Морфология минеральных индивидов и агрегатов

Кристаллы

       Кристаллы (от греч. "кристаллос" - лёд, горный хрусталь) - твёрдые тела, имеющие приобретённую путём естественного роста форму правильных многогранников. Эта форма является следствием упорядоченного расположения в кристалле атомов, образующих трёхмерно-периодическую пространственную укладку - кристаллическую решётку.
       Кристаллы - равновесное состояние твёрдых тел. Каждому химическому веществу, находящемуся при данных термодинамических условиях (температура, давление) в кристаллическом состоянии, соответствует определённая кристаллическая структура. Все кристаллы обладают той или иной внутренней симметрией расположения атомов в решётке, и соответствующей ей макроскопической симметрией внешней формы, а также анизотропией физических свойств (способность кристалла проявлять различные свойства в разных направлениях).  Гемиморфизмом называют несимметричное огранение разных концов кристалла, когда кристаллографическая форма кристалла характеризуется несимметричностью: его противоположные концы ограничены неодинаковым числом граней или или это грани разной формы. При этом со стороны т. наз. "антилогичного полюса"  головка кристалла бывает богаче гранями, а противоположный, т. наз. "аналогичный полюс", обычно беднее гранями. Яркий тому пример - турмалин (см. фото), кристаллы которого со стороны антилогичного полюса заряжаются отрицательно при нагревании конца кристалла, совпадающего с положительным направлением главной оси.
      В кристаллографии разделяют понятия о кристалле идеальном и кристалле реальном. Идеальный кристалл - это отвлечённый  математический объект, обладающий всей полнотой симметрии, обусловленной симметрией его кристаллической структуры и как следствие - идеальной формой. В отличие от идеального, реальный кристалл всегда имеет пониженную симметрию вследствие наличия разных внутренних дефектов и воздействий со стороны внешней среды. Так, согласно универсальному принципу симметрии П.Кюри, при росте реального кристалла сохраняются только те элементы его внутренней симметрии, которые совпадают с симметрией среды кристаллизации.
       Pеальным граням кристалла могут соответствовать лишь те плоскости кристаллической решётки, которые имеют наибольшую ретикулярную плотность, т.е. на которых на единицу площади приходится наибольшее число составляющих её частиц (атомов, ионов. Поскольку таких плоских сеток в структурах не бывает много, кристаллы имеют ограничения в отношении числа возможных граней.
       Рост кристалла начинается с образования "зародышей", после чего при длительном равномерном поступлении вещества формируются гранные кристаллические формы. Основное условие зарождения - переохлаждение или перенасыщение. Зарождение кристаллов может идти самостоятельно. Но иногда для роста кристаллов достаточным бывает наличие мельчайших кристалликов самого кристаллизуемого вещества или близких к нему по строению частиц других твердых веществ. При большой скорости образования центров кристаллизации возникает много мелких кристаллов, при малом количестве центров возникают крупные кристаллы. Рост кристаллов может происходить в насыщенном растворе, расплаве, газообразной или твёрдой среде в основном за счёт новых слоёв вещества, откладывающихся на гранях кристаллического многогранника. Согласно теории совершенного роста идеального кристалла новые частицы присоединяются к растущему кристаллу так, чтобы при этом выделялось наибольшее количество энергии. С наибольшей долей вероятности такие частицы будут притягиваться во входящие углы. Соответственно на кристалле не должно образовываться нового слоя до тех пор, пока растущий слой целиком не покроет грани кристалла. В итоге возникает идеально образованный кристалл в виде выпуклого многогранника с плоскими гранями.
     Кристаллы многих веществ растут по послойному механизму. Начало новому слою на атомно-гладкой поверхности может дать двумерный зародыш, который создаст ступени с изломами на их торцах. Возникновение двумерных зародышей происходит при больших пересыщениях. Образование ступени на гладкой грани в результате термодинамических флуктуаций возможно только в условиях высокого пересыщения. Рост многих кристаллов наблюдается при очень низких пересыщениях, на один-два порядка меньших, чем это необходимо для формирования двумерных зародышей. Здесь источником ступеней служат винтовые дислокации, которые образуют на поверхности уже готовую ступень. С увеличением пересыщения может наблюдаться появление двумерных зародышей на террасах между ступенями, идущими от дислокационного источника.
      По новейшим данным все реальные кристаллы в той или иной степени являются мозаичными. В упрощенном виде реальный кристалл можно рассматривать, как мозаику кристаллических блоков, размеров порядка 10^-5 см, отклонённых друг от друга на углы в доли минуты и разделенных дефектами и трещинами.
     Если кристалл вырос в неравновесных условиях и не имеет в силу этого правильной огранки, или утратил её в результате тех или иных внешних причин (природные и иные повреждения, ювелирная обработка и т. п.), он тем не менее сохраняет основной признак кристаллического состояния - внутреннюю решётчатую атомную структуру и все определяемые ею физические и внешние свойства. Этим объясняется способность осколков кристалла (или его фрагментов любой неправильной внешней формы) при попадании в благоприятную для кристаллизации данного вещества среду покрываться новыми гранями и дорастать до более или менее правильного многогранника с соответствующей симметрией. Это явление известно под названием  регенерация.

      Регенерация - зарастание поверхностей скола и иных повреждений на кристаллах.  При регенерации зарастание начинается во многих точках поверхности и в начале процесса получается многоглавый рост, причем сначала возникают грани, наиболее близкие по положению (насколько это допускает кристаллическая структура) к сколу. Затем эти грани последовательно заменяются другими, стремящимися к равновесной форме; головки новообразований постепенно сливаются и в результате может получиться одна новая грань или вершина кристалла. Способность к такому "самозалечиванию" в каком-то смысле, пусть и формально, но роднит кристаллы с живыми организмами. Ведь любой кристалл, получивший те или иные повреждения, будет "пытаться" при наличии благоприятных к тому внешних условий к восстановлению утраченной формы насколько возможно, к избавлению от дефектов и повреждений.

       Все реальные кристаллы, встречаемые в природе, являются геометрическими многогранниками и представляют собой либо т. наз. "простые кристаллографические формы",  либо их  комбинации. Простая кристаллографическая форма - это совокупность одинаковых по форме и размерам граней, получаемых из одной исходной плоскости при помощи элементов симметрии. Например, с помощью оси симметрии 3-го порядка можно из одной плоскости получить тригональную призму; с помощью оси 4-го порядка - тетрагональную; с помощью оси 6-го порядка - гексагональную. Пересечения простых кристаллографических форм образуют прямые линии, называемые ребрами. Преобладание тех или иных простых кристаллографических форм определяет внешний облик и габитус кристаллов.
       При описании форм кристаллов различают  простые формы и их комбинации. Так, если рассматривается кристалл, образованный гранями только одной простой формы, то принято говорить о простой форме кристалла (куб, октаэдр, ромбоэдр, скаленоэдр), если же в огранении кристалла участвуют две и более простые кристаллографические формы, то говорят о комбинационной форме кристалла (кубооктаэдр, скаленоромбоэдр).
       Совокупности граней, обладающие одними и теми же свойствами симметрии принадлежат к одному сорту простых форм независимо от симметричных операций, с помощью которых они были выведены. Так, например, совокупность двух параллельных одинаковых граней, связанных элементами симметрии, всегда относится к пинакоиду.
       Многообразие кристаллов не исчерпывается "гранными" простыми формами, т.е. свойственными выпуклым кристаллическим многогранникам с плоскими гранями. Для описания кристаллических фигур, не имеющих хорошо выраженной многогранной формы (например, скелетный кристалл льда - снежинка) были выведены также вершинные и рёберные простые кристаллографические формы.

       Пирамиды и зоны роста кристалла. Грани разных простых кристаллографических форм растут с различной скоростью и обладают специфической способностью адсорбировать вещество из среды, в которой растёт кристалл. Поэтому они по-разному поглощают изоморфные и иные примеси и характеризуются разной дефектностью строения. Как результат, тело кристалла состоит из пирамид, которые расходятся от центра кристалла, а их основаниями являются его внешние грани. В срезах из них получаются сектора роста. Пирамиды нарастания одной простой кристаллографической формы характеризуются одинаковыми химическим составом, структурными особенностями и физическими свойствами, отличными от таковых в пирамидах нарастания других простых форм. Обычно эти различия незначительны, но известны случаи, когда разные пирамиды одного и того же зерна отличались настолько существенно, что их свойства проявлялись по-разному.
       Кристаллы состоят из пирамид нарастания (секторов), число которых равно числу растущих граней кристаллов в соответствующий момент роста. Неодинаковость свойств секторов обусловлена неравномерным распределением между секторами изоморфных (структурных) примесей, механических примесей, включений. Секториальность и зональность часто проявлены в одном и том же кристаллическом индивиде, они формируются в растущем кристалле вместе, но различные пирамиды нарастания растут одновременно, тогда как отдельные зоны - последовательно. Секториальное и/или зональное строение прозрачных кристаллов часто можно наблюдать визуально.

       Дефекты кристаллов. Нарушение правильности в расположении частиц, слагающие структуры реальных кристаллов, т.е. отклонения от их идеальной структуры, порождают дефекты. Для исследователя дефект - это источник информации о событиях, произошедших с кристаллом.
       В реальных кристаллах всегда присутствуют структурные дефекты, которые оказывают существенное влияние на многие свойства твердых тел. К этим свойствам, именуемым структурно-чувствительными, относятся те, которые связаны с движением атомов или электронов. Это механические свойства (прочность и пластичность), ионная и полупроводниковая электропроводность, люминесценция, фотопроводимость, теплопроводность, скорость диффузии и фазовых превращений, и ряд других.
Дефекты - любые отклонения от периодической структуры кристалла - классифицируют по их размерам и протяженности областей решетки, на которое распространяется их действие. Выделяют следующие типы дефектов кристаллической решетки:
 • Точечные или нульмерные дефекты - нарушения в периодичности в изолированных друг от друга точках решетки; во всех трех измерениях они не превышают одного или нескольких междуатомных расстояний (параметров решетки). Точечные дефекты - это вакансии, междоузельные атомы, атомы примеси, внедренные или в позиции замещения.
 • Линейные дефекты - одномерные, т. е. протяженные в одном измерении: нарушения периодичности в одном измерении простираются на расстояния, сравнимые с размером кристалла, а в двух других не превышают нескольких параметров решетки. Специфические линейные дефекты - это дислокации. Неустойчивые линейные дефекты могут возникать из цепочек точечных дефектов.
 • Поверхностные или двумерные дефекты. Простираются в двух измерениях на расстояния, сравнимые с размером кристалла, а в третьем составляют несколько параметров решетки. Это плоскости двойникования у двойников, границы зерен и блоков, дефекты упаковки, стенки доменов, и сама поверхность кристалла.
 • Объемные или трехмерные. Это пустоты, поры, частицы другой фазы, включения.

       Многообразие природных кристаллов не исчерпывается лишь формами, обусловленными внутренней структурой кристалла, т.е. симметрией и свойствами кристаллической решетки. В конечном счёте та или иная форма кристалла является результатом взаимодействия симметрии его внутренней структуры и симметрии среды кристаллизации. Условия роста кристаллов одного и того же минерала с разных месторождений бывают столь различны, что по специфическим отклонениям форм кристаллов от идеальной часто можно с достаточной уверенностью определить, с какого именно месторождения или даже его части (рудной жилы, "погреба")  происходит тот или иной образец. Пространственно неравномерное или одностороннее поступление обеспечивающих рост кристалла компонентов или физико-химическая неоднородность самой среды кристаллизации может приводить к искажениям внешней формы и симметрии кристалла. И по характеру этих искажений можно судить об особенностях среды, в которой формировался кристалл. А также об изменениях условий роста кристалла во времени - по множеству признаков, "записанных" как на поверхности кристалла, так и в его внутренней анатомии, в т. ч. в секториально-зональном внутреннем строении.

     Литература:
 • Белов Н.В.  Структура ионных кристаллов и металлических фаз, М., 1947.
 • Гениш Г. (1963). Выращивание кристаллов в гелях. Москва: Мир. 111 с.
 • Леммлейн Г.Г. Морфология и генезис кристаллов. - М.: Наука, 1973, 327 с.
 • Смольянинов Н.А.  Практическое руководство по минералогии. М., "Недра", 1972
 • Федоров Е.С.  Симметрия и структура кристаллов. М., 1949
 • Шафрановский И.И., Алявдин В.Ф.  Краткий курс кристаллографии. М., "Высшая школа", 1984
 • Шафрановский И.И.  Лекции по кристалломорфологии. М., "Высшая школа", 1968
 • Шубников А.В., Флинт Е.Е., Бокий Г.Б. Основы кристаллографии. М.-Л., 1940
 • Петровский В.А. Рост кристаллов в гетерогенных растворах // Наука, 1983. 144 с.
 • Трейвус Е.Б. Кинетика роста и растворения кристаллов // JI.: Изд-во ЛГУ, 1979. 248 с.
 • Асхабов A.M. Регенерация кристаллов // Л.: Наука, 1979. - 176 с.
 • Асхабов A.M. Основы кватаронной теории кристаллообразования // Сыктывкарский минерал. сб. №30. Сыктывкар. 2001. С. 9-28.