Текст книги "Занимательная минералогия"

Камень в разные времена года

Меняется ли камень в разные времена года? Живет ли он так, как живет однолетнее растение, или больше напоминает многолетнее хвойное дерево? Может быть, подобно птице, он меняет свой пестрый наряд или, подобно змее, ежегодно сбрасывает свою кожу? Конечно, хочется ответить прежде всего: нет, камень – мертвый, безжизненный и не меняется ни весной, ни зимой. Боюсь, однако, что такой ответ будет немного опрометчивым, так как многие минералы образуются и изменяются в определенные периоды года.

Все мы знаем один такой очень характерный минерал, появляющийся в определенные месяцы года, исчезающий весной на огромных пространствах Земли, чтобы снова вернуться осенью. Таким периодическим минералом являются лед и снег – твердая вода. На первый взгляд это кажется несколько странным, но вспомним, что иногда лед известен как обычная горная порода вроде известняка, песчаника или глины. В Якутии лед встречается целыми скалами, переслаиваясь с песками и другими горными породами. Если бы мы жили в обстановке вечного холода, градусов на 20–30 ниже нуля, то лед был бы для нас самой обыкновенной горной породой, которая образовывала бы скалы и горы, а его расплавленное состояние мы называли бы водой. Воду, может быть, мы считали бы очень редким минералом и радовались бы, когда где-нибудь случайно под действием ярких лучей солнца получался бы жидкий лед, – так же, как нас поражает расплавленная сера вулканов или застывшая в термометре капля ртути.

Но не только лед и снег мы должны называть временными минералами – таких минералов много, и мы встречаем их на каждом шагу весной и осенью в полярных странах и пустынях.

После схода весенних вод под Москвой на черных глинах появляются красивые зеленовато-белые выцветы: это соли железного купороса, который образуется при окислении колчеданов весенними водами, богатыми кислородом. Эти вещества пестрым узором покрывают склоны балок. Но первый дождь смывает их до следующей весны.

Еще поразительнее картина этих выцветов в пустыне. Здесь в диких условиях Каракумов мне пришлось встретиться с совершенно фантастическим появлением солей. После сильного ночного дождя наутро глинистые поверхности шоров неожиданно покрываются сплошным снеговым покровом солей – они вырастают в виде веточек, иголочек и пленок, шуршат под ногами… Но так продолжается только до полудня – поднимается горячий пустынный ветер, и его порывы развеивают в течение нескольких часов соляные цветы. И снова к вечеру перед нами такой же серый и мрачный шор пустыни.

Еще грандиознее такие сезонные минералы в наших среднеазиатских соляных озерах и особенно в знаменитом Карабогазском заливе Каспийского моря. Зимой там выпадают миллионы тонн глауберовой соли и, как снег, выбрасываются волнами на берег, чтобы летом снова раствориться в теплой воде залива.

Однако самые замечательные каменные цветы дают нам полярные области. Здесь в продолжение шести холодных месяцев в соляных рассолах Якутии минералог П. Л. Драверт наблюдал замечательные образования. В холодных соляных источниках, температура которых опускалась на 25 °C ниже нуля, на стенках появлялись большие шестиугольные кристаллы редчайшего минерала гидрогалита. К весне они рассыпались в порошок простой поваренной соли, а к зиме снова начинали расти. По словам Драверта, «казалось святотатством ходить по этой блестящей узорнокристаллической поверхности, до того она была красива».

Нельзя без волнения читать письма Драверта о его находке и первых исследованиях гидрогалита. Кристаллы приходилось вынимать из рассола, температура которого была на 29 °C ниже нуля. Чтобы определить твердость кристалла, надо было чертить им лед или гипс при температуре воздуха – 21 °C. Даже в комнате, где он пытался проделать химические опыты, было 11 градусов холода.

Вот как он описывает свои исследования над этим временным минералом полярной Якутии:

«Естественно, возникла у меня мысль так или иначе зафиксировать формы кристаллов. Вначале я решил сделать их отпечатки в гипсе и залить их свинцом. Но гипса у меня не было, прекрасный прозрачный гипс, найденный мною в Кызыл-Тусе, оставался еще там и не был доставлен ко мне. Я отправился на розыски и в четырех верстах от жилища нашел выходы скверного гипса, но тут я был рад ему, как сахару. Обжег, истолок, просеял и т. д. И, о ужас, кристаллы ломались и плавились, входя в массу, а на холоде она застывала, и тогда кристалл нельзя было облечь ею. Перепортив бездну материала, я получил несколько жалких отливок… У нас оставалось немного масла (мы тогда частенько голодали; хлеба уже не было); с разрешения моих спутников я использовал масло, имея в виду отпечатки в масле залить гипсом. Удалось сделать несколько форм; я выставил их на мороз для укрепления; но через два часа, взглянув на завалинку, не застал ни одного кусочка – их унесли желтые мыши. Я чуть не заплакал…

Никакого другого материала для консервирования не было, или я не знал способа. Вдруг мелькнула в мозгу острая, как кинжал, идея: ignis sanat![16]16
  Огонь излечивает (лат.).


[Закрыть] В полуразрушенном доме, где мы жили, была русская печка, которая топилась непрерывно, ибо у трубы не было вьюшек. Я разложил перед ее устьем несколько кристаллов, в различных степенях удаления от огня. Жар был настолько силен, что манипуляция эта производилась в кожаных перчатках. Кристаллы начали оплавляться, затем, утратив часть воды, некоторые остались в мало измененном виде (по форме), другие начали выделять из себя ветвистые отростки наподобие цветной капусты, совершенно искажающие их очертания…

В течение нескольких дней я торчал перед печкой, варьируя условия опыта. Наконец добился того, что кристаллы сохраняли свой внешний вид. Для этого их нужно было высушивать перед устьем топящейся сухими дровами печки, помещенными на пористом основании, которое быстро впитывало бы их кристаллизационную воду…»

Так были исследованы периодические минералы Якутии, эти замечательные зимние цветы соляных источников полярной Сибири.

Я привел всего несколько примеров – тех, где заметны изменения камня в разные времена года. Но думаю, что если бы мы вооружились микроскопом и точнейшими химическими весами, то увидели бы, что и многие другие минералы живут такой же своеобразной жизнью и постоянно изменяются зимой и летом.

Возраст камня

Можно ли определить возраст камня? «Конечно нет», – ответит читатель, зная, что не всегда легко определить даже возраст животного или растения. Ведь камень существует очень долго, начало и конец жизни его теряются где-то в неведомых глубинах времени. А между тем оказывается, что это не совсем так и иногда сам минерал на самом себе записывает свой возраст.

В одну из поездок в Крым мне пришлось изучать отложения Сакского соляного озера. Поверхность его черной лечебной грязи покрыта прочной коркой гипса, так что по ней можно даже ходить. Когда берут грязь для ванн, то стараются снять эту корку. Но она рассыпается на мелкие иголки и острые камешки, которые иногда столь неприятно ощущаются больными в грязевых ваннах.

В этих копьевидных кристалликах я подметил черные полоски, а сравнив гипсовые иголочки друг с другом, скоро увидел, что черные полоски лежат в коре горизонтально и всегда на одном и том же уровне. Разгадка сделалась очевидной: кристаллы гипса растут ежегодно, особенно летом, после весенних разливов, когда с окружающих гор в озеро текут мутные илистые воды, вызывающие образование черных полосок на гипсовых кристаллах. Каждая полоска – это год жизни, годовое кольцо – вроде тех, которые мы так отчетливо наблюдаем на стволах деревьев. Кристаллики неожиданно рассказали историю своего образования: их возраст был не больше двадцати лет. По толщине чистых и черных полосочек можно было судить о том, дождливая ли была весна и жаркое ли было лето. Такие же годовые кольца, но гораздо большего масштаба, можно видеть, например, в знаменитых Брянцевских соляных копях на Украине. Здесь, под землей, в огромных камерах, освещенных электрическими лампами, на стенках можно заметить полоски разного оттенка, правильно чередующиеся, как на шкуре зебры, на всем протяжении подземных зал. Мы знаем, что это годовые кольца отложений соли в мелких озерах у берегов давно исчезнувших пермских морей.

Но еще замечательнее ленточные глины, которые на нашем Севере встречаются в большом количестве. Они являются осадками озер и рек, стекавших с того огромного ледника, который сравнительно недавно, около 20 тысяч лет тому назад, покрывал наш Север, проникая отдельными языками далеко на юг, даже в область Южнорусских степей. В таких глинах по окраске и величине зернышек можно отличить зимний слой, более темный, и летний, более светлый. Подсчитывая такие слои – а их много тысяч, – можно нарисовать точную хронологию нашего Севера. Ленточные глины являются для геолога календарем, в котором отмечалась и записывалась летопись всего нашего Севера. Однако описанные случаи дают нам еще очень неточную хронологию, – а между тем, оказывается, в минералогии есть гораздо более точные методы определения возраста разных камней. В большинстве горных пород и во многих минералах содержится радий, редкий металл, который сам образуется из других металлов и, в свою очередь, постепенно и медленно превращается в другие вещества, особенно в свинец. При этом из радия постоянно выделяется газ гелий. Эти явления идут миллионами лет без изменений, и ни высокая температура, ни огромные давления не меняют законов жизни этих своеобразных веществ. И чем больше изменяется радий, тем больше накапливается вместе с ним свинца и газа гелия. Если только известно, сколько радия в породе, сколько из него ежегодно образуется свинца, то по количеству свинца можно определить тот промежуток времени, который прошел с начала процесса, с момента образования минерала. Так как способы определения количества всех этих веществ довольно точные, то удалось добиться очень хороших результатов и определить возраст разных минералов и отложений.[17]17
  Благодаря прогрессу науки арсенал геологических «часов», позволяющих определять абсолютный возраст горных пород, руд и минералов, становится все более широким. Кроме упомянутого автором урано-радий-свинцового метода (при распаде атомов урана возникает радий, в свою очередь порождающий свинец с атомным весом 206) в настоящее время также используются актиниево-свинцовый, ториево-свинцовый, калиево-аргоновый, рубидиево-стронциевый, радио-углеродный и некоторые другие методы. – Примеч. ред.


[Закрыть]

Сейчас для нас более или менее несомненно, что возраст самых древних минералов и горных пород определяется между тремя тысячами двумястами и четырьмя тысячами миллионов лет. Горные породы Финляндии и побережья Белого моря, вероятно, имеют возраст в диапазоне трех миллиардов лет. Каменноугольные отложения Донецкого бассейна образовались около трехсот миллионов лет тому назад. Сейчас нам впервые благодаря камню удалось построить хронологию мира.

Образование Земли и планет

в нашей Солнечной системе. . 4,5–6 000 000 000 лет назад

Образование твердой

земной коры. . . . . . . . . 3,5–4 200 000 000 лет назад

Появление первой

жизни на Земле. . . 2 600 000 000–3 500 000 000 лет назад

Появление примитивных

беспозвоночных (синяя глина

окрестностей Ленинграда). . . . . . 500 000 000 лет назад

Появление панцирных рыб (девон). . 400 000 000 лет назад

Эпоха каменного угля. . . . . . . . 350 000 000 лет назад

Начало третичной эпохи и время

образования Альпийских гор. . . . . 60 000 000 лет назад

Появление человека. . . . . . . около 1 500 000 лет назад

Начало ледниковых эпох. . . . . . до 1 000 000 лет назад

Конец последней ледниковой эпохи. . . . 20 000 лет назад

Начало тонкой обработки камня. . . . . . 7000 лет назад

Начало века меди. . . . . . . . . . . . . 6000 лет назад

Начало века железа. . . . . . . . . . . . 3000 лет назад

Таково определение времени в прошлом по каменным документам истории природы. Дальше хронология обрывается. За пределами геологической истории Земли и истории Солнца прошлое скрыто пока от пытливой мысли ученого. Пусть, однако, и в вышеприведенных цифрах читатель увидит лишь первое, грубое приближение к истине: пока только намечаются вехи, пытаются измерить время прошлого. Еще много трудов, много разочарований, ошибок и ложных побед испытает человеческая мысль, пока она из приближенных чисел нашей хронологии сумеет построить точную хронологию мира и на летописях камня прочтет свое прошлое.

Еще много придется работать ученым, чтобы использовать хронологию в самой жизни и суметь возраст растений и животных сделать точными часами прошлого.

Глава IV
Драгоценный и технический камень

Алмаз

Среди драгоценных камней самый сияющий, самый замечательный – это алмаз. Ни один камень не может с ним сравниться! Сверкающий, переливающийся всеми цветами радуги, более твердый, чем все тела природы, несокрушимый – недаром само слово «алмаз» происходит от греческого слова, обозначающего «неукротимый», «непреоборимый». Но не только в окне ювелирного магазина или в музее драгоценностей видим мы этот самоцвет (или, как говорят про него наши уральские кустари, «самосвет») – алмаз нужен стекольщику, когда он режет стекло; в разных мастерских алмазным острием производят самые тонкие работы. Алмаз особенно необходим в тех инструментах, которые называют бурами и которые врезаются в скалы и камни. Наконец, всюду, где надо пилить тонкими пилами сталь или твердый камень, где надо тонко полировать твердые пластинки или просверливать точно калиброванные отверстия в наиболее твердом материале (даже в самом алмазе), нужен алмазный порошок. Если человеку удалось прорыть туннели через горы длиной в десятки километров; если он врезается своими буровыми инструментами на глубину свыше шести километров; если ему удалось изготовить столь тонкие приборы, что отдельные деления и линии на их шкале можно разглядеть лишь в увеличительное стекло, – то все это стало возможным только потому, что в руках человека имеется алмаз. Неудивительно поэтому, что больше половины этого камня идет сейчас на нужды техники, и даже самые некрасивые, непрозрачные камни, с трещинами и включениями, находят себе применение.

Ценность алмаза заключается в замечательном сочетании нескольких свойств. Это самый твердый камень в природе, который можно царапать, резать или полировать только другим алмазом.[18]18
  Уже после смерти Ферсмана удалось получить в печах вещества карбид и нитрид бора, которые в некоторых случаях даже тверже алмаза. – Примеч. ред.


[Закрыть] Он нерастворим ни в одной жидкости, которую знает человек, кроме расплавленного металла или расплавленной горной породы. Он не горит в обычном огне, и только при температуре выше 800 °C можно сжечь алмаз в сплаве с селитрой. Наконец, алмаз обладает особенным свойством – рассеивать свет солнца, то есть делать то, что производят капельки дождя, образующие на небе яркую, пеструю радугу.

Ограненный алмаз дает особенно яркую радугу, которая, переплетаясь своими оранжевыми, голубыми, слепящими цветами, так поражает нас в этом камне.

Но самое замечательное то, что по своему составу алмаз – простой углерод. Он отличается от обычной сажи в трубе и от черного графита в карандаше только тем, что в нем иначе расположены мельчайшие частички того же элемента – углерода.

Из предмета роскоши алмаз превращается ныне в могучее орудие техники. Ни один кристаллик этого вещества, как бы некрасив и невзрачен он ни был, не пропадает в руках человека: лучшие и наиболее чистые кристаллики шлифуют в бриллианты; другие вставляют в коронки буровых инструментов, разламывают по спайности и изготовляют иголочки для гравировки; третьи измельчают в порошок для шлифовки твердых драгоценных камней и самого алмаза. Даже маленькие камни стоят раз в двести – триста дороже равных им по весу драгоценных металлов – платины и золота, а большие камни по цене нельзя сравнить с самыми редкими элементами. Достаточно вспомнить, что самый большой алмаз, найденный в Южной Африке, знаменитый «Куллинан», весил около шестисот граммов и был оценен в два миллиона рублей золотом.

Каждый год добывается алмазов более чем на четверть миллиарда рублей золотом, и эта цифра среди природных выработок полезных ископаемых стоит наравне с ценностью добычи меди и серебра.

Неудивительно поэтому, что алмаз упорно привлекает внимание исследователей и вопрос о его происхождении и искусственном получении вырастает в целую проблему огромного теоретического и экономического значения.

Долгое время алмаз находили только в россыпях рек: в Индии и Бразилии его намывали из речных песков. Породы, в которых произошло образование алмаза, были неизвестны.

Но вот почти сто лет тому назад маленькая девочка, игравшая в песке, нашла первый алмаз в Южной Африке. С тех пор Африка сделалась центром мировой добычи алмазов, и сейчас целая страна с несколькими миллионами населения живет добычей этого камня.

Когда геологи стали изучать эту страну, их внимание привлекли огромные воронкообразные углубления, заполненные магнезиально-силикатной породой – кимберлитом. Эти воронки прорезают не только граниты, но и покрывающие их слои разнообразнейших образований. Как сильны должны были быть те взрывы, которые сопровождали подъем этих некогда расплавленных масс! Огромные количества скопившихся в них газов и паров воды открывали себе доступ через эти вулканические жерла, и вслед за ними магма, внезапно освободившаяся от огромного давления, поднималась вверх отдельными порывами, то застывая по дороге, то вновь разламывая образовавшуюся кору и захватывая обломки окружающих пород.

Такова картина извержений этих темных пород, подобных базальту. В них рассеян алмаз, но так редко, что на каждые полторы тонны породы обычно приходится не больше 0,1 грамма драгоценного камня.

Много было споров, и много научных догадок высказали исследователи по вопросу о том, когда и как образуется в этих породах алмаз. Теперь уже выясняется, что алмаз выкристаллизовывался из кимберлитовой магмы, как из сплава, еще на очень больших глубинах при больших давлениях.

Но если это так, то напрашивается мысль: попытаться искусственно получить алмаз, повторив в лаборатории то, что делает природа. Много сил ученые затратили на то, чтобы искусственно из угля или графита получить алмаз. Почти девяносто лет тому назад в расплавленном литии, а потом и в расплавах других металлов под огромным давлением были выделены маленькие-маленькие кристаллики алмаза.

Однако получить хорошие кристаллы не удавалось.

Но представим себе, что эта задача решена и химикам в каких-либо особых печах удастся получать громадные кристаллы чистейшего алмаза в любых количествах.

Что же произойдет?

В Южной Африке сразу уничтожится целая отрасль промышленности.

Преобразуется вся техника человека: острые зубья, пилы и сверла, целые инструменты из твердого алмаза внесут полное изменение в машины; бурение гор сделается легким и доступным; металлы станут резать, пилить, полировать алмазом, алмазным резцом, алмазным порошком…

Сказочная картинка, может быть, очень отдаленного будущего. В ней, конечно, много смелой фантазии, но разве многие романы Жюля Верна не превратились в действительность наших дней?[19]19
  Эта мечта минералогов и геохимиков уже осуществлена: при сверхвысоких давлениях и температурах были синтезированы технические алмазы. В настоящее время получены и ювелирные кристаллы, а также чрезвычайно ценные для техники разновидности алмаза – балласы и карбонадо. – Примеч. ред.


[Закрыть]

Горный хрусталь

Возьмите в руку обломок горного хрусталя и такой же кусок стекла – оба похожи и по своему цвету, и по прозрачности. Если их разбить, у них будут одинаково острые, режущие края и формы излома. Но будет и различие: горный хрусталь долгое время останется холодным в вашей руке, стекло очень скоро сделается теплым. Недаром в древности в домах богатых римлян держали большие хрустальные шары, о которые охлаждали руки. Это явление происходит оттого, что горный хрусталь гораздо лучше проводит тепло, чем стекло. Поэтому тепло руки быстро расходится по всему камню, а в стекле нагревается только его поверхность. Знали ли это свойство древние греки или нет – неизвестно, но, во всяком случае, именно они дали нашему камню название «хрусталь» от греческого наименования льда, так как действительно горный хрусталь очень похож на лед. Недаром знаменитый римский натуралист Плиний-старший писал про горный хрусталь: «Из небесной влаги и чистейшего снега должны рождаться хрустали».

Горный хрусталь – это прозрачная, чистая кристаллическая разновидность кварца, того минерала, который мы находим и в зернах наших песков, и в сером полупрозрачном камне наших северных гранитов, и в зернышках точильного бруска, и в пестром агате или яшме наших уральских безделушек.

Чистые, прозрачные кристаллы горного хрусталя достигают огромных размеров, и образцы в 15–20 килограммов весом нередки. На Полярном Урале известны прозрачные кристаллы весом до тонны, а на Мадагаскаре – до полутора тонн. Неудивительно поэтому, что из одного кристалла можно было вырезать целые предметы: так, в московской Оружейной палате хранится самовар из горного хрусталя, а в художественном музее в Вене – великолепная по отделке и тону флейта!

В Швейцарии и на Мадагаскаре горный хрусталь встречается в больших пустотах – пещерах. Недавно смелые советские минералоги проникли в труднодоступную тайгу Полярного Урала и там открыли такие же «погреба» с прозрачными горными хрусталями.

Горный хрусталь – замечательный, диковинный камень, и о нем полезно кое-что рассказать, так как в последние годы им начинают пользоваться очень широко и для самых разнообразных целей.

Мы уже говорили, что он хороший проводник тепла, потому им пользуются там, где нужно, чтобы тепло передавалось быстро. Во-вторых, он обладает особенными электрическими свойствами, и им пользуются в самых разнообразных приборах, особенно в радиотехнике. Горный хрусталь незаменим в тонком производстве различных точных оптических приборов. Здесь имеют значение и его большая твердость, и очень высокая тугоплавкость, и замечательная чистота, и то, что он не разлагается кислотами.

Но у хрусталя есть еще и другие ценные свойства. Возьмем и нагреем его в электрической печке почти до 2000 °C – горный хрусталь расплавится и потечет, как стекло; и, как на стеклянном заводе, из него тогда можно будет готовить стаканы, трубки, пластинки и прочее. На вид это как будто совсем обыкновенное стекло, однако в действительности это не так: если горячий стакан из простого стекла бросить в холодную воду или, наоборот, налить кипяток в холодный стакан, то обыкновенно он лопается. Не то будет с кварцевым стаканом: вы можете его накалить докрасна, бросить в ледяную воду, – он не изменится и останется цел. Другое замечательное свойство горного хрусталя – способность давать тончайшие кварцевые нити. Правда, и из простого стекла вытягивают ниточки и даже делают вату, которая нередко употребляется для украшения елок или для химических фильтров. Однако из расплавленного кварцевого стекла можно вытянуть такие тонкие нити, что они почти не заметны для простого глаза: надо сложить рядом пятьсот таких нитей, чтобы получить толщину простой спички, а вся спичка будет сложена из четверти миллиона ниточек. Такие ниточки получаются при стрельбе каплями расплавленного хрусталя из специальных приспособлений.

Чистота и прозрачность горного хрусталя уже давно сделали его прекрасным материалом для огранки или приготовления печаток и разных безделушек. В селе Берёзовском, под городом Свердловском на Урале, живут кустари, которые быстро, на простых станочках, обтачивают кварцевые гальки и готовят бусинки. Просверленные насквозь 50–70 бусинок нанизывают вместе – и готово прекрасное, сверкающее ожерелье, как бы сделанное из алмазов.

Все больше и шире применяется горный хрусталь в нашей жизни, в промышленности и технике, и все упорнее человек хочет получить его искусственно и заменить природу своей лабораторией. Если мы удачно получаем в наших печах искусственные рубины и сапфиры, если мы так хорошо научились готовить сотни различных солей и минералов, то неужели мы не сумеем в наших лабораториях получить просто окристаллизованный кварц? Ведь одна шестая часть всей окружающей земной коры состоит из кварца, и этот обыкновенный минерал Земли на тысячу ладов кристаллизуется вокруг нас. Но это не так просто. Получить горный хрусталь долгое время не удавалось химику-минералогу. Только недавно в Италии нашли разгадку, и в очень сложной обстановке, в особых кристаллизаторах удалось вырастить чудные прозрачные кристаллики, но не больше полутора сантиметров длины.

Как будто бы правильный путь уже найден, и я уверен, что через несколько десятков лет геологи не будут больше с опасностью для жизни взбираться на вершины Альп, Урала или Кавказа в погоне за кристаллами, не будут добывать их в безводных пустынях Южной Бразилии или в наносах Мадагаскара. Я уверен, что мы будем по телефону заказывать нужные куски кварца на государственном кварцевом заводе, где в больших закрытых тиглях с перегретыми растворами при больших давлениях будут расти прозрачные камни горного хрусталя. На смену горняку приходит химик![20]20
  В настоящее время в заводских условиях выращиваются кристаллы горного хрусталя и других разновидностей кварца (аметиста, цитрина, мориона и даже неизвестных в природе синих и зеленых кварцев) весом до 1 кг и более. Ученые даже пытаются избежать ошибок природы: находят способы получать редчайшие в естественных месторождениях однородные (не сдвойникованные) кристаллы кварца. – Примеч. ред.


[Закрыть]