии. Из более чем 3000 минералов, существующих в природе, искусственно удалось получить уже несколько сот. Трудности синтеза связаны с необходимостью очень точного соблюдения режима выращивания кристаллов.
Но даже искусственно выращенные кристаллы часто имеют дефекты. Сейчас производятся опыты по выращиванию кристаллов в космосе в условиях невесомости. Первые опыты, проведенные на палубе космического корабля «Салют», показали, что это направление является весьма перспективным.
Из всех замечательных минералов наиболее высокие температуры и давления необходимы для образования алмазов. В природе их находят в так называемых кимбёрлитовых трубках, которые образуются в результате взрыва газов на глубинах свыше 50 км. Кимберлит представляет собой ультраосновную породу, получившую название по руднику Кимберли в Южной Африке. Температура на этих глубинах составляет 1000—1100°С, а давление превышает несколько десятков атмосфер. Но и таких высоких давлений оказывается недостаточно. Как показывает синтез искусственных алмазов, для их образования необходимы поистине чудовищные давления в десятки тысяч атмосфер. Только в таких условиях углерод, хорошо известный нам по графиту, из которого делают карандаши, может перейти в гексагональную модификацию и дать вместо черной массы прозрачные кристаллы. Как же достигаются такие сверхвысокие давления в глубинах Земли? Предполагают, например, что это осуществляется за счет механизма кавитации локального повышения давления в результате взрыва газовых пузырьков. Полуразрушенный материал кимберлитов при взрыве с большой силой устремляется к поверхности Земли по тектоническим трещинам. Вместе с алмазами в кимберлитах находят скопления ювелирного граната — пиропа фиолетово-красного и оранжево-красного цвета, а также хризолита. Однако хризолит ювелирного качества, как менее устойчивый минерал, сохраняется лишь в свежих невыветренных породах.
www.newreferat.com
