Все о минерале кварц.

К сингенетическим включениям относятся хлоритовые вростки в моховом агате (название произошло от конфигурации этих вростков), кристаллы роговой обманки, образующие густую сеть в горном хрустале, а также иголки рутила и гематит, эффектно выглядящие в кристаллах горного хрусталя.

Хорошо образованные кристаллы турмалина в горном хрустале тоже выглядят весьма привлекательного. Обычно цвет турмалина либо зеленый, либо черный; считают, что кварц с включениями черного турмалина встречается в пегматитах, поскольку черный турмалин чаще всего связан с пегматитовыми, а зеленый-с гидротермальными месторождениями. Иногда в горном хрустале наблюдается халцедон, в некоторых случаях образующий сферулы. Совместно с ним присутствуют другие минералы, например рутил, имеющий обычно золотисто-желтый цвет; когда в горном хрустале его много, такие камни называют «волосы Венеры».

К сингенетическим относятся не только твердые включения. Во многих кристаллах кварца обнаружены жидкие включения, и их пространственное распределение и взаимное положение служат индикаторами механизма роста кристалла-хозяина. Поскольку в драгоценных камнях, образовавшихся из очень горячих растворов или безводной магмы, не может сохраниться вода, в них отсутствуют жидкие включения. Это один из признаков отличия ограненного горного хрусталя от алмаза, образующегося на больших глубинах в условиях очень высокого давления; в алмазе не может сохраниться жидкость. Кварц в таких условиях не образуется, и в нем часто содержатся жидкие включения.

Прохождение через кристалл интенсивных ударных волн вызывает образование дефектов. Возникающие в кристалле дефекты могут в ряде случаев обусловливать термолюминесценцию. Это явление применительно к кварцу рассматривается в статье Серебренникова и др. (1982). При самых низких импульсных давлениях большая часть образующихся дефектов имеет структурный характер (к ним относятся вакансии и ионы с измененной валентностью). Авторы исследовали образцы кварца из взрывной брекчии метеоритного кратера методами термолюминесценции, рентгенолюминесценции и электронного парамагнитного резонанса. Для термолюминесценции наблюдались максимумы при 365, 470 и 610-680 нм. Изучение методом ЭПР показало присутствие электронных центров типа Е, и дырочных центров. Считается, что они вызваны вакансиями, в том числе образующимися при замещении Si4+ на Al31 и (или) Fe3 + .

Статья Макларена и др. (McLaren et al., 1983) посвящена исследованию водяных пузырьков в синтетическом кварце. Эти пузырьки выявляются с помощью измерений интенсивности рассеянного света; об их появлении можно также судить по степени возрастания объема кристалла в зависимости от температуры и времени нагревания. Микроструктуры исследовались под трансмиссионным электронным микроскопом. Предложенное автором объяснение механизма основано на допущении вхождения водорода в структуру кварца в виде дефектов. При нагревании кристалла дефекты диффундируются с образованием кластеров. Кластер, состоящий из п (4Н)5(, вызывает образование водяною пузырька с (п — 1) Н20 без какого-либо изменения объема кристалла. При некоторой температуре Г имеется некоторый критический диаметр пузырька, выше которого давление пара Р превышает давление р, соответствующее механическому равновесию пузырька с вмещающим его кристаллом. Если Р становится больше р, пузырек увеличивается в объеме вплоть до Р = р, причем рост объема достигается путем диффузии Б1 и О по каналам из пузырька в связанную с ним ловушку на краевой дислокации. Такой процесс сопровождается заметным увеличением объема кристалла. Два диффузионных процесса протекают одновременно до тех пор, пока все дефекты (4Н)5, не будут поглощены пузырьками.

Если ограничиться рассмотрением лишь разновидностей кварца, то наличие переходных элементов влияет только на окраску цитрина, в котором цвет вызван присутствием иона окисного железа. При этом неспаренные электроны железа возбуждены до определенных энергетических уровней, с которых они возвращаются в основное состояние. Переход из основного состояния на уровень возбуждения соответствует энергии света, поглощаемого при прохождении через цитрин; его цвет характеризует остаточную энергию за вычетом той, которая поглощается при прохождении через цитрин определенных длин волн белого спектра.

Это простейший механизм возникновения окраски. Гораздо сложнее вопрос о цвете аметиста, который до недавнего времени был предметом широких дискуссий. Сейчас известно, что этот цвет возникает при облучении кварца, содержащего железо, причем образуются центры окраски, связанные с появлением дефектов. Дефект может оказаться способным захватить электрон или дырку. Электронные центры окраски имеют лишний электрон, захваченный теми позициями, в которых обычно в данном материале электроны отсутствуют. Когда электрон покидает позицию, где обычно должна находиться электронная пара, неспаренный электрон и образовавшаяся дырка совместно вызывают окрашивание (дырочный центр окраски). Подобный механизм действует в случае дымчатого кварца, который вкратце уже рассматривался.

Халцедоны содержат 90 99% кремнезема, некоторое количество воды, а также примеси оксидов AI и Fe. Более высокие содержания кремнезема характерны для светлоокрашенных или молочных разностей, красноватые и коричневые имеют высокое содержание Fc203. Обнаружено присутствие гидроксила (ОН), которые может входить во внутреннюю структуру волокон: большая часть воды может быть удалена при нагревании до 100°С. Потеря воды сопровождается снижением показателя преломления и удельного веса.

В статье Фрондела (Frondel, 1982) обсуждается вопрос о структурном характере гидроксила в халцедоне. Как показали исследования методами инфракрасной спектроскопии и рентгенографии, халцедоны, а также природные стекла, кремни и агаты содержат (ОН) в определенных позициях атомной структуры; кроме того, установлено несколько типов неструктурной воды, которая может сохраняться на поверхности волокон и в порах. Было обнаружено, что концентрическая зональность халцедонов сопровождается изменением межплоскостных расстояний, измеренных по рентгенограммам, что указывает на вариации состава. Содержание структурного (ОН) в волокнах халцедонов изменяется от зоны к зоне; это наблюдается как в природных, так и в синтетических кристаллах, характеризующихся такими же типами спектров, что и халцедон. Зоны, богатые (ОН), быстрее протравливаются, дают линии с меньшими дифракционными углами на рентгенограммах, имеют пониженные показатели преломления и белеют при прокаливании до температур 550 600°С. Такие разновидности халцедона, а также образующиеся при низких температурах вместе с халцедоном кристаллы горного хрусталя и аметиста, а также кристаллы синтетического кварца имеют специфические инфракрасные спектры поглощения в интервале от 3200 до 3600 см-1 (2778-3125 нм). Для природного кварца, образовавшегося при более высоких температурах, спектр в этом интервале имеет другой вид. Механизм вхождения структурного (ОН) различен для этих двух типов кварца, что, по-видимому, зависит от содержания в них алюминия. Волокнистая природа низкотемпературного кварца может определяться содержанием (ОН) и его влиянием на дислокации.

В кварце-двуокиси кремния по имеющимся в литературе данным содержится 46,751% кремния (если принять его атомную массу равной 28,095) и 53,249% кислорода, что в сумме составляет 100,0% по массе. Существующие небольшие отклонения от этого состава не влияют заметно на физические и оптические свойства кварца. В виде твердого раствора в природный кварц могут входить 1л, N3, А1 и Т1; отмечалось также присутствие и ОН. Замещение Б1 на А1 влияет на окраску некоторых разновидностей кварца (возможные механизмы наблюдающихся изменений цвета рассмотрены в следующей главе). Замещения, вероятно, сопровождаются тем или иным типом компенсации валентности, очевидно, путем вхождения в интерстициальные позиции атомов 1л. Исследования кварца из разных месторождений показали, что для некоторых его образцов из гранитов характерно более высокое содержание А1, чем для образцов из связанных с этими гранитами пегматитов. Содержание А1, 1л и Н в кварце из альпийских месторождений выше в бесцветных образцах, чем в дымчатых. Одним из возможных механизмов компенсации валентности при вхождении ионов А1 (или других трехвалентных ионов) могло бы служить одновременное замещение ионов кислорода на ионы ОН.

Титан обнаружен в кварце из пегматитов, а также из некоторых метаморфических и изверженных пород. В розовом кварце присутствие титана в ориентированных позициях приводит к астеризму, хорошо различимому в проходящем свете. Считается, что температура образования розового кварца в пегматитах намного выше, чем в случае кварца из гидротермальных жил.