«Среди изменчивых и умирающих форм живой природы вечным и незыблимым останется цветной камень… В культуре будущего… камень займет равное место с другими вечными материалами, созданными человеческим гением»
Академик А. Е. Ферсман
Миллиарды лет назад возникли первые кристаллические вещества — минералы будущей земной коры. Естественные процессы, порожденные многообразием и упорядоченностью свойств материи и энергии, двинулись от этого «старта» долгим и сложным путем эволюции. Путь этот привел в конце-концов к рождению живой, а затем и мыслящей материи.
Но и сегодня, когда наука вплотную приблизилась к познанию закономерностей сложнейшего создания природы — молекулы живого вещества — неорганический мир остается важным источником наших знаний, основным источником материалов и энергии.
Заметное — и не только в буквальном смысле — место в мире минералов занимают кристаллы драгоценных камней. Давно развенчаны легенды об их волшебных свойствах, но интерес к драгоценным камням отнюдь не уменьшился. Самоцветы — теперь уже нередко синтетические, сделанные физиками и химиками, — все больше служат технике и науке.
В этом и следующем номере вы прочтете о происхождении, о свойствах, о синтезе, о службе замечательных кристаллов, которые до сих пор — в значительной мере по инерции — называются драгоценными камнями.
Какие камни называются «драгоценными»
Драгоценные камни относятся к большому классу природных химических соединений, называемых минералами.
По классификации академика А. Е. Ферсмана и немецкого ученого М. Бауэра к драгоценным камням — самоцветам относится около 60 минералов. В зависимости от ювелирной ценности они делятся на три группы (порядка):
Первый порядок. Алмаз, рубин, сапфир, изумруд, александрит, благородная шпинель, эвклаз.
Второй порядок. Топаз, аквамарин, берилл, красный турмалин, демантоид, кровяной аметист, альмандин, уваровит, гиацинт, благородный опал, циркон.
Третий порядок. Гранат, кордиерит, кианит, эпидот, диоптаз, бирюза, зеленый турмалин, полихромный турмалин, горный хрусталь, дымчатый кварц, светлый аметист, халцедон, агат, сердолик, гелиотроп, хризопраз, празем, полуопал, солнечный камень, лунный камень, лабрадор, элеолит, содалит, обсидиан, титанит, бентонит, пренит, андалузит, диопсид, скаполит, томсонит, гематит, пирит, касситерит, рутил, золотистый кварц.
Но классифицировать драгоценные и поделочные камни можно и по-другому, взяв за основу общность их химической природы. Тогда камни будут объединены в семейства: кварца, корунда, берилла, граната, турмалина, шпинели.
Большинство драгоценных камней — монокристаллы, они состоят из одного минерала в форме единичного кристалла. Они обладают высокой твердостью, блеском, способностью высокого лучепреломления и светорассеяния.
Обычно драгоценные камни прозрачны, хотя могут иметь различную природную окраску, в зависимости от примесей.
В окрашенных камнях естественная игра света приобретает глубину, создавая впечатление, что камни светятся изнутри.
Одно из наиболее характерных свойств драгоценных камней — их химическая устойчивость, они инертны в отношении, воздуха, влаги и многих химических реагентов; могут в течение столетий стойко выдерживать любые колебания температуры.
Драгоценные камни мало распространены в природе, обычно труднодоступны, требуют большой затраты груда на огранку и шлифовку, что значительно увеличивает их стоимость.
Поделочные цветные камни
Больше, чем драгоценные, распространены в природе так называемые поделочные цветные камни.
Бриллиант «Орлов»
По классификации А. Е. Ферсмана и М. Бауэра к поделочным (полудрагоценным) камням относятся около 40 минералов и горных пород. Они также делятся на три порядка:
Первый порядок. Нефрит, лазурит, глауконит, содалит, амазонит, лабрадор, орлец, лазурит, малахит, авантюрин, кварцит, горный хрусталь, дымчатый кварц, агат и его разновидности, яшма, везувиан, розовый кварц, письменный гранит.
Второй порядок. Лепидолит, фукситовый сланец, серпентин, агальматолит, стеатит, селенит, обсидиан, мраморный оникс, датолит, флюорит, каменная соль, графит, смитсонит, цоизит.
Третий порядок. Гипс, мрамор, порфиры и частью декоративный материал — брекчии, сливные кварциты и другие породы.
Поделочные камни так же, как драгоценные имеют красивую окраску, но в большинстве случаев непрозрачны.
Природный алмаз
Некоторые поделочные камни — яшма, агат, орлец — характерны включениями в их основную массу различно окрашенных примесей, придающих им замысловатый рисунок.
В отличие от драгоценных камней, состоящих главным образом из отдельных кристаллов, поделочные цветные камни представлены горными породами, состоящими из разных минералов (яшма, орлец). Иногда же поделочным камнем служит мономинеральная порода (мрамор, кварциты, пироксениты, дуниты и др.).
Цветные камни широко применяются для изготовления художественных изделий и в качестве облицовочного материала.
С доисторических времен цветные камни употреблялись в качестве украшений. Не меньшую давность имеет применение цветных камней при изготовлении предметов быта и оружия.
Например, нефрит был известен в Китае более чем за 7 тысяч лет до нашей эры. Из него изготовляли ножи, кинжалы, топоры, наконечники для стрел. С развитием техники обработки камня нефрит стали применять для изготовления украшений и художественных изделий. Изделия из нефрита отличаются особой долговечностью. Переходя из поколения в поколение, они как будто совсем не испытывают влияния времени, остаются все такими же красивыми и прочными, сохраняя все тонкости узора. Нефрит даже называют «камнем вечности».
Свидетельствует история…
Алмазы, рубины, изумруды и другие драгоценные камни были известны древним индийцам, персам, китайцам, египтянам. Ювелирные изделия из драгоценных камней находили в египетских саркофагах, имеющих давность более 4 тысяч лет.
В Древней Руси еще в XI веке применялись в ювелирном деле жемчуг, янтарь, горный хрусталь, сердолик. Искусство обработки поделочного камня получило в России особенно большое развитие в XVIII и начале XIX века, после учреждения Петром I в 1725 г. Петергофской гранильной фабрики и строительства шлифовальных фабрик на Урале и Алтае. Эти районы России прославились богатыми месторождениями драгоценных и поделочных камней.
Драгоценные камни употреблялись для украшения оружия и боевых доспехов, в качестве вставок для колец, перстней, ожерелий и браслетов. Короли и цари украшали драгоценностями свои мантии, троны, царские венцы, скипетры и прочие атрибуты власти.
В большом почете драгоценные камни были у аристократов Древнего Рима. Римский писатель Плиний писал, что жена императора Калигулы «приходила в гости, украшенная драгоценными камнями на сумму в 4 миллиона сестерций». Это соответствует примерно 2,4 миллиона золотых рублей. Драгоценности служили в древнем Риме своего рода знаком отличия патрициев от плебеев. Камнями украшали обувь, колесницы, кубки. Первый римский император Юлий Цезарь, явившись в театр в венце из золота и драгоценных камней, положил начало обычаю украшать драгоценными камнями короны и другие головные уборы.
В более поздние времена у императора Карла V было несколько десятков корон, украшенных жемчугами, алмазами, аметистами, рубинами, изумрудами. Французский король Генрих III увлекался кольцами; он носил на руках до сотни колец с драгоценными камнями. Король Людовик XIV во время парадных приемов надевал бриллианты, стоившие до 12 миллионов франков. В древней Руси широкую известность имел парадный головной убор князя Владимира Мономаха, сверкавший драгоценными камнями.
Увлечение драгоценностями при дворе русских царей особенно расцвело во времена Екатерины II. Эта «законодательница мод» любила и рать в карты… на бриллианты. «Как весело играть в бриллианты, это похоже на тысячу и одну ночь…» — писала она.
Парадные костюмы Екатерины II и ее приближенных были расшиты драгоценными камнями, например, костюм Потемкина был украшен драгоценными камнями на сумму в несколько сот тысяч рублей. На один из дворцовых праздников он явился без головного убора — его шляпа была так тяжела от нашитых драгоценностей, что надевать ее на голову было невозможно. Знаменитую шляпу нес за Потемкиным его адъютант.
Огромными сокровищами обладали церкви и монастыри. Драгоценными камнями украшались иконы, чаши, переплеты книг, разные церковные реликвии.
В Советском Союзе величайшие сокровища драгоценных камней сосредоточены в Алмазном фонде и Оружейной палате.
Как в природе образуются драгоценные камни
Большинство драгоценных и поделочных цветных камней образовалось в земной коре.
Как известно, твердая оболочка нашей планеты состоит почти на 75 процентов (по весу) из кислорода и кремния. Эти два вещества составляют основу земной коры, все остальные элементы лишь как-то вкраплены в этот кремне-кислородный каркас.
Табакерка, украшенная бриллиантами и другими драгоценными камнями. Середина 18 века
В земной коре кремний соединен с кислородом и другими элементами в виде различных силикатов, где атомы кремния связаны между собой и с атомами других элементов через атомы кислорода.
Силикаты составляют примерно одну треть всех известных минералов. Если без углерода невозможна была бы органическая жизнь, то без кремния невозможна «жизнь» земной коры.
Остальные элементы (кроме кислорода и кремния) распределены в земной коре весьма неравномерно. По целому ряду причин часть их сосредоточилась в виде отдельных месторождений, а другая, наоборот, сильно рассеялась в коре.
Возникновение тех или иных минералов, в том числе и драгоценных камней, зависит не только от наличия в данном месте элементов, из которых образуются эти минералы, но и от многих других условий — температуры, давления, концентрации реагирующих веществ и т. п. А для образования драгоценных камней, обладающих особой твердостью, прочностью, красотой окраски, способностью преломлять и отражать свет, все эти условия в природе сочетаются весьма редко. Поэтому-то драгоценных камней чрезвычайно мало по сравнению с другими, более распространенными минералами.
К счастью, условия для концентрации драгоценных камней в природе все-таки существуют, и в некоторых случаях нам стали известны «излюбленные» места их возникновения.
Одно из таких мест — месторождения пегматитов, продукта кристаллизации остаточного расплава магмы, возникших уже после того, как основная масса магмы закристаллизовалась в породу. В этих «маточных» растворах концентрируются элементы, «не использованные» при затвердевании основной массы породы. Пегматиты обнаруживаются в виде жил в теле застывшей магмы, в прилегающих или вмещающих породах. В пегматитах встречаются топазы, турмалины, изумруды, александриты, фенакиты и другие камни. В процессах образования минералов энергично участвуют горячие водные растворы, возникшие от конденсации паров воды, выделяющихся из магмы и притекающих извне, нагретых горячим массивом при его остывании. Так возникают многие минералы, в том числе и некоторые драгоценные камки — бирюза, благородный опал и другие.
Потом, на поверхности Земли, под влиянием воды, углекислоты, кислорода воздуха и жизнедеятельности организмов горные породы (в том числе и пегматиты) разрушаются.
Растворимые в воде мелкие частицы разрушенной породы вымываются и уносятся в долины рек, в озера и моря, где они в известных условиях отлагаются, образуя месторождения осадочных горных пород.
Нерастворимые в воде минералы отлагаются в речных долинах и водных бассейнах в виде песка, гальки и гравия. Так возникают различного рода россыпи, в том числе россыпные месторождения драгоценных камней.
От чего зависит цвет камней
Драгоценные и цветные камни разнообразны по окраске. Еще Исаак Ньютон установил, что появление окраски на различных веществах и предметах объясняется тем, что составляющие солнечный свет цветные монохроматические лучи поглощаются этими веществами неравномерно. Свет, отраженный от поверхности тела, уже отличается от исходного света: в отраженных лучах преобладают те цвета, которые меньше всего поглощаются поверхностью наблюдаемых предметов. Например, рубин имеет ярко- красную окраску — это значит, что лучи красного участка спектра поглощаются рубином меньше всего. А вот изумруд почти не поглощает зеленый цвет.
Способность поглощать одни и отражать другие лучи света зависит от многих причин. Например, малахит, бирюза и лазурит обладают «собственным цветом». Это означает, что в их состав входит какой-либо химический элемент, обладающий избирательной способностью поглощения световых лучей.
К таким элементам — их называют хромофорами — относятся хром, марганец, титан, ванадий, железо, кобальт, никель, медь, уран.
Бесцветный корунд, состоящий из чистой окиси алюминия Al2O3, окрашивается атомами хрома в темно-красный цвет рубина, а ничтожные примеси железа и титана превращают его в синий сапфир.
Некоторые минералы окрашиваются в результате отражения света от внутренних поверхностей трещин, включений или плоскостей спайности. Подобное явление создает так называемую ложную окраску — например, у лабрадора. У этого камня при некоторых поворотах появляется красивая с синим переливом окраска, напоминающая павлинье оперение.
Твердость
В минералогии под твердостью подразумевают степень сопротивления, которое способен оказать данный минерал удару, истиранию, царапанию, вдавливанию — вообще механическому воздействию. Для ее определения существует несколько методов, но все они позволяют только сравнивать твердости различных материалов.
Наиболее распространен метод определения твердости, предложенный Фридрихом Моосом. Шкала, носящая его имя, — это перечень десяти минералов-«эталонов». Проба делается предельно просто — образец царапают эталоном. Флюорит оставляет царапины на кальците, апатит на флюорите, кварц на ортоклазе и так далее.
Другой — количественный способ определения твердости основан на измерении времени, необходимого для истирания слоя определенной толщины на испытуемом материале. Как видно из таблицы, разрыв в степени твердости между двумя последними минералами шкалы Мооса очень велик: алмаз в 140 раз тверже корунда. Между другими соседними минералами той же таблицы такого разрыва в твердости нет.
При изучении природы твердости веществ выяснилось, что для некоторых кристаллических тел (с ионной связью между атомами) она возрастает с уменьшением расстояния между атомами и увеличением их заряда. Подобного рода закономерности действительны, очевидно, и для веществ с ковалентной связью. В алмазе они проявляются в наиболее оптимальных соотношениях.
В. С. Петров, заведующий лабораторией синтеза минералов Московского государственного университета