Формы огранки кристаллов
Цель модуля: Познакомить студентов с формами огранки кристаллов различных категорий сингоний и систематикой кристаллических индивидов по внешним признакам, показать связь габитуса и симметрии кристаллической структуры, дать понятие о вариантах возможных механизмов возникновения природных ограненных многогранников.
Как уже указывалось в самом начале курса, в отличие от аморфных тел кристаллы способны самоограняться, т.е. покрываться плоскими поверхностями – гранями, благодаря чему кристаллы и приобретают свой внешний облик – габитус. При детальном рассмотрении выясняется, что в огранке кристаллов имеются свои закономерности, поддающиеся особой классификации. Обычно у кристаллов одного вещества постоянным является число граней, их форма, а главное их пространственное положение относительно элементов симметрии. Что касается формы (типа) граней, то возможны два крайних случая: все грани разные или все грани одинаковые. Обычно же в огранке кристалла участвуют несколько разновидностей граней. Однотипные грани, связанные элементами симметрии, независимо от их числа - составляют одну простую форму. Если все грани, участвующие в огранке кристалла однотипны, то это одна простая форма (например, куб, октаэдр, дипирамида). Если в огранке одного кристалла сочетается несколько типов граней, то это комбинация простых форм. Следовательно – сколько типов граней участвует в огранке кристалла – столько в ней присутствует простых форм. Отсюда, в приведенных выше примерах экстремальных ситуаций – если все грани разные, то каждая из них представляет простую форму, а все вместе они составляют комбинацию простых форм. Если все грани одинаковые, то это означает, что в огранке кристалла участвует только одна простая форма.
Число граней, принадлежащих одной простой форме варьирует от одной до сорока восьми. Число простых форм, входящих в комбинацию не ограничено. У некоторых минералов (например, у кальцита) они исчисляются десятками. Поскольку кристалл является объемной фигурой, то минимальное количество граней, которое способно его огранить равно четырем. Общее число граней, с учетом всех комбинаций, не ограничено. В одной комбинации могут принимать участие несколько однотипных, но отличающихся по форме граней или их положению относительно элементов симметрии, простых форм.
Каждая простая форма имеет свое название. Всего существует 47 видов простых форм, однако их участие в огранке того или иного кристалла ограничено его принадлежностью к определенной категории симметрии или даже сингонии, что лишний раз подчеркивает взаимосвязь симметрии кристаллической решетки вещества и возможным габитусом его кристаллов.
Так, в низшей категории симметрии в огранке кристаллов могут принимать участие только 7 видов простых форм. Это объясняется тем, что в кристаллах низшей категории симметрии имеется не менее трех единичных направлений, и простые формы, участвующие в их огранке должны этому соответствовать или, во всяком случае, не препятствовать.
Из общего числа 47 видов простых форм такому требованию отвечают только 7.
По той же причине в огранке кристаллов средней категории симметрии (одно единичное направление) участвуют 25 простых форм, а в кристаллах высшей категории симметрии (единичные направления отсутствуют) – 15. Для кристаллов средней категории симметрии исключение составляют две формы из числа принадлежащих низшей категории – моноэдр и пинакоид, наличие которых в положении перпендикулярном главной оси симметрии кристалла не препятствуют наличию в нем только одного единичного направления. Для кристаллов высшей категории симметрии никаких исключений нет. В их огранке могут принимать участие только 15 форм, ни одна из которых не встречается в кристаллах других категориях симметрии.
Комбинации простых форм тоже, как правило, выстраиваются в пределах своей категории симметрии.
Так, формы низшей категории симметрии комбинируются только между собой. В пределах средней категории симметрии формы тригональной и гексагональной сингоний могут образовывать совместные комбинации, в то время как формы тетрагональной сингонии могут комбинироваться только внутри своей сингонии. Формы кубической сингонии комбинируются только между собой.
Многообразие типов граней в огранке одного кристалла может создаваться не только за счет участия в комбинации разных простых форм, но и за счет присутствия нескольких форм одной номинации (например, две призмы, повернутые относительно друг друга, нескольких пинакоидов или диэдров и т.д.).
Габитус – вид ограненного кристалла определяется по наиболее развитой в его огранке форме (например, кубический габитус, при явном превосходстве граней куба, хотя вместе с ним в огранке могут одновременно принимать участие и другие, менее заметные формы).
В зависимости от условий кристаллизации габитус кристаллов одного состава и одной структуры может варьировать в пределах, разрешенных своей сингонией (категорией симметрии). Так в огранке кристаллов пирита могут преобладать грани куба или октаэдра, или пентагондодекаэдра, чем и определится габитус кристалла, хотя в целом структура минерала остается неизменной. Такие вариации огранки могут быть обусловлены флуктуациями температурного режима кристаллизации, наличием примесей, изменчивостью химизма и других параметров среды. Характерным примером являются кристаллы кальцита, для которых установлены целые ряды вариаций габитуса кристаллов в зависимости от пересыщения минералообразующих растворов (призматический, ромбоэдрический скаленоэдрический и т.д.).
Термин габитус, обозначающий общий вид ограненного кристалла применим лишь в отношении полногранных кристаллических индивидов, у которых симметрия кристаллической структуры преобладает над симметрией среды. Значительно чаще среди природных кристаллических образований встречаются искаженные далекие от идеальных форм кристаллы или лишенные огранки зерна. В таких случаях термин «габитус» не применяется и вместо него используется близкий по сути, но отличный по содержанию термин «облик». В этом термине мало конкретного и больше описательного, передающего впечатление о внешнем виде такого кристалла. Чаще всего облик характеризует форму кристаллического индивида. В принципе, общий вид любого «неправильного» кристалла сводится к трем основным разновидностям: изометричный, т.е. развитый более или менее одинаково в трех измерениях; удлиненный (шестоватый, игольчатый), т.е. преимущественно развитый в одном направлении и уплощенный (пластинчатый, чешуйчатый, листоватый), т.е. имеющий преимущественное развитие в двух измерениях. В любом из перечисленных вариантов форма кристалла определяется доминирующим влиянием симметрии среды над симметрией кристаллической структуры вещества.
Рис. 3 Простые формы низшей категории сингоний
Рис. 4 Простые формы средней категории сингоний
Рис. 5 Простые формы кубической сингонии
Иногда при описании минералов требуется дополнительная характеристика степени отклонения формы реального кристалла от идеальной. В таком случае используется еще одно понятие степень идиоморфизма. Идиоморфными называют кристаллы, форма которых близка к идеально-теоретической. С этой точки зрения и оценивается степень идиоморфизма конкретных кристаллов. Если кристалл далек по своей огранке от идеальной формы, то о нем говорят, что он ксеноморфный (от греч. xenos – чужой, morphĕ -форма), т.е. его форма чужая для его природы.
Правильные идиоморфные кристаллы, обладающие характерным габитусом, формируются в особо-благоприятных условиях. Прежде всего, для этого необходимо оптимальное сочетание физико-химических параметров (ТРХ).
Во-вторых, такие условия должны быть стабильными и существовать достаточно времени, необходимого для роста кристалла. Эти условия индивидуальны для каждого кристаллического вещества, а отклонение от нормы какого-либо из параметров непременно скажется на габитусе (облике) кристаллических индивидов и даже может привести к возникновению скелетных форм.
В третьих, для образования идиоморфного кристалла в большинстве случаев обязательным условием является наличие свободного пространства, где отсутствуют какие-либо препятствия для роста. В природе такими камерами-кристаллизаторами могут быть остаточные полости или трещины в породе, либо, например, открытые водоемы, где осуществляется садка солей.
В поликристаллических мономинеральных агрегатах редко удается увидеть идиоморфные кристаллы, поскольку при совместном росте каждый кристалл борется за пространство, мешая огранке соседей. Так возникают различные зернистые агрегаты, где о форме отдельных кристаллитов можно говорить, только употребляя термин «облик».
Иное дело полиминеральные агрегаты. Даже при совместном одновременном росте одни минералы имеют форму неправильных зерен, другие могут формировать вполне идиоморфные кристаллы. Другими словами, при совместном росте в одинаковых условиях кристаллы одного вещества имеют преимущество в образовании идиоморфных форм над другими. Такое явление объясняется, прежде всего, проявлением кристаллизационной силы. Кристаллизационная сила – это давление, которое растущий кристалл способен оказывать на какое-либо препятствие, мешающее его росту. В приведенном выше примере образования полиминерального агрегата один из минералов обладает большей кристаллизационной силой по сравнению с сопутствующими, и потому приобретает правильные формы огранки за счет своих соседей. Примерами проявления кристаллизационной силы могут служить идеальные идиоморфные совершенно чистые кристаллы гипса, выросшие в глинистой или песчаной массе; правильные по огранке кристаллы циркона, берилла, турмалина, вырастающие при совместной кристаллизации с кварцем, полевыми шпатами и другими минералами. Эти минералы имеют настолько характерный присущий им габитус, что его можно использовать в качестве диагностического признака при их определении.
В природных поликристаллических агрегатах нередко можно наблюдать наличие зерен минералов различной степени идиоморфности. Одну из возможных причин этого явления мы рассмотрели выше, как следствие проявления кристаллизационной силы растущих кристаллов. Еще одним объяснением может служить временная последовательность кристаллизации минеральных индивидов. Минералы, начавшие свой рост первыми, имели возможности приобрести правильную огранку, поскольку для этого у них были комфортные условия в виде свободного пространства для реализации габитуса. Возникшие после этого зародыши более поздних минералов таких условий уже не имели и приспосабливались к остаточным межзерновым пустотам. Естественно, что ранние минералы будут более идиоморфны по сравнению с более поздними. В качестве примера можно привести структуру гранита, где таблитчатые зерна полевого шпата явно имеют более правильную форму по сравнению с зернами кварца. Особенно хорошо это заметно в строении различных парфировидных агрегатов, где порфировые выделения (явно более ранние) всегда наиболее идиоморфны.
Встречаются и другие, более сложные по своей природе способы образования поликристаллических агрегатов, сложенных индивидами различной степени идиоморфности.
Рис.6 Степень идиоморфности кристаллической огранки минерального индивида, если он входит в состав горной породы, можно выразить терминами эвгедральный – идиоморфный - (с собственными кристаллическими гранями), субгедральный (обладающий некоторыми, но не всеми собственными гранями) и ангедральный – ксеноморфный - (не имеющий собственных граней)
Мы уже говорили о том, что при формировании такого агрегата, как правило, ранние по времени образования зерна имеют более идиоморфные очертания. Однако возможны и исключения (обратные явления), когда более поздние минеральные образования обладают большей степенью идиоморфности.
Речь идет о метакристаллах. Метасоматоз – это сложный процесс, когда под действием поровых растворов отдельные зерна ранее сформированного агрегата начинают расти за счет растворения окружающих их соседних зерен других минералов. При этом весь агрегат все время сохраняет твердое состояние. Увеличиваясь в размерах такие новообразованные кристаллы – метакристаллы – нередко приобретают правильные формы и по степени идиоморфности превосходят все окружающие более ранние кристаллиты.
В качестве примера можно привести великолепные по своему габитусу метакристаллы кварца из гранитных пегматитов.
Среди основных постулатов, характеризующих отличие кристаллического вещества от аморфного, указывалось на высокую упорядоченность пространственного расположения слагающих их частиц (атомов, ионов, молекул), что теоретически выражается в наличии трехмерной кристаллической решетки, а практически, как следствие этого, в способности кристаллов самоограняться, приобретать в процессе роста форму правильных многогранников. Таким образом, огранка и наличие кристаллической структуры должны быть всегда взаимосвязаны, т. е. огранка является следствием кристалличности вещества, а кристаллическая решетка – непременный атрибут ограненного кристалла. Причем форма огранки – габитус – есть функция особенностей кристаллической структуры при определенных параметрах среды кристаллизации (ТРХ). Короче, все сказанное можно свести к нескольким простым тезисам: огранкой обладают только кристаллы; форма огранки определяется особенностями кристаллической структуры; аморфные тела к естественной огранке не способны. Однако среди природных образований встречаются явления, не укладывающиеся в эту простую схему.
Прежде всего, это так называемые псевдоморфозы (от греч. pseudos – ложный, morphĕ – форма) - случаи, когда кристаллическое вещество приобретает форму не соответствующую его кристаллической структуре. Вариантов возникновения псевдоморфоз много. Наибольшим распространением пользуются так называемые псевдоморфозы замещения, когда какой-либо минерал, обладающий огранкой, под действием вторичных процессов замещается другим минералом, но при этом сохраняется прежняя форма огранки. Например, кубические кристаллы пирита окисляются до лимонита, но при этом сохраняют прежний кубический габитус (псевдоморфоза лимонита по пириту).
Нередко встречаются псевдоморфозы выполнения – случаи, когда минерал выполняет какую-либо пустоту, образовавшуюся в результате растворения (выщелачивания) ранее существовавшего минерала. Например, кубические кристаллы пирита в жильном кварце были окислены и полностью выщелочены, а образовавшуюся пустоту затем заполнил кальцит, получивший таким образом не свойственную его кристаллам форму куба.
Псевдоморфозами являются многочисленные случаи замещения минеральным веществом различных животных и растительных остатков. Например, окаменевшие стволы деревьев, где древесина замещена окислами кремнезема, пиритизированные раковины аммонитов, кости и зубы животных, превратившиеся в фосфориты и т. д.
Псевдоморфозы, образовавшиеся путем замещения минеральным веществом растительных остатков, называются фитоморфозами.
Еще раз подчеркнем, что во всех случаях псевдоморфоз форма кристаллов или кристаллических агрегатов не соответствует кристаллической структуре слагающего их вещества и не может быть обусловлена особенностями этой структуры.
Существуют минералы, которые при наличии правильной огранки не имеют кристаллической структуры, по данным рентгеноструктурного анализа они аморфны. В таком случае говорят о метамиктном распаде или метамиктном состоянии вещества.
Примерами могут служить такие минералы как уранинит, ортит, некоторые разновидности циркона и др. Все перечисленные минералы в своем составе содержат радиоактивные элементы и их аморфность (метамиктное состояние) является следствием процессов радиоактивного распада этих элементов. Таким образом, изначально в момент кристаллизации эти минералы являлись кристаллами, обладающими определенными кристаллическими структурами и, как следствие, огранкой. Впоследствии, вследствие происходивших в них процессов радиоактивного распада, они (минералы) перешли в метамиктное состояние, т. е. из кристаллов превратились в аморфные тела, сохранившие огранку кристаллов.
По своей сути метамиктные минералы представляют собой частный случай псевдоморфоз, поскольку в них имеется несоответствие габитуса и структуры.
Проектное задание: Сформулируй те необходимые условия для образования ограненных кристаллов. В каких случаях ограненный кристалл может оказаться псевдоморфозой? Почему замерзающая водопроводная вода разрывает стальные трубы?
Контрольные вопросы для самопроверки усвоения материала.
Всегда ли реализуются свойство кристаллов самоограняться?
Что такое «простая форма» в огранке кристалла?
Как узнать, сколько простых форм участвует в огранке кристалла?
Чем ограничивается число граней, участвующих в огранке кристалла?
Сколько простых форм одновременно может участвовать в огранке кристалла?
Сколько существует всего видов простых форм?
Сколько видов простых форм может участвовать в огранке кристалла низшей категории симметрии?
В огранке кристалла кубической сингонии могут участвовать только 15 видов простых форм, ни одна из которых не встречается в других категориях симметрии. Почему?
Что такое габитус?
Почему огранка природных кристаллов практически никогда не соответствует их идеальным моделям?
Какие природные кристаллы мы называем идиоморфными?
В чем проявляется «кристаллизационная сила» минерала в минеральном агрегате?
Почему в агрегате, состоящем из зерен различных минералов (например гранит) степень идиоморфности отдельных минералов различна?
Что такое «псевдоморфоза»? Как она может возникнуть, если огранка кристалла является функцией его структуры?
Что такое метакристалл?
Рекомендуемая литература.
Попов Г.М., Шафрановский И.И. Кристаллография.- М.: Высшая школа, 1972.
Стр. – 95-123, 161 – 180
2. Шафрановский И.И., Алявдин В.Ф. Краткий курс кристаллографии.- М.:Высшая школа, 1984.
Стр. – 31-41, 83 – 94, 100 – 101
3. Флинт Е.Е. Краткое руководство по геометрической кристаллографии. – М.: Госгеолтехиздат, 1956.
Стр. - 52 – 85.
Буллах А.Г. Общая минералогия. Изд. С.Петербургского университета, 1999.
Стр. – 45, 48 – 49, 62 – 63.
Лекция (модуль) 4 2 часа