книги из ГПНТБ / Шафрановский И.И. Очерки по минералогической кристаллографии

В педагогической практике кристаллография длительное время преподносилась в качестве раздела минералогии, а последняя почти до конца XVIII в. сливалась с геологией и даже горным делом (включая и металлургию). Впервые А. Г. Вернер (1749—1817) под­ разделил всю совокупность разнородных научных дисциплин на «геогнозию» (описательную геологию и петрографию), «ориктогнозиго» (описательную минералогию) и собственно горные науки. Кристаллография под именем «ориктометрии» составляла небольшой раздел минералогии. Будучи воспитателем горных инженеров, А. Г. Вернер интересовался кристаллами лишь постольку, по­ скольку их характерная форма помогала распознавать минералы. Его огромный авторитет наложил отпечаток на дальнейшую практику преподавания геолого-минералогических наук. В течение всего XIX в. кристаллография неизменно связывалась с курсами мине­ ралогии п даже пменовалась «предуготовптельной частью мине­ ралогии».

Мы остановились достаточно подробно на первоначальных этапах развития кристаллографии с тем, чтобы показать, как тесно она была связана с минералогией и какими прочными корнями в прош­ лом обладала собственно минералогическая кристаллография. По сравнению с ней фпзпка и.химия кристаллов долгое время не при­ влекали внимания и начали развиваться гораздо позже. В начале XIX в. попытку сочетать кристаллографию минералов с физикой и химией кристаллов сделал в своих замечательных курсах один из крупнейших зачинателей структурной кристаллографии Р. Ж. Гаюи (1743-1822).

Однако и он опирался в основном на минералогический материал. Вспомним, что наблюдения над спайностью кальцита натолкнули ученого на создание теории строения кристаллов из полиэдрических молекул и закона рациональности отношений параметров.

Основательное знакомство с кристаллами минералов сыграию значительную роль в открытии Э. Митчерлихом явлений изомор­ физма (минералы группы кальцита) и полиморфизма (полиморфные' разновидности углерода, серы, углекислого кальция). Со времени этих открытий химическая минералогия и кристаллография всту­ пают в теснейший союз.

На протяжении всего XIX в. мы видим дальнейшее развитие уже прочно сложившихся традиций. В своих трудах минералоги и кри­ сталлографы того времени говорят прежде всего о минералогической кристаллографии. Здесь достаточно напомнить, что многие выда­ ющиеся кристаллографы прошлого века были по специальности горными инженерами-геологами. X. С. Вейс, Ф. Моос и К. Ф. Науман окончили Фрейбергскуго горную академию. У нас Н. И. Кок­ шаров и П. В. Еремеев были питомцами Петербургского горнота института. Тот же институт позднее закончил и Е. С. Федоров *.

* Эта традиция продолжается и в наше время: выдающиеся советские кристал­ лографы — А. К. Болдырев (1883—1946), В. В. Доливо-Добровольский (1904— 1936), В. И. Михеев (1912—1956) — были по образованию горными инженерами.

20

Естественно, что в своих кристаллографических трудах они опира­ лись прежде всего на минералогический материал. Знаменитые- «Материалы для минералогии России» Н. И. Кокшарова предста­ вляют собой богатейшую сводку данных по минералогической кри­ сталлографии. Именно на этом материале были установлены важней­ шие законы и обобщения классической кристаллографии. Необхо­

кварца, полевых шпатов и других минералов в установлении законов двойнпкования. Даже гениальный теоретик Е. С. Федоров, заложив­ ший основы современной структурной кристаллографии, всю свою жизнь не порывал связей с геолого-минералогической практикой. Любопытно отметить, что в ранние годы он называл науку о кри­ сталлах «геометрической минералогией». Свои широко обобщающиетеоретические выводы Е. С. Федоров проверял прежде всего на: минералогическом материале [127, 129].

Федоровский универсальный метод широко применяется при изучении полевых шпатов и других породообразующих минералов. Уже после смерти ученого, в 1920 г., вышли в свет его монументаль­ ные таблицы «Царство кристаллов» [200], дающие возможностьпо гониометрическим измерениям определить вещество кристалловвообще и минералов в частности (свой метод Е. С. Федоров демон­ стрировал на кристаллах минералов из коллекции Горного музея). В преподавательской деятельности Е. С. Федоров сочетал теорию-

В.И. Вернадским, «кристаллография была отделена от минералогии

ирассматривалась как часть физики — учение о твердом состоянии

вещества» [27]. Тех же взглядов придерживался и Г. В. Вульф (1863—1925). Открытие М. Лауэ в 1912 г. дифракции рентгеновских лучей в кристаллах, первые расшифровки У. Г. и У. Л. Брэггами кристаллических структур, зарождение современной структурной кристаллографии и кристаллохимии — все это стимулировало окон­ чательный переход кристаллографии в область физико-химических дисциплин. Временно минералогическая кристаллография отошла на второй план, уступив место физике и химии твердого тела. Однако она продолжала постепенно развиваться (хотя и занимала явноподчиненное положение) и в дальнейшем пережила новый этап расцвета.

В настоящее время труды академика Н. В. Белова и его школы по структурной минералогии, работы академика А. В. Шубникова

21

ируководимого им коллектива по кристаллографии кварца, успехи

вобласти синтеза минералов, создание обновленной кристалломорфологни — все эти достижения заставляют по-новому взглянуть на ■минералогическую кристаллографию. Кроме того, сейчас обнару­ живаются совсем новые точки соприкосновения геолого-минералоги­ ческих проблем с теоретической кристаллографией. Классическая теория симметрии, разрабатываемая преимущественно кристалло­ графами, требует дальнейшего развития и расширения. Именно такое развитие мы находим в теории антисимметрии А. В. Шубникова

(равенство положительных и отрицательных фигур), в его же учении ■о симметрии подобия (закономерная повторяемость подобных, но

кина, гомологии В. И. Михеева. Все эти новые достижения, безгра­ нично раздвинувшие рамки классической симметрии, позволяют но-новому подходить к природным объектам вообще и геолого-мине­ ралогическим образованиям в частности.

Новейшее развитие учения о симметрии и его широкое исполь­ зование в естествознании служат яркими примерами общей тенден­ ции современной науки к синтезу разнородных научных дисциплин. В духе этого синтеза выступает и обновляющееся на наших глазах •содружество кристаллографии с геолого-минералогическим циклом наук, имеющее глубокие и прочные корни в прошлом и обещающее плодотворные результаты в будущем.

До сих пор говорилось в основном об исторических связях кри­ сталлографии с минералогией. Среди представителей точных наук, к сожалению, широко распространено несколько пренебрежительное отношение к истории науки и ее данным. По их мнению, эти данные всецело относятся к уже пройденным этапам и представляют сейчас лишь чисто исторический интерес. Поэтому уместно привести не­ сколько характерных примеров из прошлого, показывающих, что часто важные открытия долгое время оставались незамеченными и находили подтверждение и признание лишь в самое последнее время. Напомним, что только недавно в связи с развитием структур­ ной кристаллографии было обращено внимание на геометрию шаро­ вых упаковок и первую попытку вывода параллеоэдров в трактате И. Кеплера. То же касается кристаллографических обобщений М. В. Ломоносова, открытых в 1940 г. Г. Г. Леммлейном, т. е. через двести лет (в 1911 г. Б. Н. Меншуткин еще считал, что в ломоносов­ ской диссертации о селитре «нет ничего интересного» [85]).

Неоднократно в качестве примера блестящего научного пред­ видения приводилась модель структуры флюорита по Р. Ж. Гаюи, построенная из спайных осколков двух родов — октаэдрических и тетраэдрических (хотя сам автор модели и не понимал сущности своего открытия). Эта модель правильно отобразила пространствен­ ное расположение элементарных частиц — атомов кальция и фтора — за сто тридцать лет до расшифровки структуры CaF», с помощью іюнтгеноанализа (рис. 2).

22

Рис. 2. Модель структуры флюорита. По Р. Ж . Гаюи.

Остановимся далее на нескольких характерных примерах, име­ ющих прямое отношение к минералогической кристаллографии. Один из пунктов трактата Н. Стенона касается нарастания слоев на гранях кварца: «Это новое вещество кристалла присоединяется не ко всем плоскостям (граням. — И. Ш.), но по большей части, например, только к одним плоскостям вершины или к конечным плоскостям» [120]. Н. Стеной утверждает здесь, что слои нового вещества откладываются в основном на ромбоэдрических («конеч­ ных») гранях. При этом призматические грани кварца не имеют своих самостоятельных слоев, а «составляются из оснований конеч­ ных плоскостей», т. е. образуются в результате суммирования не­ завершенных, обрывающихся ромбоэдрических слоев (уже в наше время Г. Г. Леммлейн назвал их «гранями торможения»). Под­ тверждение этого обстоятельства Н. Стеной видел и в том, что «про­ межуточные плоскости (призматические грани. — И. Ш.) всегда снабжены штрихами» (здесь речь идет об известной горизонтальной, штриховке на призматических гранях кварца).

Сказанное наглядно иллюстрируется замечательными зарисов­ ками, изображающими кристаллы кварца с зональным строением вдоль' ромбоэдрических граней (рис. 3). Ценность этих старинных. зарисовок станет ясной, если мы сравним их с новейшими фотогра­ фиями (тонограммами), полученными методом рентгеновской ди­ фракционной топографии и четко выявляющими особенности вну­

наглядно демонстрируют тот факт, что рост кристалла кварца проис­ ходит преимущественно за счет нарастания слоев по ромбоэдрическим плоскостям, тогда как призма почти не имеет собственных слоев.

23

Рис. 3. Рисунки II. Стенопа, изображающие нарастание слоев по «пирамидаль­ ным» («ромбоэдрическим») плоскостям кварца.

Следы слоев роста! а — в «плоскости оси» (La), б — в «плоскости осповашія» (ш ш акоида).

Spue. 4. Топограммы срезов кристаллов кварца: а — но (1120); б — по (0001). По К . Ф. Каш курову, В. Т. Ушакопскому и др.

24

Рис. 5. Ч асть схемы, изображаю щ ей переходы и видоизменения кристаллических обликов. Но А. Г. Вернеру.

роста. Зоркий глаз натуралиста видел триста лет назад те самые детали, которые сейчас обнаруживаются с помощью тончайших рентгенометрических методов. Интересно отметить, что известный, историк кристаллографии К. Милейтнер совсем еще недавно считал это положение Н. Стенона ошибочным [219].

В качестве второго примера приведем схему, изображающуюпереходы и видоизменения кристаллических обликов по А. Г. Вер­ неру [214]. Здесь наряду с действительными переходами одних форм- в другие (например, куба в октаэдр) изображены и кажущиеся пере­ ходы к формам других систем, т. е. сингоний (например, куба в тетра­ гональные и ромбические комбинации). В погоне за универсаль­ ностью, желая включить в свою схему в виде звеньев единой цепочки все кристаллографические образования, А. Г. Вернер объединял вместе правильно образованные и искаженные формы, не отделяя, вторые от чужеродных форм других систем. Это построение любо­ пытно тем, что содержит в себе одновременно зародыши Двух идей: вывода правильно образованных (идеальных) кристаллографических форм и вместе с тем вывода искаженных (вынужденных, ложных)- форм (см. гл. VI).

Таким образом, старая схема содержит элементы современногоучения о реальных формах кристаллов. Схема имеет несомненнуюценность и в другом отношении: отдельные ее циклы (звенья) даютнаглядное понятие о реальных переходах и видоизменениях кри­ сталлов в природе. В этом плане интересно обратить внимание на звено схемы, изображенное на рис. 5. Здесь показаны переходы! типичных форм и комбинаций на кристаллах пирита (постепенныепереходы куба в октаэдр и пентагон-додекаэдр, октаэдра в тот же

25

_J>uc. 6. Последовательность комбшіацн Гі в кристаллах пирита по II. Сунагава.

•Рис. 7. Черно-белые полиэдры, иллюстрирующие переходы полногранных форм в псиолпогранные разновидности. По И . И. Кок­ ш арову.

26

куб и «минеральный икосаэдр» * и т. д.). Поучительно сравнить этозвено с круговой последовательностью комбинаций пирита по дан­ ным современных минералогов (рис. 6) [221]. Нельзя не признатьочень близкого сходства (вплоть до совпадения деталей) обеих схем,, хотя их и разделяют полтора столетия [44].

от полногранных кристаллографических форм к их неполнограниым производным. Эти переходы иллюстрировались с помощью окраски граней в белый и черный цвета. Превосходные рисунки такого рода (рис. 7) приведены в «Лекциях минералогии» Н. И. Кокшарова [60]- Впоследствии двухцветное моделирование кристаллографических многогранников, в связи с резкой критикой Е. С. Федоровым самих понятий «голоэдрия», «гемиэдрия» и т. п. [132], было основательнозабыто и не находило практического применения.

В настоящее время аналогичные изображения снова широко применяются для показа обобщенных (суммарных) форм сдвойнпкованных кристаллов (грани обоих индивидов окрашиваются в разные цвета [174]). Роль двойников в минералогической кристаллографии хорошо известна, а отсюда ясно и значение таких изображенийКроме того, аналогичные двухцветные фигуры используются для моделирования законов шубниковской антисимметрии и т. и. [185]. Заметим, что при изображении наиболее характерных «черно-белых»- форм зачастую можно ограничиться простым снятием копий со стра­ ниц кокшаровских лекций. Мало того, по предложению В. А. Мокиевского [92], этот прием раскраски граней широко применяется при создании многокрасочных моделей искаженных кристаллических конфигураций с ложными простыми формами (этот вопрос будет подробно разобран в гл. VI, VIII).

Следующий пример дает понятие о поразительной интуиции Ф. Мооса (1773—1839), позволившей ему в 1812 г. с исключительной целесообразностью выбрать минералогические эталоны для знамени­ той десятибалльной шкалы твердости, до сих пор широко применя­ емой в учебной практике. Об этом свидетельствует следующее выска­ зывание Н. П. Юшкина: «Любой метод испытания (твердости) раскрывает закономерное увеличение твердости минералов с увели­ чением их номера по Ф. Moocjr, подтверждая правильность выбора им экспериментальной шкалы. Более того, если мы усредним числа, твердости, полученные всеми методами, и построим единую зависи­ мость, она окажется почти логарифмической, по крайней мере для интервала номеров от 2 до 10. Остается только удивляться, как. удалось Ф. Моосу, не прибегая к обширным экспериментальным работам и аналитическим расчетам, почти интуитивно подобрать, минералы в строгой закономерности. Может быть, действительно: прав Д. Табор, предложивший, что ощущения Ф. Мооса при подборе-

* «Минеральный икосаэдр» — комбинация иеитагоп-додекаэдра и октаэдра-

27

минералов эталонной шкалы были невольно подчинены психофизи­ ческому закону Вебера, который, как известно, устанавливает

.добавление величины раздражителя, вызывающего минимальный прирост ощущений, как постоянную долю от самой величины раздражителя» [1961.

Ограничимся приведенными примерами, хотя их число можно было бы существенно увеличить. Все они говорят о том, что в старых литературных источниках по минералогии и кристаллографии таится немало данных, недостаточно оцененных или вовсе пропущенных современнпками и представляющих большой интерес с точки зрения науки. Нет сомнения, что старая литература содержит и такие дан­ ные, которые мы пока не можем оценить в достаточной мере и которые займут должное место в ближайшем будущем. Помимо восстановле­ ния путей развития науки и выявления его общефилософских законов историки наук должны информировать специалистов о недооценен­ ных и непонятых деталях старых работ, чтобы дать возможность использовать их в дальнейшем.

С этой точки зрения необходимо подчеркнуть огромную ценность капитальных сводок, суммирующих материалы по всему, что было сделано в данной научной области. Сюда прежде всего относятся известные сводки крупнейшего немецкого кристаллографа П. Грота (1843—1927): его «Физическая кристаллография» и пятитомная «Химическая кристаллография» [47, 204, 205]. П. Грот основал международный «Кристаллографический журнал», где печатались многочисленные исследования в области минералогической кри­ сталлографии.

Не меньшую роль играют сводки по кристаллографическим углам и кристаллическим формам минералов В. Гольдшмидта (1853— 1933) [201, 202]. Особого упоминания заслуяшвает его девятитомный «Атлас кристаллических форм», в котором собраны все когда-либо публиковавшиеся изображения кристаллов минералов [203]. Сам составитель этого громадного труда справедливо рассматривал его как «орудие для развития нашей великой науки — кристалло­ графии» [139].

Широким признанием пользуется и «Определитель кристаллов» А. К. Болдырева и др. [171]. Помимо полной сводки определяющих углов (полярных расстояний) здесь содержатся краткие описания и критически отобранные изображения кристаллов, выделенные в специальный раздел. К сожалению, вышедшие в свет два тома «Определителя» ограничиваются кристаллами тетрагональной, тригональной и гексагональной сингоний.

Богатый материал по кристаллографии минералов находится в издающемся многотомном академическом справочнике «Мине­ ралы» [191].

Хорошо известна роль гониометрических, кристаллооптиче­ ских, а позднее и рентгенометрических определителей и справочни­ ков в точном установлении второстепенных и редких минералов ^различных месторождений [3].

28

Польза, которую может извлечь минералог-кристаллограф из специальной литературы, не вызывает сомнений. Само собой разу­ меется, что к данным исследователей прошлого, нередко получен­ ных на устаревших приборах, а иногда и путем интупции, следует подходить с большой осторожностью, критически.

Прежде всего нас не удовлетворяет статичность прежних описа­ ний и выводов. С помощью новейшей экспериментальной техники и усовершенствованной аппаратуры мы должны вдохнуть жизнь в имеющиеся схемы и закономерности, придать им динамику расту­ щего и развивающегося реального кристалла.

Очень важно учесть и следующее замечание общего порядка. В предыдущей главе уже упоминалось о двойственной природе кри­ сталлических форм. Формы кристаллов обусловлены, с одной сто­ роны, внутренним их строением, а с другой — внешней кристаллообразующей (минералообразующей) средой. Долгое время ■обращалось внимание только на первую сторону вопроса. Клас­ сики-кристаллографы либо устанавливали законы внешней морфо-

.логии, либо пытались выявить связь кристаллической формы с вну­ тренней структурой. Роль минералообразующей среды — один из важнейших моментов современной минералогической кристаллогра­ фии, — за редкими исключениями, оставалась вне сферы исследова­ ния. В последнее время обращается особое внимание на изучение внешних и внутренних дефектов кристаллов, связанных с воздей­ ствием минералообразующей среды. При таких исследованиях необ­ ходимо учитывать результаты взаимодействия двух симметрий, а именно симметрии внешней образующей среды и собственной (внутренней) симметрии образующегося в ней тела (кристалла). Эти результаты, как будет показано дальше, подчиняются универ­ сальному принципу симметрии Кюри, занимающему видное место в современной минералогической кристаллографии.

Только такие проведенные на достаточно высоком научном уровне исследования помогают расшифровывать или уточнять генетические моменты в истории формирования окристаллизованных минералов

и их месторождений. Умелое использование прежних достижений

всочетании со всесторонним развитием новых динамических и симметрийных подходов, учитывающих воздействие как внутренней

структуры, так и внешней среды, характеризуют сущность сегодняш­ ней минералогической кристаллографии.

Г л а в а III

СТАТИСТИКА ЗАКОНОВ СИММЕТРИИ В МИРЕ МИНЕРАЛОВ

Одной из важнейших проблем минералогической кристаллогра­ фии является статистическое распределение минералов по катего­ риям сингоний, кристаллографическим системам (самим сингониям), видам симметрии и федоровским пространственным группам.

29