книги из ГПНТБ / Шафрановский И.И. Очерки по минералогической кристаллографии

I

ОЧЕРКИ

кристаллографии

УДК 549.01

4 *

A o t f O

Шафрановскпй И. И. Очерки по минералогиче­ ской кристаллографии. Л ., «Недра», 1974. 152 с. (М-во высш. и среди, спец, образования РСФСР. Лен. ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамепн горн, ип-т им. Г. В. Плеханова).

Минералогическая кристаллография — паука, изучающая кристалломорфологию, внутреннее стро­ ение п особенности формирования минеральных инди­ видов и их срастаний. «Очерки» прослеживают исто­ рию развития этой науки, рассказывают о ее теорети­ ческом и практическом значении и о наиболее перспек­ тивных направлениях.

Книга рассчитана на широкие круги минералогов, кристаллографов, петрографов, геохимиков, геоло­ гов, а также на студентов, аспирантов п преподавате­ лей соответствующих специальностей.

Таблиц 9, иллюстраций 40, список литературы — 223 пазв.

© Издательство «Недра», 1974

Л освящается 200-летию Ленинградского горного института,

в стенах которого развивалась мппоралогическая кристаллография, связанная с именами наших учителей

ПРЕДИСЛОВИЕ

Наука сегодняшнего дня переживает своеобразный момент раз­ вития: параллельно с зарождением все новых и новых ее ветвей происходит исчезновение многочисленных перегородок между от­ дельными отраслями знания, которые, сливаясь и взаимно обогащая друг друга, дают начало новым обобщенным направлениям. В ре­ зультате возникают так называемые «стыковые», или «промежуточ­ ные», дисциплины, зародившиеся на границах двух или нескольких наук. Таковы, например, геохимия, геофизика, биогеохимня и др. Среди этих новорожденных «гибридных» научных дисциплин особня­ ком стоит минералогическая кристаллография. С одной стороны, являясь промежуточным звеном между минералогией и кристалло­ графией, она явно должна занять место среди молодых «стыковых» наук. С другой стороны, ее следы можно обнаружить уже в самых первых трактатах по минералогии — одной из древнейших отраслей человеческого знания. Эта двойственность накладывает особый отпечаток на сущность минералогической кристаллографии.

В течение длительного времени, вплоть до нашего столетия, минералогия была теснейшим образом сплетена с кристаллогра­ фией. Собранный за этот период богатейший фактический материал и полученные теоретические обобщения вошли в золотой научный фонд. Бурное развитие новейшей физики временно разорвало старо­ давнюю связь между наукой о природном камне и наукой о кристал­ лах, которая присоединилась к физико-химическим дисциплинам.

Блестящие достижения рентгенометрии кристаллов, структурной кристаллографии, кристаллохимии, физики твердого тела надолго заслонили интересы минералогической кристаллографии. .Однако такое положение не было нормальным. В дальнейшем запросы прак­ тики, разработка месторождений ценнейших кристаллических полез­ ных ископаемых, технология выращивания монокристаллов — ана­ логов природных минералов, постановка проблем генетической минералогии (и в особенности ее нового раздела — онтогении мине­ ралов) возродили минералогическую кристаллографию как науку. Подкрепленная новой теорией и методикой, вооруженная современ­ ной аппаратурой, она оставила далеко позади старинную «физиогра­ фию минералов». Вместе с тем нельзя безоговорочно отбрасывать и накопленный в течение прошлых столетий огромный фактический

Г л а в а I

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ МИНЕРАЛОГИЧЕСКОЙ КРИСТАЛЛОГРАФИИ

Казалось бы, дать определение минералогической кристаллогра­ фии чрезвычайно просто — минералогическая кристаллография должна изучать кристаллы минералов *. Однако сразу же необхо­ димо напомнить о затруднениях, связанных, с одной стороны, с по­ нятиями о минералах вообще, а с другой — с особенностями сегод­ няшней науки о кристаллах.

«В настоящее время еще нет единого установившегося определе­ ния понятия «минерал», — читаем мы в современном «Курсе мине­ ралогии». Автор отмечает, что это понятие тесно связано с понятием «минерального индивида, под которым понимают твердое, физически и химически индивидуальное вещество, возникшее в результате про­ цессов, происходивших в земной коре, и входящее в ее состав» [73]. К определению «минерального индивида» мы вернемся в дальнейшем. Здесь же лишь отметим, что подавляющее большинство минеральных индивидов являются ограненными кристаллами или кристалли­ ческими зернами, т. е. типично кристаллографическими объектами.

Однако сами минералоги отнюдь не желают замыкаться в этих рамках. Не случайно в связи с последними достижениями появилась новая ветвь науки — космическая минералогия [37]. Да и прежние исследователи минералов, среди них один из русских основополож­ ников минералогической кристаллографии — акад. Н. И. Кокшаров (1818—1892), с увлечением вникали в тайны кристаллического строения метеоритов. Достаточно напомнить результаты детального изучения оливина, извлеченного из метеорита «Палласово Железо», включенные Н. И. Кокшаровым в его классические «Материалы для минералогии России» [61]. Здесь же уместно вспомнить и другого классика нашей науки — гениального кристаллографа Е. С. Федо­ рова (1853—1919), неоднократно подчеркивавшего отсутствие строго определенных границ для минералогии. В этом отношенпп очень

* Сам термип «минералогическая кристаллография» . впервые, появился, по-видимому, в 1951 г. в статье Е. К. Лазаренко «К вопросу о современных задачах советской минералогии» [72]. Он широко использован в "моей двух­ томной работе «Кристаллы минералов» [153, 155]. В 1959 г. В-.-іІ: Петров опу­ бликовал специальную заметку «О минералогической кристаллографии».- [-108]. См. также статью Е. К. Лазаренко «Современное состояппсДгзадачи минерало­ гической кристаллографии» [75]. ■г —

5

характерна нижеследующая цитата: «Ходом истории науки дело сло­ жилось так, что цикл минералого-геологических наук представляет собой дугу, с одной стороны упирающуюся в центр земного шара, с другой — уходящую в беспредельное звездное пространство. Если эта дуга утоняется с обоих ее концов, то, наоборот, в своей средней части опа утолщается до столь гигантских размеров, что захватывает собой все физико-математические и естественные науки» [130]. Нет надобности подчеркивать исключительно актуальное значение этих слов, высказанных семьдесят лет назад.

Итак, понятие о минерале существенно расширяется. Мы вышли за предельт земной коры и присоединяем к минералам и космические продукты, и вещества из подкоровых земных глубин. Быть может, учитывая сказанное, можно вернуться к приведенному выше опре­ делению минерала, распространив его на все физически и хими­ чески индивидуализированные тела, образовавшиеся в результате любых прпродных процессов, происходивших не только в земной коре.

Однако II такое существенно расширенное определение требует серьезных оговорок. В связи с огромными успехами технологии выращивания монокристаллов методы минералогической кристалло­ графии помогают изучать созданные в лабораториях и на заводах кристаллы алмаза, рубина, кварца н т. п. Это все — искусственные минералы, т. е. продукты не природных, а вызванных человеком лабораторных реакций. Теми же методами изучаются и важные для современной техники и промышленности кристаллические вещества, хотя и не встречающиеся в природе в виде окрпсталлизоваппых индивидов, но в некотором отношении близкие к тем или иным минералам (например, структурные аналоги алмаза — искусствен­ ные кристаллы кремнпя, германия и др.).

Здесь снова уместно обратиться к высказываниям классиков нашей науки. Н. И. Кокшаров горячо протестовал против исключе­ ния из минералогии «веществ, происходящих при содействии воли человека... Но почему все неорганические тела без исключения нс были отнесены к минералогии?.. При наших па стоящих сведениях и понятиях о природе в самом деле странно видеть предметы, между собой почти тождественные, разбросанными, одни от других отделен­ ными... Причину такой нелогичности, без сомнения, должно искать

входе развития науки... Это произошло именно потому, что научная разработка неорганических тел начата была с тех из них, которые залегали в недрах земного шара, и что к прочим обратились только

вновейшее время. В настоящую эпоху накопилось, впрочем, уже столько сведений о неорганических телах второго сорта, что все заставляет предполагать, что в недалеком будущем и эти последние

примкнут к нашиім минералам. Когда наступит для минералогии эта новая желательная эра,’тогда все вообще неорганические тела природы, как предметы междусобой тождественные, представля­ ющие одно неразрывное целое, по всей вероятности, будут назы­ ваться минералами...» [62].

6

Мы не можем безоговорочно согласиться с таким слишком уж расширенным понятием о минералах. Напомним, что Н. И. Кокша­ ров сознательно не отделял минералогию от кристаллографии. Известно, что его «Лекции минералогии» представляют собой курс геометрической кристаллографии и что он считал синонимами слова «минералогия» и «аноргаиография» (наука о неорганических телах вообще).

Замечательный натуралист-философ акад. В. И. Вернадский (1863—1945) писал: «В моих лекциях я буду придерживаться тра­ диции, которая к тому же никогда не прерывалась, и буду называть минералом всякий продукт природных реакций, достаточно физи­

В. И. Вернадский относил к минералам лишь продукты собственно природных реакций. Однако его определение понятия «минерал» также является слишком широким: оно включает твердые, жидкие л газообразные вещества. «С этой точки зрения минералом будет воздух, углекислота, кислород, морская вода * и т. д.» [26]. Вместе 'С тем В. И. Вернадский неоднократно отмечал огромное значение деятельности человека в генезисе минеральных новообразований, ■его грандиозную роль в химических процессах современной Земли. Как видим, и здесь четкое подразделение минералов и неминералов, ото существу, стирается. Совершенно очевидна необходимость ввести какие-то ограничения в эти понятия.

Суммируя вышесказанное, мы приходим к выводу, согласно кото­ рому объектами кристаллографо-минералогических исследований

.должны быть в первую очередь кристаллические продукты природ­ ных реакций. К ним мы присоединяем и те искусственные кристаллы, которые дублируют природные минералы или приближаются к ним по тем или иным свойствам.

Во всех этих случаях мы имеем дело с кристаллами. Поэтому необходимо вспомнить о специфических особенностях самой науки о кристаллах. По образному выраженшо Е. С. Федорова, «кристаллы блещут симметрией», в связи с чем развитие кристаллографии при­ вело к интенсивной разработке самого учения о симметрии.

«Особенность кристаллографического метода состоит в последова­ тельном применении принципа симметрии во всех случаях, когда -это оказывается возможным» [191]. Вместе с тем принцип симметрии в настоящее время вышел далеко за рамки собственно кристалло­ графии, методы которой нашли широкое применение в ряде других наук. В этом отношении положение современной кристаллографии во многом напоминает роль математики, снабжающей своими мето­ дами многочисленные и разнообразные дисциплины. В качестве характерного примера укажем на ведущую роль кристаллографии

* По сути дола, «воздух» и «.морскую воду» следовало бы тогда уподобить

.ие «минералам», а «горным породам».

7

в становлении молекулярной биологии. «Для иас, кристаллогра­ фов, — писал по этому поводу выдающийся английский ученый Д. Бернал, — особый интерес представляет тот факт, что это круп­ нейшее достижение стало возможным благодаря применению нашей дисциплины» [159]. Сейчас на наших глазах происходит не­ прерывное расширение научных областей, захватываемых симметрией.

Физики, химики, биологи ясно сознают необходимость широчай­ шего использования законов симметрии для обобщающей, матема­ тически строгой характеристики изучаемых ими явлений. Недавно' к ним присоединились и геологи, которые рассматривают учение о симметрии как «общий метод познания закономерностей развития Земли» [49].

Непрерывно растущие связи кристаллографии с другими науками далеко увели ее от прошлого состояния, когда учение о кристаллах

изаконах симметрии было тесно связано с одной лишь минералогией

идаже трактовалось как ее часть. Первыми, кто увидел необходимость восстановить эту старинную связь, были сами минералоги. Особенно ярко сформулировал данное положение В. И. Вернадский: «Кри­ сталлография не отделилась от минералогии, ио охватила ее поновому, проникая в самые основные построения, коренным образом

ееизменила... Оказалось, что дело шло не об освобождении мине­ ралогии от не принадлежащей ей области физических паук, а о новой связи кристаллографии с минералогией, коренном изменении этой

последней» [24]. Здесь дело идет об усвоении достижений, связанных с рентгенометрией и структурными исследованиями, без которых немыслимо дальнейшее развитие современной минералогии (пока­ зательно, что в те годы минералоги, увлеченные структурными проблемами, временно почти утратили интерес к внешпим формам реальных кристаллов).

Значительно позднее и кристаллографы убедились в целесо­ образности восстановления прежних контактов с минералогией, в особенности учитывая ее богатейший опыт в области кристалломорфологип и крпсталлогенезпса мппералов. Об этом хорошо ска­ зано в предисловии акад. Н. В. Белова к учебнику «Рост кристал­ лов». Здесь сначала упоминается полувековой юбилей «величайшей революции в кристаллографии», связанной с открытием М. Лауэ и сместившей центр тяжести науки о кристаллах от внешней их формы к атомному строению. Далее Н. В. Белов пишет: «Но как раз в те годы (конец 50-х — начало 60-х годов) совершалась в нашей науке еще более мощная революция — смещение интереса в сторону макрокристалла, и притом достаточно крупного. Для минералога крупный макрокристалл оказался открытой книгой, в которой записана собственная история кристалла и судьбы месторождения. Для кристаллографа это объект проявления, изучения и исполь­ зования поразительных свойств кристалла, непрерывно революци­ онизирующих науку и технику» [11]. В приведенной цитате хотелось бы особенно подчеркнуть фразу, отмечающую роль минералогов в области макрокристаллографии.

8

Итак, круг замкнулся. Снова возродился стародавний союз между, кристаллографами и минералогами, заново воскресла в обновленном виде минералогическая кристаллография. И снова возвращаемся мы к исходному вопросу, поставленному в самом начале главы, к вопросу о специфике и задачах данного научного раздела. Не­ смотря на расплывчатость понятия о минерале и безграничное рас­ ширение рамок новейшей науки о кристаллах, специфика минера­ логической кристаллографии вытекает из слияния совместных инте­ ресов и подходов, разработанных минералогами и кристаллографами. Вспомним, что минералог является прежде всего натуралистом, зорко приглядывающимся ко всем особенностям природного или лабора­ торного материала, чтобы уловить сведения о деталях его возникно­ вения и роста. Свои наблюдения он издавна привык начинать в поле, тщательно регистрируя все, что может помочь ему в расшифровке генезиса того или иного минерала. Этот же подход со всеми вырабо­ танными прежде навыками он переносит и в лабораторию, где па его глазах растут аналоги природных кристаллов.

Вместе с тем современные методы изучения природных кристал­ лических образований должны быть строго согласованы с имеющи­ мися данными о реальных кристаллических структурах конкретных минералов. Синтез понятий о двух средах — внутренней кристал­ лической и внешней кристаллообразующей — является основой новейшей минералогической кристаллографии. При этом следует учесть, что особенности природной минералообразутощей среды накладывают свой особый отпечаток на специфику данной дис­ циплины.

минералогической кристаллографии Н. И. Кокшарова и П. Е. Ере­ меева, мы не можем ограничиваться их подходом к изучению кри­ сталлического материала. Этот материал, за редкими исключениями, доставлялся им учениками — горными инженерами; сами же они •скрупулезнейшим образом изучали каменные образцы, не выходя из своих кабинетов и лабораторий и почти полностью игнорируя полевую обстановку. При этом их интересы ограничивались в основ­ ном лишь внешней морфологией минералов. Структура и кристалло­ образующая среда оставались вне поля их зрения.

Огромный шаг вперед был сделан Е. С. Федоровым, сосредото­ чившим свое внимание на геометрии кристаллических структур л тем самым всемерно углубившим понятие о внутренней кристал­ лической среде. Именно он подготовил теоретические основы для позднейшего развития рентгеноструктурного анализа (достаточно напомнить о выводе федоровских пространственных групп — 230 возможных законов расположения атомов в кристаллических струк­ турах, лежащих в основе метода расшифровки реальных структур). ■Он же создал теодолитный метод в минералогии и петрографии, всемерно используемый и теперь при лабораторном гониометри­ ческом и кристаллооптическом изучении минералов и горных пород.

9