Скелетная шпинель

На фото — красные кристаллы шпинели из шлаков металлургического завода на Урале в силикатной матрице (желтая). Такие кристаллы, похожие на каркас с пустотелыми гранями, называют скелетными.

Шпинель известна человечеству с глубокой древности, однако раньше ее не выделяли как самостоятельный минерал и все красные драгоценные камни носили собирательное название лал. Слово «шпинель» восходит к латинскому слову spina — «шип, колючка», что связано с характерной остроконечной формой кристаллов. Шпинель — это оксид магния и алюминия (MgAl₂O₄), минерал из семейства шпинелей. Она обладает большой твердостью (7,5–8 по шкале Мооса), стеклянным блеском и образует кристаллы октаэдрической и додекаэдрической формы.

Слева — кристаллическая решетка шпинели. Рисунок с сайта britannica.com. Cправа — природный кристалл шпинели в мраморе. Фото с сайта commons.wikimedia.org

Цвет минерала очень разнообразный и связан с присутствием различных элементов-хромофоров в структуре минерала. Так, розовый и красный цвет шпинели придают ионы хрома Cr³⁺, замещающие ионы алюминия Al³⁺, фиолетовый — ионы железа Fe²⁺, замещающие ионы магния Mg²⁺, синие и голубые оттенки связаны с ионами железа Fe³⁺ и кобальта Co²⁺, замещающими ионы алюминия Al³⁺ и магния Mg²⁺ соответственно. Однако самая распространенная шпинель — красного и розового цветов.

Красную ювелирную шпинель добывают из россыпных месторождений в Мьянме, Шри-Ланке, Таиланде, Бразилии, Индии, Афганистане. Это высокотемпературный минерал, который встречается в скарнах, роговиках, гнейсах, основных и кислых магматических породах. Также шпинель часто образуется при выплавке сталей, чугуна и ферросплавов, где выступает как один из минералов шлаков. В шлаках шпинель встречается в ассоциации с оливином (форстеритом), монтичеллитом, клиноэнстатитом. Минералогия шлаков зависит от технологического процесса получения сырья. Так как кристаллизация шлаков происходит при резком охлаждении, формы возникающих кристаллов могут быть довольно причудливыми.

Скелетный кристалл шпинели (красный) в силикатной матрице (желтая). Фото © Александр Марфин

Чтобы образовался скелетный кристалл, нужны специфические условия. Для наглядности процесс кристаллизации можно представить на примере системы вода–хлорид натрия (его кристаллическая форма — галит). При определенной температуре в растворителе (в данном случае в воде) может раствориться не более определенного количества вещества (для галита это 391 г в 1 л воды температурой 100°C). С понижением температуры растворимость падает и атомы начинают образовывать так называемые зародыши (центры кристаллизации). Если раствор охлаждать медленно, то скорость образования зародышей будет маленькой. Они будут обрастать со всех сторон и постепенно превращаться в кристалл правильной формы.

Схема кристаллизации минерала. Вначале существует однородный, гомогенный раствор. При температуре выше критической все атомы совершают хаотические движения, и образующиеся частицы не успевают достигнуть критического размера и распадаются. При уменьшении температуры частицы достигают критического размера, и образуются так называемые зародыши. Далее зародыш начинает расти и образуется кристалл. Рисунок из статьи D. Gebauer, 2018. How can additives control the early stages of mineralization?

Эта схема применима, если с течением времени параметры среды (температура) меняются слабо, среда при этом достаточно однородна и приток вещества равномерный для всех участков кристалла. Однако так бывает далеко не всегда. В случае, когда условия кристаллизации неравномерные, например если среда достаточно вязкая, скорость роста по отдельным направлениям кристалла будет отличаться. Поступающее вещество наращивает в основном выступающие части кристалла, так как массоперенос к данным участкам осуществляется с максимальной скоростью. Кроме того, примеси, неспособные встроиться в интенсивно растущие части кристалла, отгоняются от вершин и ребер к центрам граней, что также тормозит рост последних. Далее интенсивный рост продолжается, и новые центры кристаллизации возникают на вершинах и ребрах (образуются так называемые вершинники, возникающие на вершинах кристаллов, и реберники — на ребрах), от чего центральные части граней не успевают зарастать. В результате грань остается незаполненной. Так получается скелетный кристалл. Такие формы стабильны только в момент кристаллизации; если же условия сменятся на более устойчивые, то скелетные кристаллы часто дорастают до кристаллов с правильными гранями.

Примеры вершинных форм некоторых скелетных кристаллов: a — октаэдрический вершинник флюорита, ограненный ромбододекаэдром, b — октаэдрический вершинник магнетита, ограненный октаэдром. Рисунок из книги Н. И. Краснова, Т. Г. Петров, 1997. Генезис минеральных индивидов и агрегатов

Поскольку формирование скелетных кристаллов напрямую зависит от скорости остывания расплава (она должна быть достаточно быстрой), подобные формы в естественных условиях способны образовывать многие минералы, не только шпинель.

Примеры скелетных кристаллов: a — золото, b — самородная медь, c — деклуазит, d — церуссит, f — скелетные кристаллы пироморфита. Фото с сайта mindraw.web.ru

Пожалуй, самым ярким примером скелетных кристаллов являются снежинки (см. картинку дня Снежинка). Зародышами для формирования снежинок служат мелкие частицы пыли или микроскопические льдинки. Снежинка — это гексагональный кристалл льда, выросший очень быстро. И чем выше пересыщение водяным паром, тем более причудливые и сложные снежинки формируются.

Зависимость формы снежинок от температуры и пересыщения водяного пара (картинка K. G. Libbrecht, 2005. The physics of snow crystals

Фото © Александр Марфин, поле кадра — около 2 мм.

Александр Марфин