Окраска минералов и ее причины.

Свойство, которое прежде всего обращает на себя внимание любого исследователя - это цвет или окраска минералов. Одни минералы имеют определенный цвет, по которому можно практически безошибочно определить минерал: красного цвета киноварь, золотисто-желтого цвета пирит, зеленого цвета малахит и другие. Другие минералы - турмалин, гранат, флюорит, берилл, кварц - имеют различную окраску. Встречаются и такие минералы, которые имеют разный цвет в одном и том же кристалле: один конец кристалла турмалина может быть окрашен в черный, другой - в зеленый цвет, а середина бесцветная или розовая. Это полихромные минералы. К таким минералам можно отнести флюорит, кварц, кальцит, топаз и др. Цвет минералов зависит от их внутренней структуры, от механических примесей и, главным образом, от присутствия элементов-хромофоров, т.е. элементов - носителей окраски. Это Cr, V, Ti, Mn, Fe, Ni, Co, Cu, U, Mo и некоторые другие. Эти элементы могут быть основными элементами минерала (Cu в малахите; Mn в родоните), а могут входить в состав минерала лишь в виде примесей. Так, примесь Cr вызывает зеленую окраску в изумруде - разновидности берилла Be3Al2[Si6O18] и красную окраску в рубине - разновидности корунда Al2O3.

А.Е.Ферсман выделял следующие цвета (окраски) минералов: 1. Идиохроматическая (собственная) окраска, обусловленная особенностями химического состава, кристаллической структуры, присутствием ионов-хромофоров или электронно-дырочных центров окраски. 2. Аллохроматическая, связанная с механическими включениями ярко окрашенных посторонних минералов (например, буро-коричневый авантюрин - кварц, содержащий тонко рассеянные чешуйки гематита Fe2O3; розовый ортоклаз за счет механической примеси гематита; зеленый шеелит за счет тонко рассеянной примеси малахита по микротрещинам и др.). 3. Псевдохроматическая окраска, связанная с рассеянием света, интерференцией световых волн (побежалость, иризация, опалесценция). Например, яркая фиолетовая и синяя побежалость у борнита Cu5FeS4; зеленоватая и красная побежалость у халькопирита CuFeS2; яркая синяя иризация лабрадора.

Интенсивность окраски зависит от агрегатного состояния и характера поверхности минералов. В крупных кристаллах и грубозернистых агрегатах окраска многих минералов обычно темнее, чем в мелких зернах, тонкозернистых или дисперсных агрегатах. Природа окраски многих минералов до настоящего времени не установлена. Вместе с тем, умение правильно определять и интерпретировать цвет минералов очень важно для геологов. Так, зеленые примазки малахита указывают на наличие первичных медных руд; розовые порошковатые налеты - на руды кобальта; бурые и ржавые окраски гидроксидов железа могут свидетельствовать о наличии зоны окисления рудного месторождения. Важным приемом определения цвета минерала при его диагностике является определение цвета его порошка или цвета черты, оставленной минералом на не глазурованной шероховатой фарфоровой пластинке (бисквите). Цвет минерала в порошке может отличаться от цвета самого минерала. В тонком порошке часто легче оценить истинную окраску минерала. Однако, это возможно лишь для минералов, твердость которых невелика. Часто одинаковые на вид минералы имеют разную черту. Так, черта гематита вишнево-красного цвета, хромита - желто-бурая, сфалерита - темно-коричневая, хотя все эти минералы в образце могут иметь черную окраску.

Напротив, золотисто-желтый пирит имеет черного цвета черту. Это различие используется как важный прием в диагностике минералов. Идиохроматизм1. Во многих случаях окраска природных соединений, никогда не встречающихся в виде бесцветных кристаллов, обусловлена внутренними свойствами самого минерала (его конституцией). Таковы, например, черный магнетит (FeFe2O4), латунно-желтый пирит (FeS2), карминно-красная киноварь (HgS), зеленые и синие кислородные соли меди (малахит, азурит, бирюза и др.), густо-синий лазурит и т. д. Эти типичные окраски минералов получили название идиохроматических. В различных минералах они обусловлены разными причинами. 1. В многочисленных минералах окраска обязана своим происхождением тому, что в состав самих соединений входит какой-либо хромофор, т. е. химический элемент, приносящий окраску. К числу их, как давно уже было установлено, относятся следующие: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, т. е. эле_ менты семейства железа, располагающиеся в центре менделеевской таб_ лицы элементов, разбитой по длинным периодам, и в меньшей степени — W, Mo, U, Сu и TR. Наиболее ярким представителем хромофоров является хром, само название которого указывает на эту его особенность1. Содержание хрома в минералах обусловливает весьма интенсивные окраски — красную (пи_ роп, рубин и др.), ярко-зеленую (изумруд), фиолетовую (родохром, кеммерерит). Насколько сильным красителем является хром, можно судить по тому, как изоморфная примесь окиси хрома в количестве всего лишь 0,1 % окрашивает бесцветное соединение — окись алюминия — в густой ярко-красный цвет. При этом содержании расстоя_ ние между двумя ближайшими частицами хромофоров в массе корунда составит около 20 A°, т. е. во много раз больше, чем радиусы самих ионов (0,57 A° у Аl и 0,64 A° у Сr). Очевидно, ионы хрома, сильно отличаясь от ионов алюминия по конфигурации электронных оболочек, создают вок_ руг себя сильные нарушения в симметрии электрического поля и, несмот_ ря на состояние рассеяния, оказывают свое влияние на всю структуру соединения. Указанные выше зеленые и фиолетовые окраски минералов обусловлены значительным содержанием Cr2O3 (до нескольких процентов и даже десятков процентов). Сама чистая окись хрома также окрашена в зеленый цвет. Однако нельзя утверждать, что причиной зеленой окраски всегда являются большие содержания хрома в химических соединениях. Установлено, например, что зеленые бериллы — изумруды — обязаны своей чудесной яркой окраской совершенно ничтожной изоморфной примеси Сr2О3 к Аl2О3 в пределах нескольких сотых процента, а нередко зеленая окраска изумрудов связана отчасти и с присутствием V2O3. Следовательно, явление окраски минералов далеко не столь простое, как это могло бы показаться с первого взгляда. Ион [CrO4]2–, содержащий Сr6+, в искусственных соединениях обычно дает желтые соединения, но в соединении его с сильно поляризующими катионами наблюдается окрашивание в густой оранжево-красный цвет. Таков, например, минерал крокоит (РЬ[CrO4]).

2. В некоторых случаях минерал может быть окрашен в тот или иной цвет вне всякой связи с хромофорами или с изменением его химического состава, так как химическим и спектральным анализами не удается установить хотя бы ничтожные следы каких-либо примесей красящего пигмента. Так, известны случаи окраски каменной соли (NaCl) в красивый синий цвет. Оказалось, что эта окраска своим происхождением обязана тому, что часть ионов этого соединения, в частности натрия, превратилась в нейтральные атомы, присоединив к себе необходимые для этого электроны. Это один из случаев так называемой дефектной окраски (активными центрами, вызывающими специфическое поглощение света в некоторых участках спектра, являются дефекты структуры). Такую окраску в прозрачной каменной соли легко вызвать искусственно. Для этого достаточно пропитать ее парами металлического натрия. Точно такой же результат можно получить, если воздействовать на каменную соль катодными лучами, приносящими с собой свободные электроны. Следовательно, окраска некоторых прозрачных минералов может быть связана с изменением однородности строения кристаллических структур, с изменением электростатического состояния ионов, могущих превращаться под влиянием тех или иных причин в нейтральные атомы или в возбужденные (слабо заряженные) атомы. В сущности, окраска минералов такого происхождения, обусловленная привходящими причинами, не имеющими прямого отношения к конституции минерала, т. е. не присущая всем его индивидам без исключения, должна быть отнесена к алло_ хроматической (см. ниже). 3. Особую, хотя и очень небольшую группу окрашенных минералов составляют такие соединения, в которых окраска обусловлена не наличием хромофоров и не нарушением электростатической однородности кристаллических структур, а присутствием ионов или целых групп их внутри пустых промежутков структуры. Это относится, в частности, к тем силикатам, у которых имеет место «внедрение» таких дополнительных анионов, как Cl1–, [SO4]2– и др. Примером здесь может служить ярко-синий минерал лазурит. Истинная природа этого явления, получившего название стереохроматизма, еще не разгадана, но ясно то, что окраска таких минералов, несомненно, связана с группами присоединения или внедрения, которые сами по себе не являются хромофорами. Характерны прочность и стой_ кость в огне этих окрасок, которые были известны еще за несколько тысячелетий до нашей эры, когда лазурит применялся в качестве краски. Известно немало примеров, когда один и тот же минерал бывает окрашен в различные цвета и оттенки. Так, кварц, обычно встречающийся в виде бесцветных, часто совершенно прозрачных кристаллов (горный хрусталь), бывает окрашен в красивый фиолетовый цвет (аметист), розовый, желтобурый (от окислов железа), золотистый (цитрин), серый или дымчатый (раухтопаз), густой черный (морион), наконец, в молочно-белый цвет. Точно так же каменная соль — галит — может обладать белым, серым, желтым, бурым, розовым и иногда синим цветом. В большинстве случаев окраска в таких минералах связана с посторонними тонкорассеянными механическими примесями, окрашенными в тот или иной цвет хромофорами (носителями окраски). Эти красящие вещества могут быть представлены как неорганическими, так и органическими соединениями. Часто бывает достаточно совершенно ничтожного их количества для того, чтобы вызвать интенсивное окрашивание бесцветных минералов, причем окраска зависит не только от количества, но и от степени дисперсности этих веществ.

Подобные окраски, не зависящие от химической природы самого минерала, носят название аллохроматических (т. е. чуждых самим минералам). Окрашенные таким способом минералы представляют собой не что иное, как кристаллозоли. Наблюдаются и более грубые дисперсии, т. е. на глаз заметные рассеянные включения тех или иных минералов. Таковы, например, зеленоватые кристаллы кварца с микроскопическими включениями актинолита, черный кальцит, переполненный мельчайшими включениями сульфидов или углеродистого вещества, и др. Наконец, следует указать на многие аллохроматически окрашенные полупрозрачные и непрозрачные коллоиды (гели) и метаколлоиды. В большинстве случаев к числу загрязняющих красящих примесей принадлежат бурые гидроокислы железа, красная окись железа, черные окислы марганца, органические вещества и др. Очень часто красящий пигмент в них рас_ пределен неравномерно, иногда концентрическими слоями. Таковы, напри_ мер, агаты с их замечательно тонкими и разноцветными рисунками.

Псевдохроматизм1. В некоторых прозрачных минералах иногда наблюдается «игра цветов», обусловленная интерференцией падающего света в связи с отражением его от внутренних поверхностей трещин спайности, иногда от поверхности каких-либо включений. Это явление нам хорошо знакомо по иризирующим пленкам керосина, нефти, масла, плы_ вущим по воде и окрашенным в различные «цвета радуги». Оно объясняется тем, что здесь интерферируют лучи света, отраженные от передней поверхности прозрачной пленки (ее границы с воздухом) и задней (поверхности раздела с водой). Подобные явления ложной окраски наблюдаются и в твердых прозрачных минералах. Прекрасным примером может служить поделочный камень, относящийся к группе плагиоклазов из семейства полевых шпатов — лабрадор, в котором, особенно на полированных плоскостях, при некоторых углах поворота вспыхивают местами красивые синие и зеленые переливы, обусловленные интерференцией света на параллельно расположенных тончайших пластинах (ламелях) различного по основности плагиоклаза. Такая микроструктура образуется при распаде первоначально гомогенного твердого раствора. Иризирующие пестроокрашенные пленки нередко наблюдаются на почковидной поверхности бурых железняков (гидроокислов железа), кристаллах железного блеска, на слегка окислившейся поверхности борнита — Cu5FeS4 (в виде фиолетовых и синих отливов) и др. Во всех этих случаях окраска ничего общего не имеет с природой самого минерала. Подобные пленки на минералах называются побежалостями.