Кварц - SiO2

Кристаллография. Кварц, триг. с.; 32. Высокотемпературный кварц, гекс. с.; 622. Кристаллы обычно призматические, на призматических гранях — горизонтальная штриховка. Головки кристаллов представляют собой, как правило, комбинацию положительного и отрицательного ромбоэдров, которые часто развиты настолько равномерно, что производят впечатление гексагональной бипирамиды (рис. 10.70, а). В некоторых кристаллах один из ромбоэдров преобладает или является единственным (см. рис. 10.70, б). Грани призмы могут отсутствовать, а комбинация двух ромбоэдров дает форму, похожую на гексагональную дипирамиду (кварцоид) (см. рис. 10.70, в). Форма некоторых кристаллов искажена, однако правильной их ориентировке способствует нахождение граней призмы, имеющих горизонтальную штриховку. Иногда удается наблюдать грани тригонального трапецоэдра х, что также позволяет установить истинную симметрию. Они располагаются в верхнем правом углу каждой второй призматической грани в правостороннем кварце и в верхнем левом углу каждой второй призматической грани в левостороннем кварце (см. рис. 10.70, г и д). Право- и левосторонние тригональные трапецоэдры являются энантиоморфными формами и отражают расположение тетраэдров SiO4 либо в форме правовращающего, либо в форме левовращающего винта (см. пространственные группы). При отсутствии граней х принадлежность к той или иной форме можно установить, наблюдая направление вращения плоскополяризованного света, проходящего параллельно оси с (вправо или влево).

Кристаллы могут быть удлинены в виде конусообразно сходящихся или остроконечных форм, а некоторые оказываются скрученными или изогнутыми. Изометричные кристаллы с явно выраженной 6-ной симметрией (см. рис. 10.70, а, в) характерны для высокотемпературного кварца, однако такого же габитуса бывают кристаллы низкотемпературной формы. Большинство кварцев сдвойниковано по одному или по обоим законам двойникования. Это дофинейский закон, когда двойниковой осью является ось с, и бразильский, при котором плоскостью двойникования является грань {1120}. Оба типа двойников — это двойники прорастания, и внешние признаки сдвойникованности видны редко.

Размер кристаллов изменяется от индивидов, весящих несколько тонн, до мелкокристаллических налетов, образующих «друзовые» поверхности. Очень распространены также массивные агрегаты, характеризующиеся большим разнообразием — от грубо до тонкозернистых, кремнеподобных и скрытокристаллических — и имеющие множество различных названий (см. ниже). Бывает в виде конкреций.

Физические свойства. Tв. 7. Уд. вес 2,65. Излом раковистый. Блеск стеклянный, в некоторых образцах жирный, очень яркий. Обычно бесцветен или белый, однако часто окрашен примесями и может быть любого цвета. Прозрачен до просвечивающего. Обладает ярко выраженными пьезоэлектрическими и пироэлектрическими свойствами. Оптически положительный; No = 1,544; Ne = 1,553.

Состав и структура. В отличие от многих других минералов, кварц — почти чистое химическое соединение с постоянными физическими свойствами, содержащее 46,7 % Si и 53,3 % О. Структура низкотемпературного (α) кварца, имеющего одну из двух энантиоморфных пространственных групп, Р3121 или Р3221. При 573 °C и атмосферном давлении эта структура мгновенно преобразуется в высокотемпературный (β) кварц, имеющий гексагональную симметрию и одну из двух энантиоморфных пространственных групп, Р6222 или Р6422. Превращение низкотемпературного кварца в высокотемпературный происходит при незначительном перемещении атомов без разрыва Si—О связей. При охлаждении высокотемпературной модификации кварца до температуры меньшей, чем точка инверсии (573 °С) возможно образование двойников по дофинейскому закону.

Диагностические признаки. Характеризуется стеклянным блеском, раковистым изломом и формой кристаллов. От кальцита отличается более высокой твердостью, а от белых разностей берилла — более низкой твердостью. Неплавок. Нерастворим в кислотах (за исключением плавиковой).

Разновидности. Существует множество различных форм кварца, имеющих самые разные названия. Ниже дано краткое описание самых важных разновидностей.

Kpyпнокристаллические разности

Горный хрусталь. Бесцветный кварц, образующий отчетливые кристаллы.

Аметист. Кварц, окрашенный в различные оттенки фиолетового цвета, часто в виде кристаллов. Цвет обусловлен, по всей вероятности, незначительными примесями Fe3+.

Розовый кварц.

Крупнокристаллический, однако обычно не имеющий кристаллических форм, розового либо розовато-красного цвета. Часто обесцвечивается под воздействием света. Причиной окрашивания являются незначительные примеси Ti4+.

Дымчатый кварц; кейрнгорм. Часто встречается в виде кристаллов; цвет дымчато-желтый и коричневый до почти черного.

Название происходит от местности Кейрнгорм в Шотландии. Сравнение спектральных анализов дымчатого и бесцветного кварца не показало никакой доминирующей примеси в первом. Темный цвет приписывается свободному кремнию, образованному в результате радиоактивного облучения.

Цитрин. Светло-желтый, напоминающий по цвету топаз.

Молочный кварц. Молочно-белый, благодаря мельчайшим жидким включениям. Некоторые образцы имеют жирный блеск.

Кварц может содержать параллельные волокнистые включения, придающие минералу характерный отлив. Такой кварц, называемый кошачьим глазом, обрабатывают в виде кабошонов. Тигровым глазом называют желтую волокнистую псевдоморфозу кварца по волокнистому амфиболу кроки-долиту. Эта разность также имеет характерный отлив.

Кварц с включениями. Многие минералы встречаются в виде включений в кварце и дают ему много различных названий. Это «волосатик» — кварц, содержащий тончайшие иголочки пронизывающего его рутила (рис. 10.71). Таким же образом в кварце содержатся турмалин и другие минералы. Разность кварца — авантюрин содержит блестящие чешуйки окрашенных минералов, таких как гематит (красный) или хромовая слюда (зеленый) и используется для украшений. Включениями могут быть жидкости и газы; в некоторых кварцах содержится углекислый газ, как в твердом, так и в газообразном состоянии.

Mикрокристаллические разности

В зависимости от текстурных особенностей микрокристаллические разности кварца подразделяются на два типа: волокнистые и зернистые. Макроскопически различить их трудно.

А. Волокнистые разности

Для волокнистых разностей применяется общий термин халцедон. Более узко он употребляется для обозначения коричневых и серых полупрозрачных разностей с восковым блеском, имеющих каплевидную или другие натечные формы. Халцедон отлагался из водных растворов, и его часто находят выстилающим или выполняющим пустоты в породах. В зависимости от цвета и полосчатости различают следующие его разности.

Карнеол, красный халцедон, переходящий в коричневый сард.

Хризопраз — яблочно-зеленый халцедон, содержащий окись никеля.

Агат — разность с чередующимися слоями халцедона, имеющими различную окраску и пористость. Цвета обычно распределены в виде тончайших параллельных полосок, обычно искривленных, в некоторых образцах концентрических (рис. 10.72). Большинство агатов, используемых для коммерческих целей, окрашивается искусственно. Некоторые агаты имеют различные окраски, распределенные не в виде полосок, а неравномерно. Моховой агат представляет собой разность, изменение цвета которой обусловлено макроскопически видимыми примесями, обычно окислами марганца, образующими похожие на мох включения.

При замещении древесины дымчатым агатом образуется окаменелое дерево.

Оникс, как и агат, представляет собой слоистый хальцедон, в котором слои располагаются в виде параллельных плоскостей. Сардоникс представляет собой оникс, в котором слои сарда чередуются с белыми или черными слоями.

Гелиотроп — зеленый халцедон с мелкими вкрапленниками красной яшмы.

Б. Зернистые разности

Кремень и шифер похожи друг на друга, так что резкого различия между ними нет. Темные кремнистые стяжения, обычно находимые среди мела, называют кремнями, а более светлые слоистые залежи — шифером.

Яшмой называют зернистый микрокристаллический кварц, имеющий тусклый блеск и, как правило, красный цвет, за счет включений гематита. Празем имеет тускло-зеленый цвет, в остальном он похож на яшму и встречается вместе с ней.

Нахождение. Кварц — широко распространенный и в изобилии встречающийся минерал в самых различных геологических образованиях. Он содержится во многих изверженных и метаморфических породах и является главной составной частью гранитных пегматитов. Это самый распространенный жильный минерал в рудных гидротермальных жилах и единственный минерал множества собственно кварцевых жил. В форме кремня и шифера кварц отлагается на дне моря одновременно с вмещающей породой; слои шифера могут образоваться также в результате замещения известняков при прохождении через них кремнеземистых растворов. При разрушении кварцсодержащих пород кварц в силу своей механической и химической устойчивости сохраняется в виде зерен детрита и накапливается в виде песка. Песчаник и его метаморфический эквивалент, кварцит, может состоять преимущественно из кварца.

Широко распространен горный хрусталь, причем наиболее знамениты его находками Альпы, месторождение Минас-Жерайс в Бразилии, Демократическая Республика Мадагаскар и Япония. В США лучшие кристаллы найдены в Хот Спрингс (штат Арканзас), Литл Фолс и Эленвиль (штат Нью-Йорк). Значительные находки аметистов известны на Урале, в Чехословакии, Тироле, Замбии и Бразилии. Найден вблизи Сандер Бей, на северном побережье озера Верхнее. В США найден в округах Делавар и Честер (штат Пенсильвания), в округе Оксфорд (штат Мэн), в Блэк-Хилс (штат Южная Дакота) и в штате Вайоминг. Крупные красивые кристаллы дымчатого кварца найдены в Швейцарии, а в США они есть в районе Пайке Пик (штаг Колорадо), округах Александер (штат Северная Каролина) и Оксфорд (штат Мэн).

Главными районами добычи агатов в настоящее время являются южная Бразилия и северный Уругвай. Большинство из них обрабатывается в Идар-Оберштейне (ФРГ), являющемся также знаменитым районом добычи агатов. В США агаты найдены в многочисленных местах, особенно в штатах Орегон и Вайоминг. Меловые холмы вблизи Дувра в Англии знамениты стяжениями кремней, обнажающимися в них при выветривании. Похожие отложения находят и на французском побережье Ла-Манша, а также на островах у побережья Дании. Массивный кварц, встречающийся в виде жил или образующий вместе с полевым пшатом пегматитовые тела, добывается в штатах Коннектикут, Нью-Йорк, Мериленд и Висконсин для различных целей.

Применение. Области применения кварца чрезвычайно разнообразны. Такие его разности, как аметист, розовый кварц, раухтопаз, тигровый глаз, авантюрин, карнеол, агат и оникс широко применяются как поделочные и декоративные камни. Кварцевый песок применяется в качестве наполнителя цементов, бетона, как флюс, абразив и сырье для получения стекла и силикатного кирпича. В измельченном до состояния пудры виде он используется для изготовления фарфора, красок, меловой бумаги, специальных сортов мыла и как наполнитель древесины. Кварцит и песчаник используются как строительные и дорожные камни.

Кварц широко используется в научном оборудовании. В связи с его прозрачностью в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра он используется для изготовления линз и призм в оптических приборах. Оптическая активность кварца (способность его к вращению плоскости поляризации света) используется для изготовления монохроматоров — приборов, в которых мы получаем монохроматический свет различных длин волн. Кварцевые клинья, вырезаемые из прозрачных кристаллов, используются как дополнительные приспособления к поляризационному микроскопу. Благодаря своим пьезоэлектрическим свойствам кварц имеет специальные области применения. Из него вырезают маленькие ориентированные пластинки и используют как радиоосцилляторы, с помощью которых возможны как передача, так и прием на заданной частоте. Миниатюрная кварцевая пластинка, используемая в цифровых кварцевых часах, выполняет ту же функцию, что и кварцевые осцилляторы, предназначенные для контроля радиочастот. Это свойство позволяет использовать его и как датчик для измерения мгновенно возникающих высоких давлений, таких, например, как при выстреле из ружья или атомном взрыве.

Искусственное получение. С 1947 г. значительная доля кварца, используемого для оптических и пьезоэлектрических целей, выращивается искусственно гидротермальным способом. Позднее для ограночных целей был синтезирован желтый, коричневый, голубой и фиолетовый кварц.

Название. Происходит от древнегерманского слова.

Родственные виды. Лешательерпт SiO2 представляет собой плавленный кремнезем или кварцевое стекло. Найден в фульгуритах, представляющих собой стяжения расплавленного песка в местах удара молнии, а также в некоторых лавовых пустотах. Найден также в Аризонском метеоритном кратере, в котором плавление песчаника произошло в результате выделения тепла при ударе метеорита.