Группа кварца

Кварц по сути дела является окислом, но от него и других модификаций кремнезема легко непосредственно перейти к структурным мотивам основных типов алюмосиликатов, о чем уже частично говорилось ранее. Поэтому мы его рассматриваем непосредственно перед каркасными силикатами. Такое положение кварца вошло уже во многие курсы и справочники по минералогии.

Минералы, относящиеся к группе кварца, являются полиморфными модификациями кремнезема. Сейчас этих модификаций установлено семь. Для четырех из них благодаря физико-химическим исследованиям определены температурные интервалы наибольшей устойчивости при атмосферном давлении. Это интервалы минимальной упругости пара данной модификации (рис. 193). Из приведенной диаграммы видно, что при нормальном давлении устойчивыми являются такие модификации кремнезема:

В основе структуры приведенных модификаций кремнезема лежат кремнекислородные тетраэдры [SiO4]4-, которые, соединяясь между собой, образуют кремнекислородный каркас (рис. 194). Основные свойства минералов группы кварца показаны в табл. 64.

Кроме этих модификаций, экспериментальным путем были получены еще три: коусит (по фамилии американского исследователя Л. Коуса), стишовит (по фамилии советского исследователя С.М. Стишова) и китит (по фамилии американского исследователя Д.Д. Кита).
Коусит — моноклинная модификация SiO2 со структурой, близкой к полевому шпату, получена из кварца под давлением около 35 тыс. атм и температуре 500—800° С.
Стишовит — тетрагональная модификация SiO2 со структурой рутила, получена из кварца при давлении от 100 до 180 тыс. атм и температуре 1200—1400° С.
Китит — тетрагональная модификация синтезированная при температуре 380—585° С и давлении 350—1260 кг/см2. Первые две модификации встречены в песчаниках метеорного кратера Каньон Дьявола в Аризоне (США), где образовались за счет кварца при мгновенном сверхвысоком давлении при ударе метеорита. Китит в природе не встречается.
Кварц — SiO2. Наиболее распространенная и лучше всего изученная модификация кремнезема — низкотемпературный кварц известен под названием просто кварца. Происхождение этого названия неизвестно.

Сингония — тригональная, вид симметрии — тригонально-трапецоэдрический — D3—32(L33L2).
Кристаллическая структура. В основе структуры кварца лежат кремнекислородные тетраэдры, в которых вокруг каждого атома кремния приблизительно на одинаковых расстояниях находятся четыре атома кислорода, а каждый атом кислорода соединяет два тетраэдра, т. е. размещается между двумя атомами кремния. Тетраэдры соединены между собой вершинами. Структура высокотемпературного кварца несколько отличается от структуры кварца — она более симметрична (класс гексагонального трапецоэдра). При переходе кварца (в) в кварц происходит незначительное смещение атомов кремния, нарушающее симметрию, причем ось шестого порядка при переходе к кварцу превращается в ось третьего порядка.

Габитус кристаллов кварца удлиненно призматический, реже — бипирамидальновидный (рис. 195). Главными формами на кристаллах являются гексагональная призма — {1010}, ромбоэдры — {1011}, {0111}, тригональная пирамида — {1121} и тригональный трапецоэдр, — {5161}. Гексагональная призма и ромбоэдры являются универсальными формами, определяющими габитус кристаллов кварца. Грани призмы часто имеют горизонтальную штриховку. Преобладающее большинство кристаллов заканчивается только одной головкой — другим концом они прикрепляются к стенке пустот. Кристаллы кварца с головками на обоих концах встречаются очень редко. Они получаются в результате регенерации «хвоста» у отломанного кристалла или при свободном росте, когда кристалл кварца прикрепляется к субстрату гранью призмы. Отсутствие у кварца центра симметрии обусловливает энантиоморфные формы кристаллов, что может быть установлено при наличии граней трапецоэдра. В зависимости от положения этих граней различают правый и левый кварцы. Для кварца очень характерны двойники, особенно дофинейские, когда оба индивида являются правыми или левыми, а также бразильские, в которых один индивид правый, а второй — левый (рис. 195), и японские, когда двойниковой плоскостью является грань бипирамиды, причем основные оси образуют угол, равный 84°31' (рис. 196).
Физические свойства. Кварц бывает окрашенным в различные цвета. Чаще всего он водянопрозрачный. Излом раковистый. Спайность отсутствует. Твердость — 7. Плотность — 2,65. Очень важными являются оптические свойства кварца, поскольку они имеют большое значение для диагностики других минералов в прозрачных шлифах (табл. 64).
Вращает плоскость поляризации.
Характерной особенностью кварца являются пьезоэлектрические свойства, возникающие при сжатии и растяжении пластинки кварца в направлении, параллельном оси второго порядка. Из большого количества разностей кварца мы остановимся на минералогически чистых кварцах и кварцах с включениями других минералов.

Среди минералогически чистых кварцев выделяют прозрачные, малопрозрачные и непрозрачные. К прозрачным относятся горный хрусталь, аметист (фиолетовый кварц), раухтопаз (дымчатый кварц), цитрин (желтый кварц). Малопрозрачными кварцами являются морион (черный), а также розовый и молочный кварцы. К непрозрачным относятся железистый и обыкновенный кварцы. Среди кварцев с включениями других минералов могут быть названы: 1) празем — зеленый кварц, окраска которого вызвана тонкими включениями актинолита или хлорита; 2) авантюрин,— буро-красный кварц с мерцающим золотистым отливом от включений слюды, гетита или железной слюдки; 3) кошачий глаз — зеленоватый кварц с шелковистым отливом от включений асбеста; 4) тигровый глаз — темно-бурый кварц с золотистым отливом; 5) соколиный глаз — синеватый кварц с включениями крокидолита.
Волокнистой скрытокристаллической разностью кварца является халцедон. Название происходит от древнего города Халцедон на побережье Мраморного моря. Раньше считалось, что он не имеет полиморфного превращения при температуре 573° С. Рентгенометрические исследования показали, что структура халцедона аналогична структуре кварца. Халцедон благодаря своей тонкой дисперсности загрязняется посторонними примесями, образуя много разностей. Он встречается в виде натеков и желваков радиально-концентрического строения серого цвета (обычный халцедон). Реже встречается синеватый( сапфирин) и бледно-розовый до (красного (карнеол, или сердолик) халцедон. Зеленый халцедон называют плазмой, яблочно-зеленый — хризопразом. Кроме того, выделяют моховики — халцедоны, пронизанные хлоритом; гелиотропы — зеленые халцедоны с ярко-красными пятнами; кахчолонг — белый халцедон, являющийся переходной формой от опала к безводному халцедону. Отметим также агаты, яшмы, кремни и роговики. Агат — это полосчатая разность халцедона, грубополосчатая разность называется ониксом. Халцедон с большим количеством примесей в виде тонкорассеянного окрашенного материала носит название яшмы. Под названием роговиков выделяют окремнелые породы и халцедоновидные жильные массы скрытокристаллического кварца. Среди осадочных горных пород часто встречаются стяжения и желваки халцедона, Получившие название менилитов. Считают, что большинство халцедонов образуется путем несовершенной кристаллизации кремнекислых гелей. Это обстоятельство объясняет наличие в халцедонах следов остаточной воды и понижения их плотности и светопреломления в сравнении с кварцем (для халцедона ng = l,539, nр = 1,531, ng — nр = 0,008).
Диагностические признаки. Кварц легко узнается по характеру габитуса кристаллов, а в плотных агрегатах — по отсутствию спайности, раковистому излому и стеклянному блеску. Главные линии на рентгенограммах: 3,34; 1,813; 1,539. В кислотах не растворяется. Исключением является лишь HF, с которой кварц реагирует следующим образом:

П. п. т. не плавится.
Отличие от сходных минералов. Кварц похож на нефелин и кордиерит, от которых отличается оптическими свойствами.
Искусственное получение. Искусственно кристаллы кварца получают в автоклавах из воднощелочных растворов SiO2 при температуре 300—420° С и давлении 350—1200 атм.
Кроме того, кварц образуется при застывании кварцсодержащих расплавленных горных пород (в интервале температур 750—1000° С), а также при действии водяного пара на SiF4 при красном калении.
Образование и месторождения. Кварц может образовываться в самых разнообразных условиях. Он возникает в связи с магматическими процессами и является породообразующим минералом, ассоциирующим с другими минералами изверженных горных пород и пегматитов. Большое количество кварца образуется гидротермальным путем за счет выделения из горячих растворов. В этих случаях он является важным минералом многих рудных жил. По сравнению с другими минералами кварц характеризуется прекрасной кристаллографической индивидуальностью (как микроскопические, так и очень большие кристаллы кварца хорошо огранены). Из гигантских кристаллов следует отметить кристалл кварца, который сохраняется в Ленинградском горном музее (длина его — 90 см). На Волыни найден кристалл кварца весом в 10 т, длина которого равна 2,7 м. Наличие гигантских кристаллов кварца указывает на значительную продолжительность периода кристаллизации, а неоднородность их строения свидетельствует о том, что рост кристаллов происходил с разной степенью интенсивности. Однородность кристаллов кварца в основном зависит от концентрации растворов, которая отражается также и на габитусе. Так, согласно исследованиям А.Е. Карякина, высокотемпературные кристаллы кварца из Приполярного Урала, образовавшиеся из пересыщенных растворов, имеют, как правило, короткопризматический габитус и симметричное развитие всех граней. Низкотемпературные кристаллы, возникшие из растворов с незначительной концентрацией, имеют удлиненную обелисковидную форму и неравномерное развитие граней.
Кварц образуется также при метаморфических процессах. Распространен кварц гипергенного происхождения, выпадающий в осадочных породах из холодных растворов. Гипергенный кварц образует хорошие кристаллы. В магматических породах, иногда в пегматитах наблюдаются параморфозы кварца по кварцу (в). Кварц, возникший при температуре выше 573° С и претерпевший инверсию при охлаждении, обычно раздроблен вследствие изменения объема (при инверсии кварца объем его изменяется).
Месторождения кварца необычайно многочисленны. Среди них пользуются особой известностью месторождения Мурзинско-Алабашкинского района на Урале. Горный хрусталь, аметисты и дымчатый кварц присутствуют здесь в кварцевых жилах и пегматитах. На Северном Урале месторождения прозрачного кварца связаны с жилами альпийского типа. На Украине крупные месторождения мориона находятся в пегматитах Волыни. Месторождения прозрачных кварцев известны в Минас-Жерайс (Бразилия), где присутствуют все разности, в Альпах (все разности), на Мадагаскаре (горный хрусталь), на Цейлоне и в Бирме (аметисты). На земной поверхности кварц устойчив и переходит в россыпи.
Практическое значение. Прозрачные и полупрозрачные разности кварца используются как цветные камни. Благодаря своим пьезоэлектрическим свойствам эти разности находят применение также в радиотехнике (по данным А. Е. Карякина, пьезоэлектрический кварц некоторых месторождений характеризуется резко выраженным тригональным внешним видом, развитием граней бипирамиды и трапецоэдра и четко выраженной горизонтальной штриховкой на гранях призм и острого ромбоэдра). Непрозрачные разности кварца используются в металлургической, стекольнокерамической и в других отраслях промышленности.
Халцедон и его разности используются в ювелирном деле как абразивный материал, для изготовления агатовых ступок, а также точных лабораторных приборов.
Тридимит — SiO2. Название минерала происходит от греческого слова тридимос — тройной (встречается в виде тройников — см. рис. 197). Различают две модификации тридимита: низкотемпературную ромбической сингонии и высокотемпературную гексагональной сингонии. Тридимит со временем переходит в кварц; тридимит наблюдается в виде кристаллов псевдогексагонального габитуса (рис. 197), белого и серовато-белого цвета; иногда встречается бесцветный. Основные физические свойства тридимита приведены в табл. 64.

Образование и месторождения. Тридимит встречается главным образом в пустотах кислых эффузивных пород: в Сан-Кристобале в Мексике, на Везувии и в других местах. Он известен также в дацитах и андезитах Закарпатья.
Кристобалит — SiO2. Кристобалит получил название по местности Сан-Кристобаль в Мексике. Встречается он в виде двух полиморфных модификаций: низкотемпературная модификация, тетрагональная или псевдокубическая сингония и высокотемпературная модификация, кубическая сингония. Высокотемпературный кристобалит обычно образует кристаллы октаэдрического габитуса (см. рис. 197). Цвет кристобалита белый, блеск стеклянный. Другие физические свойства этого минерала приведены в табл. 64. Встречается кристобалит вместе с тридимитом в эффузивных породах, в частности в андезитах Сан-Кристобаля в Мексике, в Рейнланде в ФРГ, в Западной Грузии и в вулканических породах Закарпатья.
Опал — SiO2*nH2O. Полагают что название опала происходит от санскритского слова «упала» — драгоценный камень, или самоцвет. Рентгеноструктурные исследования и исследования методом инфракрасной спектроскопии показывают, что опал является аморфизированной смесью кварца и тридимита с большим содержанием молекулярной воды. Количество воды, которая определяется анализом, колеблется от 0,4 до 28%. Кроме того, присутствуют MgO, CaO, Al2O3, Fe2O3, а также FeO, Na2O, K2O. Опал имеет большое количество разностей, основными среди которых являются благородный (драгоценный) опал с красивой игрой цветов благодаря опалесценции; гидрофан — пористый и мутный в сухом состоянии, прозрачный в воде опал; гиалит — опал, прозрачный, как стекло, в виде бесцветных корок и натечных масс. Кроме того, выделяют обычный опал, не имеющий опалесценции и непрозрачный. Среди обычных опалов по цвету различают: молочный, восковой и т. д. К опалам органического происхождения относят трепел и диатомит.
Агрегаты. Обычно опал наблюдается в виде натечных почковидных образований, сталактитов, а также сплошных или землистых скоплений и плотных, похожих на стекло масс. Часто отмечаются псевдоморфозы опала по органическим остаткам (например, по дереву, раковинам моллюсков и т. д.).
Физические свойства. Цвет опала преимущественно белый, серый, но может быть разнообразным в зависимости от примесей. Блеск главным образом стеклянный. Твердость — 5,5—6,5. Плотность — 1,9—2,3. Показатель преломления — 1,40—1,46. П. п. т. выделяет воду, иногда краснеет. На кривых нагревания опала отмечается эндотермический эффект при температуре около 130° С и экзотермический эффект при температуре около 640° С. Первый связан с выделением воды, а второй — с раскристаллизацией.
Образование и месторождения. Опал выделяется из водных растворов — как горячих (например, в гейзерах Исландии и Йеллоустонского парка в США), так и холодных — за счет разрушения разных кремнеземистых соединений. Большую роль в образовании опала играет жизнедеятельность организмов (например, радиолярий, губок, диатомовых водорослей), после отмирания которых образуются пористые слои опала (трепел, кизельгур). Co временем опал переходит в халцедон, а потом в кварц. Опаловые осадочные породы известны в ряде мест европейской части России — Ульяновской, Саратовской, Курской областях, в Днепровско-Донецкой впадине. Месторождения опала имеются на Камчатке, во многих местах Украинской кристаллической полосы, в Закарпатье, в Исландии, США, Венгрии, в Италии и Триполи.