Введение

Минерал, состоящий из кремния и кислорода, – минерал кварц – это твердый кристаллический минерал, состоящий из диоксида кремния (кремния). Атомы связаны в непрерывную структуру тетраэдров SiO4, состоящих из кремния и кислорода, при этом каждый атом кислорода разделяется между двумя тетраэдрами, что дает общую химическую формулу SiO2. Таким образом, кварц классифицируется по структуре как каркасный силикат, а по составу – как оксид. Кварц является вторым по распространенности минералом в континентальной коре Земли после полевого шпата. Кварц существует в двух формах: обычной α-кварце и высокотемпературной β-кварце, обе из которых являются хиральными. Переход из α-кварца в β-кварц происходит резко при 573 °C. Поскольку этот переход сопровождается значительным изменением объема, он может легко вызывать микротрещины в керамике или горных породах, проходящих через этот температурный порог. Существует множество различных разновидностей кварца, некоторые из которых классифицируются как драгоценные камни. С древних времен разновидности кварца наиболее часто использовались для изготовления ювелирных изделий и резьбы по твердым породам, особенно в Европе и Азии. Кварц – это минерал, определяющий значение 7 по шкале Мооса, качественный метод определения твердости материала устойчивостью к царапинам.

Этимология

Слово "кварц" происходит от немецкого слова Quarz, которое имело ту же форму в первой половине 14 века в средневерхненемецком и восточно-центральногерманском языках и восходит к польскому диалектному термину kwardy, соответствующему чешскому термину tvrdý ("твердый"). Однако некоторые источники связывают происхождение слова с саксонским словом Querkluftertz, означающим "жила с поперечным изломом". Древние греки называли кварц κρύσταλλος (krustallos), происходящим от древнегреческого κρύος (kruos), что означает "ледяной", поскольку некоторые философы (включая Теофраста) считали этот минерал формой переохлажденного льда. В настоящее время термин "горный хрусталь" иногда используется как альтернативное название для прозрачного крупнокристаллического кварца.

Ранние исследования

Римский натуралист Плиний Старший полагал, что кварц – это замерзшая вода, навечно скованная льдом после огромного промежутка времени. Он подкреплял эту идею тем, что кварц встречается вблизи ледников в Альпах, но не на вулканических горах, и что из крупных кристаллов кварца вытачивали сферы для охлаждения рук. Эта точка зрения сохранялась как минимум до XVII века. Он также был знаком со способностью кварца разлагать свет на спектр. В XVII веке исследования кварца, проведенные Николасом Стено, заложили основы современной кристаллографии. Он обнаружил, что вне зависимости от размера и формы кварцевого кристалла, его длинные грани призмы всегда соединяются под идеальным углом в 60°.

Привычка и структура кристаллов

Кварц относится к тригональной кристаллической системе при комнатной температуре и к гексагональной кристаллической системе при более высоких температурах. Идеальная кристаллическая форма – шестигранная призма, завершающаяся шестигранными пирамидальными ромбоэдрами на каждом конце. В природе кристаллы кварца часто встречаются двойниковыми (состоящими из право- и левозакрученных кристаллов кварца), искаженными или настолько срослись с соседними кристаллами кварца или другими минералами, что демонстрируют лишь часть этой формы, либо вовсе лишены отчетливых граней и выглядят массивными. Хорошо сформированные кристаллы обычно образуют друзы (слой кристаллов, выстилающий полость), ярким примером которых являются кварцевые геоды. Кристаллы прикреплены одним концом к вмещающей породе, и присутствует только одна терминальная пирамида. Однако двойные кристаллы встречаются, когда они растут свободно, без прикрепления, например, в гипсе. α-кварц кристаллизуется в тригональной кристаллической системе, пространственной группе P3121 или P3221 (пространственные группы 152 или 154 соответственно), в зависимости от хиральности. При повышении температуры α-кварц в P3121 переходит в более симметричную гексагональную P6422 (пространственная группа 181), а α-кварц в P3221 – в пространственную группу P6222 (№ 180). Эти пространственные группы являются истинно хиральными (каждая из них принадлежит к 11 энантиоморфным парам). Как α-кварц, так и β-кварц являются примерами хиральных кристаллических структур, состоящих из ахиральных строительных блоков (в данном случае – тетраэдров SiO4). Преобразование между α- и β-кварцем включает лишь сравнительно небольшое вращение тетраэдров относительно друг друга, без изменения способа их соединения. Однако при этом переходе происходит значительное изменение объема, что может приводить к существенному микротрекированию керамики и горных пород земной коры.

Разновидности (в зависимости от микроструктуры)

Хотя многие из названий разновидностей исторически происходили от цвета минерала, современные научные схемы наименования в первую очередь основываются на микроструктуре минерала. Цвет является вторичным признаком для криптокристаллических минералов, в то время как для макрокристаллических разновидностей он является основным. + Основные разновидности кварца Тип Цвет и описание Прозрачность Геркимерский алмаз Бесцветный Прозрачный Горный хрусталь Бесцветный Прозрачный Аметист От пурпурного до фиолетового кварц Прозрачный Цитрин Желтый кварц, варьирующийся от красновато-оранжевого до коричневого (кварц Мадера) и иногда зеленовато-желтый Прозрачный Аметрин Смесь аметиста и цитрина с оттенками фиолетового/лилового и желтого или оранжевого/коричневого Прозрачный Розовый кварц Розовый, может проявлять диастеризм Прозрачный Халцедон Волокнистый, различной степени прозрачности, криптокристаллический кварц, встречающийся во многих разновидностях. Термин часто используется для белого, мутного или светлоокрашенного материала, сраставшегося с моганитом. В противном случае используются более конкретные названия. Карнеол Красновато-оранжевый халцедон Полупрозрачный Авентуриновый кварц Кварц с крошечными выровненными включениями (обычно слюды), которые мерцают авантюресценцией Полупрозрачный до непрозрачного Агат Многоцветный, изогнутый или концентрически полосатый халцедон (см. Оникс) Полупрозрачный до прозрачного Оникс Многоцветный, прямополосатый халцедон или херт (см. Агат) Полупрозрачный до непрозрачного Яшма Непрозрачный криптокристаллический кварц, обычно красного до коричневого цвета, но часто используемый для других цветов Непрозрачный Молочный кварц Белый, может проявлять диастеризм Полупрозрачный до непрозрачного Дымчатый кварц От светло-серого до темно-серого, иногда с коричневатым оттенком Полупрозрачный до непрозрачного Тигровый глаз Волокнистый золотистый, красно-коричневый или синеватый халцедон, проявляющий чатоянство Празиолит Зеленый Прозрачный Рутиловый кварц Содержит игольчатые включения рутила Кварц думортьерита Содержит большое количество синих кристаллов думортьерита Полупрозрачный Праз Зеленый Полупрозрачный

Сорты (по цвету)

Чистый кварц, традиционно называемый горным хрусталем или прозрачным кварцем, бесцветен и прозрачен или полупрозрачен и часто использовался для резьбы по твердым породам, таким как Лотарский кристалл. К распространенным цветным разновидностям относятся цитрин, розовый кварц, аметист, дымчатый кварц, молочный кварц и другие. Эти различия в цвете обусловлены наличием примесей, которые изменяют молекулярные орбитали, вызывая некоторые электронные переходы в видимом спектре и, следовательно, появление цвета. Наиболее важное различие между типами кварца заключается в том, что они бывают макрокристаллическими (отдельные кристаллы, видимые невооруженным глазом) и микрокристаллическими или криптокристаллическими (агрегаты кристаллов, видимые только под большим увеличением). Криптокристаллические разновидности либо полупрозрачны, либо преимущественно непрозрачны, в то время как прозрачные разновидности, как правило, макрокристаллические. Халцедон — криптокристаллическая форма диоксида кремния, состоящая из тонких переплетений кварца и его моноклинного полиморфа моганита. Другими непрозрачными разновидностями кварца или смешанными породами, содержащими кварц, часто с контрастными полосами или цветными узорами, являются агат, сердолик или сард, оникс, гелиотроп и яшма.

Аметист

Аметист — это разновидность кварца, цвет которого варьируется от яркого насыщенного фиолетового до тёмного или тусклого лавандового оттенка. Крупнейшие в мире месторождения аметистов находятся в Бразилии, Мексике, Уругвае, России, Франции, Намибии и Марокко. Иногда аметист и цитрин встречаются, растущими в одном и том же кристалле. Такой минерал называют аметрином. Свой цвет аметист приобретает благодаря примесям железа в его структуре.

Синий кварц

Синий кварц содержит включения волокнистого магниевого рибеккита или кроцидолита.

Куварц думортиеритный

Включения минерала думортиерита в образцах кварца часто проявляются как шелковистые пятна с голубым оттенком. Иногда также встречаются оттенки фиолетового или серого цвета. "Кварц с думортиеритом" (иногда называемый "голубым кварцем") может демонстрировать контрастные светлые и темные цветовые зоны по всему объему материала. "Голубой кварц" является второстепенным драгоценным камнем.

Цитрины

Цитрин – это разновидность кварца, цвет которого варьируется от бледно-желтого до коричневого из-за субмикроскопического распределения коллоидных примесей гидроксида железа(III). Натуральные цитрины редки; большинство коммерческих цитринов получают путем термической обработки аметистов или дымчатого кварца. Однако, термически обработанный аметист имеет небольшие линии в кристалле, в отличие от мутного или дымчатого вида натурального цитрина. Визуально практически невозможно отличить ограненный цитрин от желтого топаза, но они различаются по твердости. Бразилия является ведущим производителем цитрина, при этом большая часть добычи приходится на штат Рио-Гранде-ду-Сул. Название происходит от латинского слова *citrina*, что означает «желтый», и также является источником слова «цитрон». Иногда цитрин и аметист можно встретить вместе в одном кристалле, который в таком случае называют аметрином. Цитрин известен как «камень торговца» или «камень денег» из-за суеверия, что он приносит процветание. Впервые цитрин оценили как золотисто-желтый драгоценный камень в Греции между 300 и 150 годами до нашей эры, в эпоху эллинизма. До этого желтый кварц использовался для украшения ювелирных изделий и инструментов, но не пользовался особым спросом.

Млечный кварц

Млечный кварц или молочный кварц — наиболее распространенная разновидность кристаллического кварца. Белый цвет обусловлен мельчайшими флюидными включениями газа, жидкости или их сочетания, захваченными в процессе формирования кристалла, что снижает его ценность для оптических целей и изготовления качественных ювелирных камней.

Розовый кварц

Розовый кварц — это разновидность кварца, демонстрирующая бледно-розовый до розово-красный цвет. Обычно считается, что цвет обусловлен незначительными количествами титана, железа или марганца в составе материала. Некоторые образцы розового кварца содержат микроскопические иглы рутила, вызывающие астеризм при прохождении света. Недавние исследования методом рентгеноструктурного анализа предполагают, что цвет вызван тонкими микроскопическими волокнами, возможно, думортиерита, внутри кварца. Кроме того, существует редкая разновидность розового кварца (также часто называемая кристаллическим розовым кварцем), цвет которой, как полагают, обусловлен следовыми количествами фосфата или алюминия. Цвет в кристаллах, по-видимому, светочувствителен и подвержен выцветанию. Первые кристаллы были обнаружены в пегматите вблизи Рамфорда, штат Мэн, США, и в Минас-Жерайсе, Бразилия. Обнаруженные кристаллы более прозрачны и имеют выраженную огранку, что связано с примесями фосфата и алюминия, сформировавшими кристаллический розовый кварц, в отличие от железа и микроскопических волокон думортиерита, сформировавших обычный розовый кварц.

Кукарный кварц

Дымчатый кварц – это серый, полупрозрачный вид кварца. Он варьируется по степени прозрачности от почти полной прозрачности до коричневато-серого кристалла, почти непрозрачного. Некоторые образцы могут быть и чёрными. Полупрозрачность обусловлена естественной радиацией, воздействующей на незначительные примеси алюминия в кристаллической структуре.

Проссе

Праз - это зелёный вид кварца. Зелёный цвет обусловлен включениями амфибола.

Празиолит

Празиолит, также известный как вермарин, — это разновидность кварца зелёного цвета. Зелёный цвет обусловлен ионами железа. Пьезоэлектрические свойства кварца были открыты Жаком и Пьером Кюри в 1880 году.

Возникновение

Кварц является определяющим компонентом гранита и других фельзитовых магматических пород. Он широко распространен в осадочных породах, таких как песчаник и сланец. Кварц – обычный компонент сланцев, гнейса, кварцита и других метаморфических пород. Кварц обладает наименьшей устойчивостью к выветриванию в ряду растворения Голдиха и, следовательно, часто встречается как остаточный минерал в речных отложениях и почвах выветривания. Как правило, высокое содержание кварца указывает на "зрелость" породы, поскольку свидетельствует о ее интенсивной переработке и о том, что кварц был основным минералом, сохранившимся после сильного выветривания. Хотя большая часть кварца кристаллизуется из расплавленной магмы, он также химически осаждается из горячих гидротермальных жил в виде пустой породы, иногда вместе с рудными минералами, такими как золото, серебро и медь. Крупные кристаллы кварца встречаются в магматических пегматитах. Хорошо сформированные кристаллы могут достигать нескольких метров в длину и весить сотни килограммов. Самый крупный задокументированный монокристалл кварца был найден вблизи Итапоре, штат Гойас, Бразилия; его размеры составляли приблизительно и вес превышал .

Добыча полезных ископаемых

Кварц добывают в карьерах. Горняки иногда применяют взрывчатые вещества для обнажения глубоко залегающих скоплений кварца. Чаще же используют бульдозеры и экскаваторы для удаления почвы и глины и вскрытия кварцевых жил, которые затем разрабатывают вручную. Следует соблюдать осторожность, чтобы избежать резких перепадов температуры, способных повредить кристаллы.

Связанные минералы кремния

Тридимит и кристобалит — высокотемпературные полиморфы SiO2, встречающиеся в вулканических породах, богатых кремнезёмом. Коэзит — более плотный полиморф SiO2, обнаруженный в некоторых местах падения метеоритов и в метаморфических породах, образовавшихся при давлениях, превышающих типичные для земной коры. Стишовит — ещё более плотный и образующийся при более высоких давлениях полиморф SiO2, найденный в некоторых местах падения метеоритов. Моганит — моноклинный полиморф. Лехателиерит — аморфное кремнеземное стекло SiO2, образующееся при ударах молнии в кварцевый песок.

Безопасность

Поскольку кварц является формой диоксида кремния, он может представлять опасность на различных рабочих местах. Резка, шлифовка, скалывание, шлифование, сверление и полировка натурального и искусственного камня могут приводить к выбросу в воздух, которым дышат работники, опасных уровней очень мелких, кристаллических частиц пыли диоксида кремния. Кристаллический диоксид кремния вдыхаемого размера признан канцерогеном для человека и может вызывать другие заболевания легких, такие как силикоз и фиброз легких.

Синтетические и искусственные методы обработки

Не все разновидности кварца образуются естественным путем. Некоторые прозрачные кристаллы кварца могут подвергаться обработке нагревом или гамма-излучением для придания цвета, который не возник бы в природе. Восприимчивость к такой обработке зависит от месторождения кварца. Празиолит, имеющий оливковый цвет, получают путем термической обработки; природный празиолит также встречается в Нижней Силезии, Польша. Хотя цитрин встречается в природе, большая его часть получается в результате нагрева аметиста или дымчатого кварца. Поскольку природный кварц часто двойниковый, для использования в промышленности производят синтетический кварц. Крупные, безупречные монокристаллы синтезируют в автоклаве гидротермальным способом. Как и другие кристаллы, кварц может быть покрыт металлическими парами для придания ему привлекательного блеска.

Применение

Кварц является наиболее распространенным материалом, идентифицированным как мистическое вещество мабан в австралийской мифологии аборигенов. Он регулярно встречается на кладбищах в Европе в контексте захоронений, таких как Ньюгрейндж или Карроумор в Ирландии. Кварц также использовался в доисторической Ирландии, а также во многих других странах для изготовления каменных орудий; как прожилковый кварц, так и горный хрусталь подвергались сколу как часть литической технологии доисторических народов. В то время как нефрит с древнейших времен был самым ценным полудрагоценным камнем для резьбы в Восточной Азии и доколумбовой Америке, в Европе и на Ближнем Востоке различные сорта кварца были наиболее часто используемыми для различных видов ювелирных изделий и резьбы из твердого камня, включая выгравированные драгоценные камни и камеи, вазы из горного хрусталя и роскошные сосуды. Эта традиция продолжала производить предметы, которые высоко ценились до середины XIX века, когда она в значительной степени вышла из моды, за исключением ювелирных изделий. Техника камеи использует полосы цвета в ониксе и других сортах. Усилия по синтезу кварца начались в середине XIX века, когда ученые пытались создать минералы в лабораторных условиях, имитирующие условия их образования в природе: немецкий геолог Карл Эмиль фон Шафхаутль (1803–1890) был первым, кто синтезировал кварц, создав в 1845 году микроскопические кристаллы кварца в автоклаве. Однако качество и размер кристаллов, полученных в результате этих ранних попыток, были невысокими. Включение примесей сильно влияет на возможность обработки и использования кварца. Природные кристаллы кварца чрезвычайно высокой чистоты, необходимые для тиглей и другого оборудования, используемого для выращивания кремниевых пластин в полупроводниковой промышленности, дороги и редки. Эти высокочистые кварцы определяются как содержащие менее 50 ppm примесных элементов. Основным месторождением высокочистого кварца является рудник Спрус Пайн в Спрус Пайн, Северная Каролина, США. Кварц также можно найти на пике Кальдовейро в Астурии, Испания. К 1930-м годам электронная промышленность стала зависимой от кварцевых кристаллов. Единственным источником подходящих кристаллов была Бразилия; однако Вторая мировая война нарушила поставки из Бразилии, поэтому страны попытались синтезировать кварц в промышленных масштабах. Немецкий минералог Рихард Наккен (1884–1971) добился определенных успехов в 1930-х и 1940-х годах. После войны многие лаборатории пытались вырастить крупные кварцевые кристаллы. В Соединенных Штатах Сигнальный корпус армии США заключил контракт с Bell Laboratories и Brush Development Company из Кливленда, штат Огайо, на синтез кристаллов, следуя примеру Наккена. (До Второй мировой войны Brush Development производила пьезоэлектрические кристаллы для проигрывателей.) К 1948 году Brush Development вырастила кристаллы диаметром 3,8 см, самые крупные на тот момент. К 1950-м годам методы гидротермального синтеза производили синтетические кварцевые кристаллы в промышленных масштабах, и сегодня практически весь кварцевый кристалл, используемый в современной электронной промышленности, является синтетическим. Джордж Вашингтон Пирс разработал и запатентовал кварцевые кристаллические генераторы в 1923 году. Кварцевые часы – это знакомое устройство, использующее этот минерал. Уоррен Маррисон создал первые кварцевые генераторные часы на основе работ Кейди и Пирса в 1927 году. Резонансная частота кварцевого кристаллического генератора изменяется при механической нагрузке, и этот принцип используется для очень точных измерений малых изменений массы в кварцевом микровесе и в мониторах толщины тонких пленок. Почти весь промышленный спрос на кварцевый кристалл (используемый главным образом в электронике) удовлетворяется синтетическим кварцем, полученным гидротермальным способом. Однако синтетические кристаллы менее ценятся для использования в качестве драгоценных камней. Популярность кристаллотерапии увеличила спрос на природные кварцевые кристаллы, которые в настоящее время часто добываются в развивающихся странах с использованием примитивных методов добычи, иногда с использованием детского труда.