Як в природі ростуть кристали і утворюються мінерали
За розмірами природні кристали можуть бути самими різними: від мікроскопічних до вельми великих аж до декількох метрів завдовжки і в поперечному перерізі. Зовнішній вигляд кристалів залежить від того, наскільки спокійно відбувався їх зростання. Більшість кристалів в природі ростуть повільно - тисячі і мільйони років. Деякі кристали ростуть дуже швидко, наприклад кристали розчинних солей, іноді сублімаційних мінералів (сірка, таблички гематиту) в кратерах діючих вулканів.
Кристали утворюються, коли будь-яка речовина або їх комплекс переходить з рідкого або газоподібного стану в тверде. Зростання кристала починається з утворення зародків і скелетних форм. При тривалому рівномірному і безперешкодному вступі речовини з усіх боків виникають нормальні кристалічні форми, але в більшості випадків кристали обмежені в своєму зростанні сусідніми тілами (сусідніми кристалами). Це призводить до утворення недосконалих кристалів з перекрученими гранями, так як надходження розчинів, що живлять кристал, відбувається з різних сторін нерівномірно.
Агрегати мінералів. Кілька індивідів, що розвиваються з розташованих по сусідству центрів кристалізації, зростаються в агрегат мінералів. З усього різноманіття агрегатів найбільше колекціонерів цікавлять друзи, які виростають у вільному просторі з довільно розташованих зародків. В процесі друзового зростання індивіди розвиваються незалежно один від одного і зберігають форму одиночних кристалів.
З плином часу зростаючі індивіди починають обмежувати один одного. Можливість подальшого розвитку зберігають лише ті з них, які ростуть в сторону вільного простору, т. Е. Перпендикулярно поверхні наростання агрегату. Це явище носить назву геометричного відбору. В результаті самовпорядкування орієнтування індивідів друза переростає в паралельно-шестоватих агрегат. Його вільна поверхня, утворена головками кристалів, називається щіткою.
Тому ясно, чому великі друзи зустрічаються нечасто: у міру зростання збільшується ймовірність виродження друзи в паралельно-шестоватих агрегат. Для утворення великих друз потрібно, щоб центри кристалізації були нечисленні і розташовані не дуже близько один до одного (досить сильно віддалені). Умови, сприятливі для тривалого друзового зростання і освіти великих кристалів, зазвичай забезпечуються тільки при достатньо повільної кристалізації. При надмірно швидких процесах утворюються дрібні і дуже дрібні агрегати і кристали (аж до мікронних).
Почавши існування близько 5 мільярдів років тому, наша планета і сьогодні знаходиться в стані безперервної еволюції. Рушійні сили еволюції - власна енергія Землі, зосереджена головним чином в її надрах, і енергія, яку Земля отримує ззовні, у вигляді світла і тепла, що випромінюються Сонцем. Надра Землі - гігантський енергетичний котел, в якому панують високі тиску і температури. Їх колосальна енергія викликає утворення континентів і гірських систем, землетруси і виверження вулканів. Основним джерелом внутрішнього тепла Землі служать, по-видимому, що йдуть в її глибинах процеси радіоактивних розпадів.
З кожними 100 метрами віддалення від поверхні температура Землі підвищується в середньому на 3 o С, а тиск на 30 * 10 5 паскалів. На великих глибинах земна речовина знаходиться в сильно нагрітому (аж до розплавлення) і стиснутому стані. У цих умовах воно має незвичайні властивості, наприклад здатність утримувати легко рухливі, летючі з'єднання. З глибиною змінюється і хімічний склад надр. З глибин Землі тепло поширюється на її відносно холодні верхні зони. З геологічної точки зору особливий інтерес представляє перенесення тепла висхідними потоками нагрітого речовини (конвекція) - при цьому в верхні частини земної кори надходить, так і вміст глибоких надр.
Зароджуючись на глибині в десятки кілометрів, вогненно-рідкі розплави складного, переважно силікатного складу, насичені летючими сполуками, - так звані магми - проплавляющей собі шлях в гірських породах, піднімаються по тріщинах і застигають в верхніх горизонтах кори або виливаються на поверхню у вигляді вулканічної лави . Відповідно до сучасних уявлень, глибинне речовина Землі зазнає поступову дегазацію, тобто втрачає леткі компоненти. Частина їх, що входить до складу магми, переноситься нею до поверхні Землі і відділяється при зниженні тиску. Інша частина утворює перегріті газово-рідкі розчини, що складаються головним чином з води і вуглекислоти і роблять сильний вплив на мінерали гірських порід.
Енергія, що отримується Землею від Сонця, також дуже велика. Земна поверхня безперервно сприймає сонячне випромінювання потужністю 8,5 * 10 4 мільярдів кіловат - в 10 000 разів більше енергії, одночасно видобувається людством, і в 3500 разів більше теплового потоку з надр. Ця енергія викликає потужні рухи в атмосфері, кругообіг води, рух річок і льодовиків, вивітрювання гірських порід і нівелювання гірського рельєфу. Тим самим повільно, але неухильно зводиться нанівець робота внутрішніх сил Землі, і лише можливість концентруватися в окремі періоди і в окремих зонах планети дозволяє їм зводити свої грандіозні споруди, на час випереджаючи сили руйнування. Колосальна енергія сонячного походження, з якої не можна порівняти навіть потужні ядерні вибухи, бере участь у великих ураганах і повені; величезні її запаси накопичуються в населяють Землю організмах і зосереджені в горючих копалин.
Всі геологічні процеси, від грандіозних вулканічних катастроф до непомітного випаровування води морів і озер, супроводжуються перерозподілом речовини і енергії; різні тверді, рідкі та газоподібні речовини при цьому руйнуються і утворюють нові. Іншими словами, те тут, то там відбувається оновлення мінерального складу земної кори. Такий самий загальний відповідь на питання про те, чому утворюються мінерали.
Процеси минералообразования, що йдуть за рахунок внутрішньої енергії Землі, називають ендогенними; що йдуть за рахунок зовнішньої, т. е. сонячної, енергії - гіпергенними (або екзогенними). Ці процеси протікають в істотно різних умовах. До ендогенних відносяться процеси, що відбуваються при застиганні магми на глибині (інтрузивні) або на поверхні Землі при виверженнях вулканів (еффузівние). На глибині затвердіння магми відбувається повільно; це обумовлено низькою теплопровідністю гірських порід, а також високим тиском, завдяки якому в магмі утримуються летючі компоненти, що знижують температуру кристалізації розплаву. У міру затвердіння відокремлюються збагачені газами залишкові розплави, що кристалізуються в особливій послідовності (пегматити). З подальшим зниженням температури процес переходить в гідротермальних стадію, коли основним переносником речовини і середовищем минералообразования є рідкі водні розчини.
Ендогенними процесами обумовлено освіту майже всіх силікатних гірських порід (граніти, діорити, базальти та ін.), Під їх дією формуються рудні жили і родовища більшості металів і неметалевих корисних копалин.
Екзогенні процеси йдуть поблизу сприймає сонячну енергію поверхні Землі. До них відноситься вивітрювання корінних покладів корисних копалин з їх подальшим збагаченням: легкі продукти вивітрювання несуться текучими водами, а важкі, містять цінні компоненти, залишаються на місці. Так утворюються розсипних родовищ золота, монацита, самоцвітів і ін. Хімічне вивітрювання рудних покладів призводить до утворення зон окислення, збагачених новими мінералами. До екзогенні процеси відноситься формування осадових гірських порід на дні водойм з зносяться текучими водами продуктів вивітрювання (пісковики, глини, конгломерати та ін.), В результаті кристалізації розчинених у воді речовин, відкладення продуктів життєдіяльності організмів і органічних залишків (вапняки, копалини вугілля та ін .).
Окрему групу становлять метаморфічні процеси - переробка гірських порід як ендогенного, так і гіпергенного походження під дією високих тисків і температур. При цьому вапняки перекрісталлізовивают в мармури, глини перетворюються в кристалічні сланці з утворенням нових мінералів (граната, кіаніту) і т.д. Метаморфізм обумовлений впливом на породи гарячих розчинів в обстановці сильного стиснення і високої температури. Мінеральний склад будь-якої ділянки сучасної земної кори - підсумок багатьох процесів, що змінювали один одного на протязі геологічної історії Землі, за участю метасоматоза - заміщень мінералів, що відбувалися іноді в масштабах багатьох кубічних кілометрів.
Мінералообразующего-поміж майже завжди складна і різноманітна за складом, а тому, здавалося б, повинна породжувати і безліч найрізноманітніших мінералів. Насправді ж, щоразу утворюється певний і нечисленний комплекс. Більш того, багато близьких і навіть однакові за складом мінерали не народжуються одночасно, вони мають різний геологічний вік. Причина цього в тому, що будь-які, в тому числі і мінералообразующего, процеси йдуть в бік утворення стійких, рівноважних продуктів. Дуже багато речовини взагалі не можуть виникнути в природних умовах. І хоча число відомих мінеральних видів поступово зростає, воно ніколи не буде порівняти з колосальним числом речовин, одержуваних сьогодні штучно.
В області високої температури відбувається розчинення зерен, дрібних і недосконалих індивідів. З утворюються розчинів в менш нагрітої частини порожнини ростуть вже мінерали у вигляді великих, добре огранених кристалів. Промислова технологія, заснована на створенні деякого температурного перепаду, широко застосовується для вирощування штучних кристалів (монокристалів) і ін.
Наукою накопичено величезну кількість фактів, які говорять про зв'язок вигляду і простих форм природних індивідів, типу і величини агрегатів з термодинамічними параметрами мінералоутворення - складом середовища, її температурою і тиском. Однак картина цього впливу дуже складна: форма зростаючих кристалів чутлива до такого фактору, як незначні домішки в розчині.
Скільки часу триває освіту мінералів? Це залежить від температури і концентрації мінералообразующей середовища, швидкості поповнення її речовини, що кристалізується, темпів реакцій минералообразования. В кристалізації можуть наступати перерви, зростання кристалів може змінюватися їх розчиненням. Для виростання великих і маленьких індивідів потрібен різний час, тому правильніше говорити про швидкість зростання мінералів. Природні кристали ростуть з рухомих середовищ - розчинів, розплавів, парів. Навіть коли кристал утворюється в твердому середовищі, зростання відбувається за рахунок навколишнього його мікроскопічно тонкого "чохла" живильного розчину.
Універсальний природний розчинник мінералів - вода (хоча і не вона одна грає цю роль). При звичайних, "кімнатних", умовах в 1 літрі її можна розчинити 350 г Галіт (звичайної кухонної солі), 2 г гіпсу, 0,013 г кальциту; розчинність більшості інших мінералів незначна. Однак вода в глибоких надрах зовсім інша. Вона завжди містить хімічно активні домішки і при високому тиску і температурах в сотні градусів стає "агресивним середовищем", енергійно діє на багато мінералів. Так, розчинність кварцу може бути доведена до 120-160 г / л в глибинах; в природних розчинах ендогенного походження встановлені його концентрації принаймні до 8 г / л; але ж при звичайних умовах в 1 л чистої води вдається розчинити не більше 0,006 г цього мінералу. Крім того, утворення мінералів у багатьох випадках викликано хімічними реакціями між легко розчинними речовинами. При таких обставинах швидкість росту може стати цілком відчутною.
Прямих даних про швидкість росту мінералів небагато. Ось кілька прикладів:
- заповнення кварцом тріщини шириною 30 см (за розрахунком): 2,7 року (0,3 мм / добу);
- заповнення гематитом тріщини шириною 1 м (виверження Везувію): 10 днів (50 мм добу, одночасно з обох сторін тріщини);
- зростання кристалів гіпсу: 0,001-0,008 мм / добу;
- зростання арагонита з гарячих джерел (Карлові Вари, Чехія): 0,7 мм / добу;
- зростання кальциту з гарячих джерел (Камчатка, Росія): 0,0055 мм / добу;
- зростання олівіну (гранат) в розплаві базальту (Камчатка, Росія): 0,6 мм / добу.
Додаткову цінну інформацію дає контрольоване вирощування штучних кристалів (міліметри на добу): алмаз 1,6-3,2 мм / сут .; апатит 6,5 мм / добу .; корунд 0,3-365 мм / сут .; прустит 7 мм / сут .; кварц 0,06-40 мм / сут .; цеоліти 0,0005-0,015 мм / сут. У вирощуванні кристалів ми в чомусь випередили технологію природи, а в чомусь ще не навчилися наслідувати їй. І все ж, виконавши нескладний підрахунок, ми маємо право допустити, що зростання деяких природних кристалів кварцу, всупереч поширеному уявленню, міг тривати і відносно короткий час - всього лише десятки років; природні ж алмази, можливо, утворилися в надрах Землі за лічені добу.