«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