Книга: Оптический флюорит

Природные кристаллы флюорита

У знаменитого немецкого художника А. Дюрера (1471—1528 гг.) есть прекрасная гравюра «Меланхолия», на которой изображен огромный октаэдрический многогранник, выколотый из кристалла флюорита.

Это, пожалуй, первое графическое изображение флюоритового кристалла, причем кристалла, покрытого не естественными гранями, а искусственными плоскостями спайного скола. Совершенная спайность по октаэдру — характерное физическое свойство флюорита. Но в природе встречаются очень широко кристаллы и с естественными октаэдрическими гранями. И не только с октаэдрическими. В общем морфология кристаллов флюорита довольно разнообразна, хотя и образуется путем комбинаций относительно небольшого числа простых форм.

В соответствии с геометрическими закономерностями пространственного распределения атомов кальция и фтора, т. е. в соответствии с внутренней кристаллической структурой, кристаллы флюорита характеризуются высокой симметрией. Они относятся к гексоктаэдрическому классу кубической сингонии (O_h по Шенфлису или m3m в символике Германа—Могена), обозначаемому формулой 3L₄4L₃6L₂9PC. Это значит, что наиболее правильные кристаллы флюорита характеризуются тремя осями симметрии четвертого порядка, четырьмя осями третьего порядка, шестью осями второго порядка, девятью плоскостями и центром инверсии. К тому же классу относятся кристаллы поваренной соли, или галита (NaCl), галенита (PbS), магнетита (Fe₂O₃), гранатов и других минералов. Более высокосимметричных кристаллов в минеральном мире нет.

На природных кристаллах флюорита за многовековую историю их изучения обнаружено около 100 простых форм, причем менее десятка из них встречаются более или менее постоянно, остальные весьма мало распространены.

Для кристаллов флюорита наиболее обычны следующие простые формы:

Куб образован, как всем хорошо известно, шестью квадратными гранями, октаэдр — восемью правильными треугольными гранями. Ромбододекаэдр имеет 12 граней в виде правильных ромбов, тетрагексаэдр — 24 грани, представляющие собой тупоугольные треугольники. Тригон-триоктаэдр состоит из 24 граней, представляющих собой равнобедренные треугольники; тетрагон-триоктаэдр — также из 24 граней дидельтовидной формы.

Рис. 7. Габитусные типы кристаллов флюорита

Буквами показаны разные грани

Рис. 8. Эпитаксические сростки флюорита с пиритом (а) и кварца с флюоритом (б)

На рис. 7 приведены идеализированные типы кристаллов флюорита, встречающиеся в природе. Резко преобладающими формами природных кристаллов, определяющими их габитус, являются куб {100}, октаэдр {111} и ромбододекаэдр {110}. Все прочие формы только дополняют комбинации, усложняя, но не изменяя габитуса. Чаще всего встречаются кристаллы кубического габитуса, несколько реже — октаэдрического.

Реальные кристаллы, встречающиеся в природных флюоритовых телах, как правило, отличаются от идеализированных моделей. Они искажены, степень искажения формы, отклонения ее от идеальной, растет с увеличением размеров кристаллов. Главная причина искажения — неравномерное поступление к растущему кристаллу питательного вещества. Здесь действует универсальный принцип симметрии П. Кюри, согласно которому в кристалле сохраняются только те элементы собственной симметрии, которые совпадают с наложенными на него элементами симметрии среды, симметрии питания [Шафрановский, 1968]. В условиях односторонне направленного питания кубический кристалл постепенно искажается в брусковидный, шестоватый или пластинчатый, форма его может быть вообще неправильной, не кристаллической. Симметрия снижается.

Кроме того, в процессе минералообразования может меняться не только облик, но и кристаллографический характер огранки вследствие смены условий кристаллизации, химизма растворов и т. п. Наиболее обычная тенденция — переход от октаэдра через промежуточные более сложные габитусные формы к кубу. Она проявляется и во внутреннем строении кристаллов в виде как бы вложенных друг в друга кристаллов-фантомов разной формы, а если кристалл разрезать, то в виде концентрических зон, а также в существовании эволюционных габитусных рядов кристаллов. На месторождениях эта тенденция может выразиться в виде пространственной эволюционной зональности. Эта зональность показана Б. Зидаровой и др. [1978] на примере Михалковского флюоритового месторождения в НРБ. Зональность, вырисовывающаяся по смене габитусных типов флюорита, отражает изменение условий кристаллизации, в первую очередь температуры, пересыщения и кислотности — щелочности растворов в пространстве.

Очень часто встречаются различные скелетные кристаллы, параллельные сростки (фото 3, см. вкл.). Они особенно характерны для меняющихся условий кристаллизации, в которых одна форма, например октаэдрическая, уступает место другой, скажем кубической. Общий октаэдрический габитус кристалла еще сохраняется, но большие грани октаэдра распались на мелкие кубические грани, и весь такой псевдооктаэдрический кристалл состоит из правильной мозаики кубических блоков.

Для флюорита характерны двойники по (111), представленные прорастающими друг друга кубическими субиндивидами (фото 4, см. вкл.), реже по той же плоскости (111) срастаются октаэдры, и кристаллы приобретают уплощенный облик.

Рис. 9. Проекция кристаллической решетки флюорита на (110) с одним РВС-вектором (S-грань) и двумя типами фигур травления. По Р. Хейману [1979]

1 — Са; 2 — F. Остальные объяснения в тексте

Поверхность растущих кристаллов флюорита может оказывать ориентирующее влияние на находящиеся в той же среде мелкие кристаллики некоторых других минералов (пирита, халькопирита, сидерита, кварца и др.), и они закономерно нарастают на флюорит, образуя очень эффектные эпитаксические срастания (рис. 8).

Грани природных флюоритовых кристаллов редко бывают зеркально-гладкими. Обычно они неровные, покрыты черепитчатыми и ступенчатыми скульптурами роста или изъедены растворением. Большой интерес представляют довольно часто встречающиеся на гранях кристаллографически правильные ямки природного травления. Такие ямки могут быть получены и искусственно — действием различных травителей (фото 5, см. вкл.). Ямками травления фиксируются места выходов на грань дислокаций и других структурных дефектов, а форма ямок отражает характер действовавшего на кристалл растворителя.

Восстановить тип растворителя (а эта задача встает очень часто как при изучении природных кристаллов с целью реконструкции условий их изменения, так и при определении факторов, действующих на искусственные кристаллы при их выращивании в изменяющихся условиях) можно путем сравнения форм изучаемых ямок с полученными экспериментально или на основе анализа кристаллической структуры грани. На рис. 9 показано распределение атомов Са и F на поверхности грани (110), относящейся к типу S-граней с одним РВС-вектором (цепочка наиболее сильных связей), помеченным сплошной зигзагообразной линией. Нетрудно сообразить, что под действием щелочного травителя будут возникать прямоугольные ямки, несколько вытянутые в направлении [001], так как такой травитель действует на анионы, а именно в этом направлении ионы F разнесены на минимальное расстояние (тип 1). Под действием кислых растворов легче извлекаются анионы Са, расстояния между которыми минимальны в направлении [110]. В результате появляются неправильные ямки и канавки, сильно вытянутые параллельно [110] (тип 2). На гранях октаэдра под действием любых растворителей образуются тригональные или дитригональные ямки.

Кристаллы флюорита только на первый взгляд кажутся однородными. Тщательное исследование вскрывает их закономерную анатомическую картину, характеризующуюся наличием зональности, мозаичности и часто блочности. Особенно четко эта картина прорисовывается неравномерным распределением окраски. Поскольку кристалл растет слоями, то каждый наросший слой образует самостоятельную микрозону, а поскольку грани разных простых форм физически различны и растут и поглощают примеси по-разному, то пирамиды нарастания каждой из них физически различны и имеют четкие границы, хотя одни и те же зоны роста переходят из одной пирамиды в другую. Анатомию кристаллов необходимо учитывать при «раскрое» кристаллов на оптические детали.

Важным и непременным элементом анатомического строения кристаллов флюорита являются включения. Все их многообразие можно свести к двум типам: твердые и флюидные.

Твердыми включениями являются кристаллы или зерна других минералов, захваченные флюоритом в процессе его кристаллизации или выкристаллизовавшиеся каким-то образом в уже существующем флюоритовом кристалле. В виде твердых включений чаще всего встречаются кристаллики парагенных флюориту минералов — пирита, халькопирита, сфалерита, кварца, карбонатов.

Флюидные включения представляют собой остатки той минералообразующей среды, чаще всего растворов, которые были захвачены или законсервированы кристаллом, или порции более поздних растворов, залечивавших трещины и дефекты. В течение жизни кристалла включения могли претерпевать значительные изменения вплоть до изменения фазового состава. Обычно такие включения являются жидкими и газово-жидкими (фото 6, см. вкл.), нередко в них выделяется твердая фаза в виде мелких кристалликов галита, флюорита и других минералов. Описаны включения нефти, вязких битумов, затвердевшие расплавные включения. Первичные включения, сингенетичные кристаллу, распределяются по зонам роста, скопления же вторичных включений секут зоны роста.

Во многих кристаллах флюорита заметно пятнистое распределение фиолетовой окраски. Если внимательно присмотреться, то оказывается, что в центре фиолетовых пятен находятся включения радиоактивных минералов, а темная окраска — это радиационные «дворики» вокруг них, следствие действия на флюорит радиоактивного излучения. Сравнивая размеры «дворика» и густоту окраски в нем с интенсивностью излучения, испускаемого включением, можно определить продолжительность действия радиоактивного источника, т. е. возраст флюорита, если это включение первичное.

С точки зрения оценки монокристаллов флюорита как материала для изготовления оптических деталей включения, несомненно, являются дефектами. Если они крупные, видимые простым глазом, и распределены густо, то такие кристаллы вообще не пригодны для оптики. Но для расшифровки генезиса, истории кристаллов включения играют огромную роль. По ним можно судить о химизме и фазовом составе среды, о температуре и давлении в момент минералообразования, о возрасте флюорита. Существует целая наука — термобарогеохимия [Ермаков, Долгов, 1979], предлагающая комплекс методов расшифровки генетической информации, содержащейся во включениях.

Характерной особенностью природных кристаллов флюорита является их трещиноватость. Флюорит — очень хрупкий минерал и легко поддается действию механических деформаций, он чутко реагирует даже на небольшие тектонические «встряски» флюоритовых тел. Кроме того, он обладает низкой теплопроводностью и растрескивается в результате температурных скачков. Поэтому природные кристаллы чаще всего трещиноваты, иногда сеть трещин и плоскостей скольжения настолько густая, что кристалл становится непрозрачным, мутным, сахаровидным.

Природные кристаллы флюорита обычно содержат широкий спектр различных примесей, состав и содержание которых непостоянны и зависят от условий формирования тех месторождений, в которых они кристаллизовались. Среди изоморфных примесей, входящих в кристаллическую решетку, главную роль играют редкие земли как цериевой, так и иттриевой группы. Особенно они характерны для флюорита пегматитовых и высоко- и среднетемпературных гидротермальных месторождений. В кристаллах флюорита отмечается присутствие Sr, Na, K, Mg, Cu, Fe, Mn, Cd, Cl, Au, Hg и др. Вместе с включениями вмещающих пород или с захваченными в процессе кристаллизации синхронными минералами-узниками во флюорит в виде примесей входят Al, Si, S, а также многие из перечисленных выше элементов.

Каков же размер природных кристаллов? Этот вопрос имеет большое значение, так как от размера исходного материала зависят размеры изготовляемых деталей. Как показывает опыт многолетних исследований и анализ литературы, в природе преобладают мелкие кристаллы, менее сантиметра в поперечнике. В тех месторождениях, которые принято считать месторождениями оптического флюорита, наиболее обычные размеры монокристаллов 1—5 см, а среди них выделяются уникальные в 10—20 см. В литературе встречаются указания на находки во Франции исполинских кристаллов оптического качества — до 50—60 см по ребру [Chermette, 1924]. Нам приходилось видеть спайные моноблоки идеального качества размером до 30 см, выколотые из более крупных монокристаллов, добытых в Китае. Очевидно, оптические кристаллы размером более 0,5 м действительно существуют. Неправильной формы сильно дефектные (неоптические) кристаллы имеют иногда размеры более 1 м.

Мы смогли только очень кратко обрисовать внешний облик и внутреннее строение природных флюоритовых кристаллов. Хотелось бы подчеркнуть следующее. Кристаллы флюорита, как и вообще кристаллы минералов, являются удивительным произведением природы. Каждый отдельный кристалл в минеральном мире играет такую же роль, как и отдельный организм в живом мире. И кристаллы не менее сложны по своему строению и не менее динамичны по своим функциям, чем живые организмы. Только функции здесь особые — минеральные; явления протекают долго и медленно, и если спрессовать геологическое время жизни флюоритового или другого кристалла до привычных нам рамок и «раскрутить» эту жизнь в ускоренном темпе, то мы стали бы свидетелями удивительных и разнообразных событий. Научиться правильно читать биографию природных кристаллов — это важнейшая и по научному и по прикладному значению задача современной минералогии [Юшкин, 1977].