Кристалл – это пространственно упорядоченная структура атомов, ионов или молекул. Он, таким образом, представляет собой пространственную трехмерно периодическую структуру, состоящую из атомов или молекул.

Идеальный кристалл является – это теоретически математический объект, имеющий полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани и т. д. Реальный кристалл всегда содержит различные дефекты внутренней структуры кристаллической решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство – закономерное положение в кристаллической решётке.

Любой кристаллической структуре, имеющей форму симметричных многогранников, присуща определенная симметрия дальнего порядка двух типов: ориентационная и трансляционная.

Порядок означает возможность построить кристаллическую структуру путем трансляции элементарного строительного блока структуры с определенным расположением атомов на некоторый вектор элементарной ячейки кристалла. Именно в таком случае говорят о существовании дальнего порядка в кристалле.

Ориентационный порядок означает, что поворот кристалла вокруг оси симметрии совмещает атомные позиции с самим собой. То есть кристаллы могут иметь вращательную (ориентационную) симметрию второго, третьего, четвертого или шестого порядка.

Структурные элементарные ячейки большинства кристаллов основаны на таких простых геометрических фигурах, как куб, тетраэдр и октаэдр. Размерность «идеальных кристаллов», в которых поддерживается «идеальный» порядок, не превышает 3∙10^-6 м. Экспериментально были получены идеальные кристаллы в виде усов, диаметры которых находились в пределах 1,5∙10^-9 – 2∙10^-6 м. Массы таких кристаллов варьируют от 7,5∙10^-26 до 1,5∙10^-19 кг. Подобные граничные размеры кристаллов определяют область нанонометрии или наноминералогии.

В этой связи элементарные ячейки кристаллов делятся на сингонии соответствующих 32 видам пространственной симметрии.

В простых кристаллах в каждой точке пространственной решетки (структурной единицы) находится по одному атому. В сложных кристаллах в каждой точке пространственной единицы кристалла могут находиться несколько атомов или молекул. В неорганических веществах (например, интерметаллических соединениях) структурная единица может содержать от 100 до 1000 атомов и молекул. В органических соединениях может содержаться десятки тысяч атомов и молекул.

На уровне минерала порядок обеспечивается структурой вхождения атомов, ионов элементов в определенный тип элементарной решетки (ячейки), которая, повторяя (транслируя) себя множество раз по кристаллографическим направлениям, образует устойчивую структуру, генетически обусловленную для каждого минерального вида. В отличие от идеального кристалла минерал содержит дефекты структуры, выраженные наличием различного рода дислокаций, трещин, включений (твердых, жидких, газообразных), примесей.

Эта обусловленность исходит из взаимодействия между атомами кристаллической структуры, которая в первом приближении может быть описана с помощью модели, которую в начале 40-х годов прпошлого столетия создали английские кристаллофизики Л.Брегг, Д.Най и В.Ломер. Самое важное следствие взаимодействия между атомами в кристалле непосредственно вытекает из простейшего факта, который состоит в том, что расстояние между соседними атомами при постоянной температуре имеет вполне определенную величину. Речь идет о расстоянии между положениями, около которых атомы кристалла совершают колебания, и в которые возвращаются, восстанавливая определенное расстояние между собой ¹.

На определенном расстоянии, обусловленным свойством кристаллической структуры, силы притяжения и отталкивания между атомами оказываются равными по величине. Эти силы в кристаллической решетке определяются энергией. Кривая зависимости энергии от взаимодействия между атомами выражается потенциалом взаимодействия и является функцией расстояния между атомами. С повышением температуры, когда тепловая энергия колебания атомов в структуре кристалла возрастает, происходит тепловое расширение кристалла, а атомы смещаются относительно своих прежних положений (раз­дви­га­ют­ся), т.е. увеличивается их расстояние друг относительно друга. Реально взаимодействуют не пара соседних атомов, а их множество в структуре кристалла; их колебания друг относительно друга определяют теплоемкость кристалла, коэффициент его теплового расширения и пр.

В 1819 году французские ученые Пьер Луи Дюлонг и Алексис Терез Пти на основе обобщения своих опытов по теплоемкости твердых тел, сформулировали фундаментальный закон, носящий их имена (Дюлонга – Пти). Согласно этому закону произведение теплоемкости одного грамма вещества в твердом состоянии на его молярную массу – есть величина почти одинаковая для всех веществ, не зависящая от температуры и составляющая около 6 калорий. Или, по иному: теплоемкость в расчете на моль для всех веществ одна и та же и равна 6 кал/моль.°К. Так как моль любого вещества содержит одно и то же количество атомов, то открытие Дюлонга и Пти обозначает, что для повышения на 1 градус температуры твердого тела каждый атом поглощает одно и то же количество энергии.

Однако через десять лет после открытия Дюлонга и Пти оказалось, что некоторые тугоплавкие вещества, например алмаз, не подчиняются этому закону. А поэтому было установлено, что теплоемкость таких веществ не является постоянной, а увеличивается с ростом температуры, стремясь к тому значению, которое именно предусматривается законом. Другими словами, закон Дюлонг – Пти справедлив для высокотемпературной области кристаллов.

Исследования поведения атомов в твердых телах на основе модели классических маятников (пружинной модели колебания атомов в кристаллической решетке) позволили установить, что период их колебаний относительно так называемой «оседлости» (относительного положения в структуре кристалла) практически не зависит от температуры. Значение амплитуды и периода колебаний атома таковы, что он за секунду совершает 10¹²–10¹³ колебаний и при этом проходит путь равный 10³–10⁴см! Это говорит об очень активной «жизнедеятельности» атомов в структуре кристаллов.

Открытие Дюлонга и Пти оказалось первым этапом почти вековой истории выяснения природы теплоемкости кристалла. Два последующих этапа связаны с именами великих физиков ХХ века – А. Эйнштейна и П. Дебая. Их достижения относятся к области теории кристаллической структуры. Экспериментальным же изучением теплоемкости в ХХ веке занимались во многих лабораториях мира.

Эйнштейн отказался от классической модели маятника, описывающего колебания атомов в кристаллической решетке, и принял квантовую модель. В новой модели атомы в структуре решетки могут менять свою энергию лишь определенными порциями, квантами. Различные величины, характеризующие свойства вещества и зависящие одна от другой, в классической (не квантовой) физике связаны так, что любое сколь угодно малое изменение одной из величин влечет за собой малое изменение другой величины. Нет скачков, нет ступенек, а есть непрерывное изменение: «чем-тем». Согласно Эйнштейну, последовательность значений энергии, которую может иметь атом, колеблющийся в узле кристаллической решетки, образует «энергетическую лесенку».

Заслугу Эйнштейна переоценить трудно. Он не только устранил противоречие между классическим представлением о теплоемкости твердых тел и результатами ее экспериментального исследования. Не только внес существенную корректировку в классические представления о непременных признаках жизни кристалла, но и перенес квантовые представления в теорию твердых тел. Полученные Эйнштейном формулы, верно (но только качественно!) отражали экспериментально найденные зависимости теплоемкости от температуры. Но все же количественное совпадение теории с результатами эксперимента не достигалось. Этого совпадения добился Петер Дебай (1884 – 1966).

Дебай, вместо того, чтобы описывать судьбу каждого атома в отдельности на основе их колебаний в квантовой модели Эйнштейна, предложил описывать судьбу каждого из зависящих друг от друга колеблющихся атомов на основе волнового принципа. Это можно сделать, сопоставив каждую волну, для которой характерна частота n, и некоторую фиктивную частицу, энергия которой hn. Эту не реальную, а «квазичастицу» физики называют фонон. Фотон – сгусток световой, а фонон – звуковой энергии. Фонон – «квази», а не настоящая частица. Настоящую материальную частицу можно было бы изъять из кристалла и поселить где-нибудь в другом месте, например в ином кристалле. А квазичастица существует лишь как возбуждение в твердом теле, а значит, удалить ее из кристалла нельзя. Квазичастица – одно из фундаментальных представлений, лежащее в основе современной квантовой теории твердого тела. К образу квазичастицы физики-теоретики прибегают при описании практически всех свойств твердых тел: и тепловых, и электрических, и магнитных, соответственно, имеется целый ряд квазичастиц – экситоны, ротоны и пр.

Задачу о теплоемкости твердого тела Дебай свел к задаче о теплоемкости квазичастиц – фононов. Выполнив расчеты, Дебай, в согласии с опытом показал, что если кристалл составлен из одинаковых атомов, то в области низких температур его теплоемкость с температурой изменяется по закону С~Т³. А это значит, что картину теплового движения атомов в твердом теле он дорисовал правильно: атомы колеблются, каждый из них является квантовым маятником, маятники между собой связаны теорией теплоемкости от Дюлонга-Пти к Эйнштейну.

Как поведут себя атомы кристаллической решетки, когда температура кристалла будет равна абсолютному нулю? Классические колебания атомов должны замереть, а нулевые, или квантовые, остаются в чистом виде. Они не чувствительны к температуре и неуничтожимы, являясь непременным признаком (атрибутом) жизни кристалла. При приближении температуры кристалла к абсолютному нулю возникают весьма своеобразные квантовые эффекты, наиболее изученным среди которых является сверхпроводимость. В этом случае кристалл полностью утрачивает сопротивление электрическому току.

Один из предложенных вариантов объяснения эффекта состоит в объединении электронов в пары (куперовские пары, по имени исследователя), причем они отчасти приобретают свойства поля, свойства бозонов (в нормальном состоянии электрон – классический фермион). Современная теория сверхпроводимости еще не в состоянии предсказать, при какой конкретно температуре перейдет какое-либо сложное соединение в сверхпроводящее состояние. Синтезировано большое количество квазиодномерных и квазидвумерных (слоистых) соединений, как правило, керамик, в числе которых одной из наиболее высоких критических температур (около 23,2 °К) обладает соединение ниобия с германием (1973 г). Сверхпроводимостью обладает сера (26 – 31 °К) при особой обработке высоким давлением.

В толщу идеального сверхпроводника слабое магнитное поле не проникает, т.е. сверхпроводник является сверхдиамагнетиком. Такое его свойство названо эффектом Мейснера. В 1978 г. в Московском университете был обнаружен сверхдиамагнетизм в хлориде меди (CuCl), наблюдавшийся под давлением в несколько килобар и при температуре 150 – 200 °К. Возможно, что это явилось следствием появления высокотемпературной сверхпроводящей фазы, возникающей у некоторых полупроводников или полуметаллов. В 1980 г. также наблюдался сильный диамагнитный эффект в кристаллах CdS при температуре жидкого азота и давлении 40 кбар. Точное контролирование свойств этих веществ достаточно сложно, поскольку значительную роль здесь играют различные примеси и остаточные напряжения.

Импульс атома в узле кристаллической решетки, т.е. в той позиции, где в соответствии со структурой кристалла атом расположен, не может быть равен нулю (потому что нуль – величина точная, а у импульса должна быть некоторая неопределенность), иными словами, атом должен пребывать в движении, колебаться. Один из непременных признаков жизни кристалла – нулевые колебания составляющих его атомов. Частота тепловых колебаний и нулевых – одинакова.

У разных веществ энергия нулевых колебаний различна. Например, для кристалла водорода, который плавится при температуре 14°К, энергия нулевых колебаний равна 10^–14 эрг, а для кристалла золота, который плавится при температуре 1336°К она равна около 3,5·10^-14 эрг. Обладая близкими энергиями нулевых колебаний, эти кристаллы отличаются своими характеристиками. Например, энергия связи между атомами в водороде равна 10^-14 эрг, а в золоте – 10^-12, то есть на два порядка выше. Если сравнить энергии нулевых колебаний с энергиями связи, то окажется, что в случае золота энергия нулевых колебаний составляет всего около 3 % от энергии связи. Так как энергия нулевых колебаний от температуры не зависит, а энергия тепловых колебаний с температурой возрастает, то должна существовать некоторая граничная Т_R, ниже которой главенствуют нулевые, а выше – тепловые колебания. Для водорода она равна 73К, а для золота Т_R = 255К. Кристалл водорода раньше расплавится, чем перейдет в область температур, где главенствуют тепловые колебания, а кристалл золота уже при комнатной температуре, которая ниже температуры его плавления больше, чем на тысячу градусов, окажется во власти главным образом тепловых колебаний.

Чем легче атомы, из которых состоит кристалл, тем больше амплитуда их нулевых колебаний. Отношение амплитуды нулевых колебаний к межатомному расстоянию определяется параметром де Бура, который для большинства веществ значительно меньше единицы. А вот для гелия этот параметр приблизительно равен 3.

Когда параметр де Бура больше единицы, это означает, что вещество ни при какой температуре не может существовать в кристаллической фазе, если искусственно (приложением внешнего давления) не уменьшить амплитуду нулевых колебаний и таким образом уменьшить параметр де Бура.

Гелий, который в обычных условиях остается жидким при сколь угодно низких температурах, можно перевести в кристаллическое состояние, лишь приложив внешнее давление около 25 атмосфер.

Интуитивное желание видеть в структуре кристалла идеальный порядок противоречит законам природы. Очаг беспорядка в кристалле может появиться, например, когда атом покинет свое законное место, которое он занимал в узле решетки, и перескочит в зазор между узлами. Но для этого необходимо затратить энергию. В области будущего очага беспорядка энергия, заимствованная из энергии теплового движения атомов ближайшего окружения, может появиться случайно. Ближайшие атомы колеблются не строго согласованно, и случайные стечения обстоятельств могут привести к такому перераспределению энергии их тепловых колебаний, при котором в области будущего очага беспорядка появится энергия, достаточная для рождения очага. Появляется необходимая энергетическая флуктуация. С ростом температуры, когда активность теплового движения возрастает, должна возрастать и частота флуктуаций энергии, достаточной для возникновения очагов беспорядка, и, следовательно, концентрация очагов также должна расти.

Таким образом, флуктуация энергии, очаги беспорядка могут возникать самопроизвольно. Это не означает, что появление очагов беспорядка в кристалле сопровождается увеличением его энергии, ее удалением от требующегося термодинамического минимума. Для того, чтобы при повышенной температуре поддерживать в кристалле идеальный порядок (все атомы в узлах, все узлы заняты атомами), надо было бы энергию затратить на то, чтобы гасить самопроизвольно возникающие энергетические флуктуации. Эта энергия, привнесенная в кристалл извне, делала бы его энергию заведомо не минимальной. А это значит, что очаги беспорядка возникать будут просто потому, что не могут не возникать. Они – условие существования кристалла при температуре, отличной от нуля.

Каковы пределы возможного беспорядка в кристаллах?

В сложном переплетении процессов рождения и исчезновения вакансий атомов при данной температуре в кристалле автоматически поддерживается строго определенная, необходимая ему концентрация. Её именуют равновесной. С ростом температуры равновесная концентрация вакансий будет возрастать.

С повышением температуры по экспоненциальному закону беспорядок в кристалле приводит к тому, что многие его характеристики изменяются, подчиняясь этому же закону.

До сих пор мы рассматривали кристалл как структуру, в узлах которого располагаются атомы. Но есть кристаллы ионные, в узлах которых находятся положительно и отрицательно заряженные ионы.

А.Ф. Иоффе (1880 – 1960) изучал процессы в ионном кристалле и установил, что в условиях приложения разности потенциалов в кристалле возникает ток, интенсивность которого возрастает пропорционально температуре ионного кристалла. Это было парадоксально, т.к. сами ионы перемещаться в структуре кристалла не могут. Они намертво «приписаны» к узлам решетки самой структурой кристалла.

Этот парадокс объяснил Я.И. Френкель (1894 – 1952). Он рассуждал так: если к кристаллу приложена разность потенциалов, то одновременно, в одном акте «испарения атома в кристалл», возникают два дефекта. Эти два дефекта называются «парой Френкеля». Оба компонента «пары Френкеля» – и межузельный ион, и вакансия – заряжены, и под действием электрического поля могут направленно перемещаться по решетке, а, значит, переносить заряд. При этом под заряженной вакансией можно понимать ион, покинувший узел решетки и ушедший в междуузлие вместе со своим зарядом, равным по величине и обратным по знаку. Ушел катион – осталась отрицательно заряженная вакансия, ушел анион – осталась положительно заряженная вакансия. Термодинамика, требующая появления флуктуаций в кристалле, делает «пары Френкеля» не только возможными, но и необходимыми.

При высокой температуре в кристаллической решетке концентрация вакансий – «атомов пустоты» – велика (около сотой доли процента позиций в решетке вакантны). Если температуру кристалла понижать, то и концентрация вакансий должна понизиться. Важно, с какой скоростью будет происходить понижение температуры и уменьшение концентрации вакансий. Если температуру понижать медленно, вопроса не возникает: для каждой температуры концентрация вакансий будет в точности соответствовать равновесной. При низких температурах диффузионная подвижность вакансий пренебрежимо мала; вакансии, т.е. атомы пустоты, оказываются «замороженными».

Исследование замороженных вакансий дает основание для получения информации о самодиффузии вакансий в кристаллах. Оказалось, что они различны. Например, в золоте время «оседлой» жизни вакансий примерно равно 10^-10 с, число скачков, которое осуществляет вакансия в секунду равно 10¹⁰, а путь который проходит вакансия в одну секунду по ломаной линии достигает 3 м. При этом путь по прямой в триста тысяч раз короче пути по ломаной, вакансия смещается по прямой всего лишь на 10 мкм.

Атомы ведут себя спокойнее вакансий. Но и они миллион раз в секунду меняют место оседлости и движутся со средней скоростью 1 м/ч.

С понижением температуры коэффициент самодиффузии будет уменьшаться, а время «оседлости» увеличиваться.

Идеи замороженной пустоты и движения вакансий породили много интереснейших и заманчивых экспериментов, положив в основу учения о кристаллах представления о мигающих вакансиях, о движении электронов в металлах, о ветрах в кристаллах и т.д.

Важнейшим следствием изучения кристаллов является оценка появления и существования различных дефектов, исследуя которые ученые решают сложнейшие проблемы, связанные с жизнью самого кристалла. В частности определяют условия его кристаллизации на основе изучения включений в минералах, оценивают состав раствора, из которого формировался кристалл сотни миллионов или даже миллиарды лет назад. Так называемая генетическая минералогия дала в руки исследователей мощнейший инструмент познания микромира твердых веществ.

Кристалл жив своими дефектами, они – его сила и слабость, цепкая память и транспортные магистрали, органы приспособления и «памяти» об окружающей его среде. Наконец, это информационная система, реагирующая на внешние воздействия (температуру, давления, дислокации, приложения разности потенциалов, облучение различными частицами). Кристалл – это окно в микро- и макромиры. Это инструмент их познания и область важнейших технологических применений ².

Другими словами, ген минерального вида ³, ответственный за его наследственные признаки (структура кристалломорфологической формы, твердость, температура плавления, плотность, и т.д.), определяется структурным типом элементарной ячейки определенного набора атомов и ионов, имеющим собственные свойства (величину ионного радиуса, координационное число и т.д.).

Выдающийся русский кристаллограф Е.С.Федоров восклицал, что кристаллические многогранники буквально блещут своей симметрией. Наука кристаллография построена на законах симметрии. Обязательным же атрибутом симметрии являются закономерно повторяющиеся в пространстве равные элементы кристаллической решетки (структуры). Элементами же симметрии выступают вспомогательные геометрические образы – точки симметрии, оси симметрии, плоскости симметрии. Но как бы идеальны не были структурные формы кристаллов, полное отражение симметрии в них – редкость или невозможность. Подавляющая часть минералов, слагающая твердое вещество во вселенной, формируется в структурах весьма далеких от идеальных законов симметрии и характеризуется «дефектами», которые как раз и несут в себе информацию об их генезисе, а также процессах, которые происходили с ними на протяжении всей истории их существования.

К весьма важным свойствам структуры объектов (от кристалла до вселенной) относится однородность и неоднородность.

Однородной (изотропной) представляется структура, которая во всем пространстве объекта (кристалла, например) во всех направлениях обнаруживает одинаковые свойства.

Неоднородной (анизотропной) является структура объекта, которая при одинаковых свойствах по параллельным кристаллографическим направлениям (например, кристаллов) в общем случае обладает неодинаковыми свойствами по непараллельным направлениям. Ниже мы покажем, что свойство однородности и неоднородности применимо и к структуре мегамира – вселенной.

Невозможность существования идеального кристалла, который бы не содержал дефектов кристаллической структуры или примесей, расположенных в пространстве между атомами основной структуры кристалла, вытекает из закона В.И.Вернадского о всюдности атомов, определяющего закон рассеяния. Из этого закона вытекает важное следствие: при кристаллизации, например минерала, в его структуре будет содержаться информация о составе среды, из которой он образовался.

Где сосредоточена эта информация?

Эта информация сосредоточена в дефектах структуры минерального вида.

Под дефектом понимается недостаток, изъян, нарушение порядка. Дефекты в кристаллах представляют собой несовершенство кристаллического строения, нарушения строго периодичного расположения частиц в узлах кристаллической решетки, вызванного введением в кристаллическую структуру какого-либо вещества (примеси инородного материала: кристалла, газа, жидкости, части среды, из которой образовался кристалл). Возможны наличия вакансий (узлов решетки, в которых нет атомов или молекул) или «лишних атомов меньшей размерности в пространстве между единичными структурами кристалла. Возможно наличие трещин, пустот и т.д. Эти дефекты подразделяются на группы по геометрическим признакам. Точечные дефекты (нульмерные) малы во всех измерениях. Обычно достигают величин нескольких атомных диаметров (диаметр ядра атома составляет величину 10^-13 см.). К ним, например, относятся вакансии, межузельные атомы, примеси других атомов и их комплексы. Линейные (одномерные) дефекты в кристаллах имеют атомные размеры в двух измерениях, а в третьем соизмеримы с длиной кристалла. Это дислокации, сдвиги, цепочки вакансий и межузельных атомов.

Поверхностные двумерные дефекты кристаллов малы лишь в одном измерении. Таковы, например, дефекты упаковки атомов, границы в кристаллах.

Дефекты в кристаллах сильно влияют на их механические свойства (упругость, пластичность, твердость, проводимость, прочность на сжатие, растяжение и пр.), старения и т.д.

Причины появления дефектов заключаются не только в том, какая среда (гомогенная или гетерогенная) послужила основой образования кристаллов, но и как происходил процесс кристаллизации: быстро, медленно, прерывно, непрерывно. При различных скоростях кристаллизации структуры выглядят как макро- или микрообразования. В объемных дефектах могут проявляться условия «захвата» включений состава маточного раствора. Тогда можно наблюдать в прозрачных разностях кристаллов макро- и микровключения различных фаз: твердых, жидких, газообразных. Исследуя, таким образом, дефекты в структурах минеральных видов, можно по ним восстановить картину процессов кристаллизации: последовательность кристаллизации минералов в агрегатном состоянии структур; температуру, давление и химический состав растворов на момент кристаллизации; относительный и абсолютный (радиологический) возраст кристаллов и агрегатов; влияние различных стрессовых состояний на процесс кристаллизации.

Естественный отбор минеральных видов

На земле количество минеральных видов ограничено примерно 4-мя тысячами. Ежегодно открывается около 50 – 60 минеральных видов в форме очень редких образований или представленных единичными находками.

Каков предел существования количества минеральных видов?

Например, в ядре Земли предполагается наличие одного (металлического) минерального вида, состоящего из самородного железа с примесью никеля, возможно небольшого количества силикатной составляющей и серы. В строении мантии участвуют несколько минеральных видов (первые десятки). Примерно такое же количество наблюдается в составе метеоритного вещества (175 минералов, из которых 17 обнаружено впервые). Они нигде не встречаются в составе земных минералов. В составе дифференциатов магматических пород на земле зафиксировано не более 200 минеральных видов. А в составе гидротермалитов земной коры – уже около 500.

По представлениям В.С.Урусова ⁴ разнообразие минеральных видов диктуется естественным отбором, на который влияют условия, определяющие устойчивость тех или минеральных видов в той или иной среде. Механизм, которому подчиняется такой отбор, имеет кристаллохимическую природу, с одной стороны и физико-химические условия самой окружающей минерал среды. Чем выше разнообразие сред, тем выше разнообразие минеральных видов, что иллюстрируется закономерным увеличением минеральных видов в направлении от ядра Земли к земной коре. Это разнообразие минеральных видов усложняется во времени. В более молодых геологических образованиях с наибольшей степенью химической дифференциации вещества земной коры увеличивается разнообразие минеральных видов ⁵.

Помимо естественного отбора минеральных видов, связанного с условиями изменения внешней среды (давления, температуры, концентрации), особенностью строения атомов, ионов, кристаллической структуры, можно ввести понятие о пространственно-временной эволюции структур минеральных видов.

На протяжении 4,6 млрд. лет эволюции нашей Земли и 5,0 млрд. лет существования Солнечной системы количество минеральных видов изменялось.

Если учесть, что среди метеоритов встречается всего около 175 минеральных видов, на Луне – 90, то на Земле их количество достигает 4000 ⁶. Разные условия минералообразования приводят к различным количественным соотношениям минеральных видов. Оказалось, что если разбить минеральные виды по классам, то окажется, что на ранних стадиях развития земной коры формировались преимущественно силикаты, оксиды, карбиды. На поздних стадиях эволюции земной коры преимущество уже явно за сульфидами. При этом во времени появляются более сложные минеральные виды, с большим их видовым разнообразием, с большим количеством дефектов в минералах, большим количеством примесей в них и, как следствие, с большим удельным весом минералов, кристаллизующихся в средних и низших сингониях. Такая закономерность отвечает росту энтропии во времени при образовании минеральных видов при формировании их структуры. Закономерность прослеживается не только на видовом уровне, но и в пространственно-временных связях. Наиболее древние геологические образования содержат, как правило, более ограниченный набор минеральных видов, в которых остается более значительным удельный вес минералов, кристаллизующихся в высших по отношению к низшим сингониям. В более молодых геологических структурах, наоборот, увеличивается большее разнообразие минеральных видов, а их структура отвечает большему удельному вкладу низших по отношению к высшим сингониям.

Эта же закономерность прослеживается на уровне пространственно-временной минералогической зональности на уровне региона, рудного узла, рудного поля, месторождения, рудного тела ⁷. На более низких структурно-гипсометрических уровнях формируются более ранние минералы с меньшей распространенность минеральных видов, с наличием большего удельного веса структур, кристаллизующихся в высшей по отношению к низшей сингонии и т.д.

Таким образом, можно говорить о том, что общая тенденция в эволюции структур в минеральном мире подчиняется практически одним и тем же законам, что и в органическом мире. Во времени происходит не только усложнение структур, но и возрастает разнообразие видов, рис. 3.7.

Рис. 3.7 Иллюстрирует увеличение относительного разнообразия в пространстве и времени: силикатов (1), оксидов (2), сульфидов (3). Такая закономерность похожа на известное эволюционное древо живых организмов от ранних, к более поздним геологическим эпохам.

Увеличение разнообразия минеральных видов, в направлении от древних к молодым складчатым структурам для последнего миллиарда лет в истории земной коры характерно для различных регионов России и Мира.

Размеры кристаллов варьируют в широких пределах: от нанокристаллов размером менее 10^-9 м (наноминералы) до нескольких метров. Самые большие кристаллы были обнаружены в пещере Найка, которая находится в мексиканском штате Чиуауа. Некоторые из них в длину достигают 13 метров, а в ширину – 1 метр. А.Е. Ферсман в начале XX века на Южном Урале описал каменоломню, заложенную в одном гигантском кристалле полевого шпата.

Кристаллы, отличающиеся изяществом, красотой, прозрачностью, цветом являются объектом исследования минералогией драгоценных, полудрагоценных камней. Подобные естественные образования являются объектом коллекционирования.

Ссылки