Полезные ископаемые и их свойства кварц
Кварц — один из самых распространённых минералов в земной коре, породообразующий минерал большинства магматических и метаморфических пород. Свободное содержание в земной коре 12%. Входит в состав других минералов в виде смесей и силикатов. В общей сложности массовая доля кварца в земной коре более 60%. Имеет множество разновидностей и как ни один другой минерал разнообразен и по цвету, и по формам нахождения, и по генезису. Встречается практически во всех типах месторождений.
Химическая формула: SiO2 (диоксид кремния).
СТРУКТУРА
Тригональная сингония. Кремнезём, наиболее распространённой формой нахождения которого в природе является кварц, обладает развитым полиморфизмом.
Две основные полиморфные кристаллические модификации двуокиси кремния: гексагональный β-кварц, устойчивый при давлении в 1 атм. (или 100 кн/м2) в интервале температур 870-573°С, и тригональный α-кварц, устойчивый при температуре ниже 573°С. В природе широко распространён именно α-кварц, эту устойчивую при низких температурах модификацию обычно называют просто кварцем. Все гексагональные кристаллы кварца, находимые в обычных условиях, являются параморфозами α-кварца по β-кварцу. α-кварц кристаллизуется в классе тригонального трапецоэдра тригональной сингонии. Кристаллическая структура — каркасного типа, построена из кремне-кислородных тетраэдров, расположенных винтообразно (с правым или левым ходом винта) по отношению к главной оси кристалла. В зависимости от этого различают правые и левые структурно-морфологические формы кристаллов кварца, отличимые внешне по симметрии расположения некоторых граней (например, трапецоэдра и др.). Отсутствие плоскостей и центра симметрии у кристаллов α-кварца обусловливает наличие у него пьезоэлектрических и пироэлектрических свойств.
СВОЙСТВА
В чистом виде кварц бесцветен или имеет белую окраску из-за внутренних трещин и кристаллических дефектов. Элементы-примеси и микроскопические включения других минералов, преимущественно оксидов железа, придают ему самую разнообразную окраску. Причины окраски некоторых разновидностей кварца имеют свою специфическую природу.
Часто образует двойники. Растворяется в плавиковой кислоте и расплавах щелочей. Температура плавления 1713—1728 °C (из-за высокой вязкости расплава определение температуры плавления затруднено, существуют различные данные). Диэлектрик и пьезоэлектрик.
Относится к группе стеклообразующих оксидов, то есть может быть главной составляющей стекла. Однокомпонентное кварцевое стекло из чистого оксида кремния получают плавлением горного хрусталя, жильного кварца и кварцевого песка. Диоксид кремния обладает полиморфизмом. Стабильная при нормальных условиях полиморфная модификация — α-кварц (низкотемпературный). Соответственно β-кварцем называют высокотемпературную модификацию.
МОРФОЛОГИЯ
Обычны кристаллы в виде шестигранной призмы, с одного конца (реже с обоих) увенчанной шести- или трехгранной пирамидальной головкой. Часто по направлению к головке кристалл постепенно сужается. На гранях призмы характерна поперечная штриховка. Наиболее часто кристаллы имеют удлиненно-призматический облик с преимущественным развитием граней гексагональной призмы и двух ромбоэдров, образующих головку кристалла. Реже кристаллы принимают облик псевдогексагональной дипирамиды. Внешне правильные кристаллы кварца обычно сложно сдвойникованы, образуя наиболее часто двойниковые участки по т. н. бразильскому или дофинейскому законам. Последние возникают не только при росте кристаллов, но и в результате внутренней структурной перестройки при термических β-α полиморфных переходах, сопровождаемых сжатием, а также при механических деформациях.
В магматических и метаморфических горных породах кварц образует неправильные изометричные зерна, сросшиеся с зернами других минералов, его кристаллами часто инкрустированы пустоты и миндалины в эффузивах.
В осадочных породах — конкреции, прожилки, секреции(жеоды), щётки мелких короткопризматических кристаллов на стенках пустот в известняках и др. Также обломки различной формы и размеров, галька, песок.
РАЗНОВИДНОСТИ КВАРЦА
Авантюрин — желтоватый или мерцающий буровато-красный кварцит (в связи с включениями слюды и железной слюдки).
Агат— слоисто-полосчатая разновидность халцедона.
Аметист— фиолетовый.
Бингемит — иризирующий кварц с включениями гётита.
Бычий глаз — густо-малиновый, бурый
Волосатик — горный хрусталь с включениями тонкоигольчатых кристаллов рутила, турмалина и/или других минералов, образующих игольчатые кристаллы.
Горный хрусталь — кристаллы бесцветного прозрачного кварца.
Кремень — тонкозернистые скрытокристаллические агрегаты кремнезёма непостоянного состава, состоящие в основном из кварца и в меньшей степени халцедона, кристобалита, иногда с присутствием небольшого количества опала. Обычно находятся в виде конкреций или гальки, возникающей при их разрушении.
Морион — чёрный.
Переливт — cостоят из перемежающихся слоев микрокристаллов кварца и халцедона, никогда не бывают прозрачными.
Празем — зелёный (из-за включений актинолита).
Празиолит — луково-зелёный, получается искусственно прокаливанием жёлтого кварца.
Раухтопаз (дымчатый кварц) — светло-серый или светло-бурый.
Розовый кварц — розовый.
Халцедон— скрытокристаллическая тонковолокнистая разновидность. Полупрозрачен или просвечивает, цвет от белого до медово-жёлтого. Образует сферолиты, сферолитовые корки, псевдосталактиты или сплошные массивные образования.
Цитрин— лимонно-жёлтый.
Сапфировый кварц — синеватый, грубозернистый агрегат кварца.
Кошачий глаз — белый, розоватый, серый кварц с эффектом светового отлива.
Соколиный глаз — окварцованный агрегат синевато-серого амфибола.
Тигровый глаз — аналогичен соколиному глазу, но золотисто-коричневого цвета.
Оникс— коричневый с белыми и чёрными узорами, красно-коричневый, коричнево-жёлтый, медовый, белый с желтоватыми или розоватыми прослоями. Для оникса особо характерны плоско-параллельные слои разного цвета.
Гелиотроп — непрозрачная тёмно-зелёная разновидность скрытокристалического кремнезема, по большей части тонкозернистого кварца, иногда с примесью халцедона, оксидов и гидроксидов железа и других второстепенных минералов, с ярко-красными пятнами и полосами.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
Кварц образуется при различных геологических процессах:
Непосредственно кристаллизуется из магмы кислого состава. Кварц содержат как интрузивные (гранит, диорит), так и эффузивные (риолит, дацит) породы кислого и среднего состава, может встречаться в магматических породах основного состава (кварцевое габбро).
В вулканических породах кислого состава нередко образует порфировые вкрапленники.
Кварц кристаллизуется из обогащенных флюидами пегматитовых магм и является одним из главных минералов гранитных пегматитов. В пегматитах кварц образует срастания с калиевым полевым шпатом (собственно пегматит), внутренние части пегматитовых жил нередко сложены чистым кварцем (кварцевое ядро). Кварц является главным минералов апогранитных метасоматитов — грейзенов.
При гидротермальном процессе образуются кварцевые и хрусталеносные жилы, особое значение имеют кварцевые жилы альпийского типа.
В поверхностных условиях кварц устойчив, накапливается в россыпях различного генезиса (прибрежно-морских, эоловых, аллювиальных и др.). В зависимости от различных условий образования кварц кристаллизуется в различных полиморфных модификациях.
ПРИМЕНЕНИЕ
Кварц используется в оптических приборах, в генераторах ультразвука, в телефонной и радиоаппаратуре (как пьезоэлектрик), в электронных приборах («кварцем» в техническом сленге иногда называют кварцевый резонатор — компонент устройств для стабилизации частоты электронных генераторов). В больших количествах потребляется стекольной и керамической промышленностью (горный хрусталь и чистый кварцевый песок). Также применяется в производстве кремнезёмистых огнеупоров и кварцевого стекла. Многие разновидности используются в ювелирном деле.
Монокристаллы кварца применяются в оптическом приборостроении для изготовления фильтров, призм для спектрографов, монохроматоров, линз для Уф-оптики. Плавленый кварц применяют для изготовления специальной химической посуды. Кварц также используется для получения химически чистого кремния. Прозрачные, красивоокрашенные разновидности кварца являются полудрагоценными камнями и широко применяются в ювелирном деле. Кварцевые пески и кварциты используются в керамической и стекольной промышленности
Кварц (англ. Quartz) — SiO2
| Молекулярный вес | 60.08 г/моль |
| Происхождение названия | от стар. нем. «Querklufter» — «руда секущих жил», или от нем «quarz». |
| IMA статус | действителен, описан впервые до 1959 (до IMA) |
КЛАССИФИКАЦИЯ
| Strunz (8-ое издание) | 4/D.01-10 |
| Nickel-Strunz (10-ое издание) | 4.DA.05 |
| Dana (7-ое издание) | 75.1.3.1 |
| Dana (8-ое издание) | 75.1.3.1 |
| Hey’s CIM Ref. | 7.8.1 |
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
| Цвет минерала | сам по себе бесцветный или белый за счет трещиноватости, примесями может быть окрашен в любые цвета (пурпурный, розовый, чёрный, жёлтый, коричневый, зелёный, оранжевый, и т д.) |
| Цвет черты | белый |
| Прозрачность | полупрозрачный,прозрачный |
| Блеск | стеклянный |
| Спайность | весьма несовершенная ромбоэдрическая спайность по {1011} наблюдается наиболее часто, имеется по меньшей мере шесть других направлений |
| Твердость (шкала Мооса) | 7 |
| Излом | неровный, раковистый |
| Прочность | хрупкий |
| Плотность (измеренная) | 2.65 г/см3 |
| Радиоактивность (GRapi) |
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
| Тип | одноосный (+) |
| Показатели преломления | nω = 1.543 — 1.545 nε = 1.552 — 1.554 |
| Максимальное двулучепреломление | δ = 0.009 |
| Оптический рельеф | низкий |
| Плеохроизм | не плеохроирует |
| Рассеивание | низкое, 0,009 |
| Люминесценция в ультрафиолетовом излучении | флюоресцентный и триболюминесценый, при УФ — желто-оранжевый |
КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
| Точечная группа | 3 2 — трапецоэдрический |
| Пространственная группа | P31 2 1 |
| Сингония | Тригональная |
| Параметры ячейки | a = 4.9133Å, c = 5.4053Å |
| Двойникование | по дофинейскому закону, по бразильскому закону, по японскому закону |
mineralpro.ru
13.07.2016
Источник
По своей природе кварц – полезный ископаемый минерал в форме оксида кремния (SiO2), который считается наиболее распространённым в составе земной коры. Минералы группы кварца чаще всего можно встретить в кремнезёме – почвенной структуре, обладающей выраженным полиморфизмом.
В современной геологии кварц известен, как породообразующий минерал большей части метаморфических и магматических пород. Общая массовая доля минерала составляет не менее 60% от общего содержания всех минералов. У кварца существует множество разновидностей, отличающихся внешне друг от друга цветом, генезисом и формами. Также он имеет ряд различных модификаций.
Структура минерала
К числу основных полиморфных модификаций кварца кристаллического типа можно отнести:
- тригональный бета-кварц, который устойчив к температурным режимам до 573оС;
- двуокись кремния в форме гексагонального альфа-кварца, устойчивого к давлению в 100 кн/м2 при температуре 870-573 оС.
Бета-кварц – наиболее распространённая природная форма, альфа-кварц в основном представлен в виде параморфозов первого по второму. Кристаллизация первой формы имеет каркасную кристаллическую структуру с основанием из киcлородно-кремневых тетраэдров с винтообразным расположением (левый/правый винтовой ход) относительно основной кристаллической формации.
В зависимости от этой особенности принято выделять левые и правые морфологично-структурные формы кварцевых кристаллов, которые отличаются внешне симметрией расположения граней. У альфа-кварца отсутствует центр и плоскость симметрии, за счёт чего минерал способен проявлять пироэлектрические и пьезоэлектрические свойства.
Среди прочих известных модификаций полиморфного кремнезёма можно выделить:
- тридимит;
- кристобалит;
- моганит;
- стишовит;
- коэсит;
- сейфертит.
Кристаллический тетраэдр бета-кварца имеет две пары кислородных ионов, расположенных с вертикальным смещением относительно иона кремния (одна пара снизу, другая – сверху). Тетраэдровые формации располагаются по трём слоям на разной высоте. Вместе эти группы формируются в спирали – все спиральные элементы имеют завихрение в одну сторону.
Если рассматривать низкотемпературную альфа-модификацию, то структурно она не сильно отличается от бета-аналога. В процессе полиморфного преобразования высокотемпературной формы в низкотемпературную, кислородо-кремневые тетраэдры смещаются относительно центра, что приводит к уплотнению кристаллической решётки с нарушением её симметрии.
Таким образом, из шестерных осей образуются тройные, но связи между группами тетраэдров остаются неизменными. Также отсутствуют изменения в плане спирального заворота.
Морфологические признаки
Типичной кристаллической формой в плане морфологии для кварца считается призма-шестигранник, имеющий с одного или обоих концов в зависимости от типа трёхгранной или шестигранной головки в форме пирамиды. Зачастую кристаллическая структура становится тоньше в направлении головки. Грани призмы имеют поперечные штрихи. Зачастую кристаллы имеют форму удлинённой призмы, в которой пара ромбоидов и гексагональная призма имеют развитые грани, образующие кристаллическую головку.
Намного реже встречаются дипирамидальные кристаллы псевдогексагональной формы. Часто кристаллы кварца правильной формы имеют сложную сдвоенную структуру с образованием двойниковых участков в соответствии с так называемыми дофинейским и бразильским законами
Это происходит не только по мере кристаллического роста, но также как результат внутренних преобразованиях на этапе бета-альфа полиморфных переходах при смене температурной среды. Такие процессы сопровождаются сжатием и некоторыми механическими деформациями.
Метаморфические и магматические кварцевые руды образованы в виде зёрен неправильной, изометрической формы, которые обычно срастаются с зернообразными образцами других минеральных пород. Часто кварцевые кристаллы инкрустируют миндалины и пустоты внутри эффузитивов.
Если рассматривать осадочные породы, то кварц встречается в их составе в виде жеодов (секреций/выделений), прожилков, конкреции, а также щёток короткопризматичных маленьких кристалликов внутри известняковых пустот. Нередко можно встретить кварц осадочного происхождения в виде обломков песка и гальки.
Диагностические особенности
Диагностику облегчают призматические кристаллы, имеющие характерную поперечную штриховку, характерными параметрами твёрдость, жирному или стеклянному отблеску и раковистым изломам.
Нередко при диагностике его визуально путают с халцедоном, опалом, нефелином и полевым шпатом. Халцедон и опал отличаются от кварцевых образцов более плотной структурой и восковым отблеском. Нефелин отличается более низкой твёрдостью в 5,5 единиц, а полевые шпаты имеют двухнаправленную спайную структуру.
К сопутствующим минералам кварцевых пород можно отнести кальцит, золото, большая часть сульфидов, роговую обманку, слюду и полевые шпаты.
Физические характеристики и свойства
Свойства этого минерала и их проявления в целом многообразны, что обуславливает его вариативность и своего роде уникальность.
Механические характеристики
Согласно шкале относительной твёрдости Мооса кварц имеет эталонный показатель 7. Его плотность равна 2,65 единицам. Минерал относят к классу стеклоформирующих оксидов.
Нередко он становится основной составляющей однокомпонентного кварцевого стекла (формируется на основе чистого кремневого оксида путём плавления жильного кварца, кварцевого песка и горного хрусталя).
Как уже было сказано, кремневый диоксид имеет полиморфические свойства с более стабильной альфа-модификацией и высокотемпературной бета-модификацией.
Химические свойства
Минерал проявляет стойкость к химическому разложению (выветриванию). Не вступает в реакцию с большинством кислот. Исключение – HF (плавиковая кислота), в реакции с которой образуется SiF4 – летучее химическое соединение.
Вступает в реакцию с щелочными расплавами. Температура плавления составляет 1715-1725 oC. Точную температурную отметку плавления установить сложно, поскольку в расплавленном виде горная порода имеет высокую вязкость
Оптические характеристики
Минерал может иметь различную окраску. Зачастую кварц бесцветен, но также имеет сероватый и белый оттенок. Встречаются и цветные разновидности с различным окрасом.
Полупрозрачные или прозрачные формы имеют привлекательный окрас и ценятся по-особому – таким образцам присвоены отдельные названия (какие основные разновидности и названия существуют, мы рассмотрим далее).
Помимо полупрозрачных и прозрачных кристаллических образцов встречаются кристаллы с аллохроматическим окрасом, обусловленным включениями других минеральных пород. Эти формы также имеют собственные наименования.
К примеру, авантюрин представляет собой красно-буроватый или жёлтый кварцевый образец, содержащий мельчайшие частицы железной слюдки Fe2O3 и слюды, за счёт чего такая порода имеет мерцающий отлив. Ещё один образец, относящийся к кварцевой руде, празем, имеет зеленоватый оттенок и включения иглообразных частичек актинолита.
В недрах гидротермальных пород часто обнаруживают кварц молочно-белого оттенка. Зачастую в жидком включении имеются подвижные газовые пузырьки либо кристаллики хлорида натрия. В процессе нагревания такие пузырьки растворяются, а кристаллики растворяются, что формирует однородную жидкостную фазу.
При последующем охлаждении образец снова приобретает неоднородную структуру. Эта особенность позволяет понять, при каком температурном режиме происходил захват жидкостной фазы в ходе кристаллизации.
Существуют и другие причины формирования таких уникальных кварцевых кристаллов в молочно-белом цвете. К одной из них относится эффект повреждения ледовой поверхности (при ударе твёрдым предметом в месте удара образуется бело-молочный след). То же самое происходит и с таким кварцем при его механическом повреждении.
Помимо прочего минерал не даёт черты, имеет кристаллический, стеклянный блеск на каждой грани. На изломе имеется жирноватый отлив. Все образцы кварца просвечивают в той или иной степени (намного реже в природе встречаются полностью прозрачные разности). Оптически камень имеет одноосный, положительный вид (Nm – 1,54, Ng – 1,53). Плоскость поляризации может вращаться в разные стороны, что обусловлено левым или правым завихрением спирали.
Другие свойства и характеристики
Кварцевые кристаллы пропускают лучи ультрафиолета и под влиянием механических напряжений приобретают свойства пьезоэлектризации (внутри структуры возникают электрозаряды).
Электрические оси имеют сдвоенную структуру. При этом конец оси, упирающийся в ребро, имеет отрицательную электризацию, а другой конец – положительную, соответственно. Кварцевое стекло отличается пониженным коэффициентом расширения, кислотоупорностью и возможностью пропускать УФ-лучи.
Отвечает трём законам двойникования:
- Дофинийскому – формирование путём срастания образцов единой энантиоморфной модификации.
- Бразильскому – формирование за счёт срастания левого и правого трапецоэдров (с отражением по вертикали).
- Японскому – формируется в форме тригональной дипирамиде.
Природное происхождение
Кристаллизация происходит из кислых магматических пород. Минерал содержится в эффузивных и интрузивных породах с кислым и средним составом, а именно в составе дацита, риолита, диорита и гранита. В породах основного магматического состава встречается в форме кварцевого габбро.
Порфировые кварцевые вкрапления часто встречаются в кислых вулканических породах с кристаллизацией в пегматитовых магмах, обогащённых флюидами. Это один из основных минералов среди пегматитов гранитной природы
В составе пегматитов кварцевая порода срастается с пегматитом, представленным калиевыми полевыми шпатами. В составе грейзенов (апогранитных метасоматитов) кварц составляет формирующую основу.
В процессе гидротермальных воздействий формируются хрусталеносные, а также кварцевые жилы (особо примечательными можно считать альпийские жилы). В условиях поверхностного существования кварцевая руда отличается устойчивостью. Она может накапливаться в россыпях с различным генезисом (преимущественно аллювиальным, эоловым и прибрежно-морским). Под влиянием различных внешних факторов кварцевые образования подвержены кристаллизации в разные полиморфные модификации, приведённые в описании выше.
Разновидности
Рассмотрим основные, наиболее примечательные разновидности минерала:
- Агат – одна из разновидностей халцедона с полосчато-слоистой структурой.
- Авантюрин – имеет красноватый или желтоватый оттенок с включеиями слюды.
- Аметист – красивый фиолетового цвета.
- Тигровый (соколиный, бычий) глаз – буро-малиновый цветной камень.
- Бингемит – кварц иризирущий, который примечателен включениями гётита.
- Горный хрусталь – бесцветные, прозрачные кристаллические образования.
- Волосатик – разновидность горного хрусталя с включениями рутиловых тонкоигольчатых частичек, а также турмалина и прочих минералов игольчатой формации.
- Кремень – представлен скрытокристаллическими кремнезёмовыми агрегатами тонкозернистой структуры, основу которых составляет кварц с небольшой примесью кристобалита и халцедона. Иногда в небольших количествах содержит опал. Как правило, встречается в виде гальки и конкреций.
- Празем – примечателен наличием актинолита и имеет отчётливый зелёный оттенок.
- Переливт – слоёный минерал, состоящий из микрокристаллов халцедона и кварца, имеющий непрозрачный вид.
- Морион – разновидность, представленная в чёрном цвете.
- Розовый кварц.
- Дымчастый (раухтопаз) – имеет светло-бурую/светло-серую цветность.
- Празолит – имеет зелено-луковый оттенок. Образуется искусственным путём, за счёт прокаливания жёлтых кварцевых образцов.
- Оникс – коричневый минерал с природными чёрно-коричневыми узорами. Также может иметь медовый, коричнево-красный, белый, розоватый и желтоватый плоскопараллельный слой в составе.
- Цитрин – камень лимонно-жёлтого оттенка.
- Гелиотроп – тёмно-зелёный камень скрытокристаллической разновидности кремнезёма. В основном представлен в виде тонкозернистых формирований, редко с примесями халцедона, гидроксида и оксида железа. Может иметь полосы и пятна ярко-красного оттенка.
- Халцедон – тонковолокнистый, скрытокристаллический камень с просвечивающей или полупрозрачной структурой и цветовым спектром от медового/жёлтого до белого. Формирует сферолитовую кору и сферолит, сплошные массивы, а также встречается в виде псевдосталактитовых образований.
Сфера применения
Кварцевые кристаллы часто используют при изготовлении оптических приборов, в составе ультразвуковых генераторов, радиоаппаратуре и мобильной технике (такое применение целесообразно в силу его пьезоэлектрических свойств), а также в составе множества электронных приборов (в виде кварцевых резонаторов, применяющихся для стабилизации частотных характеристик электрогенераторов).
Часто его используют в производстве керамики и кварцевого стекла. Востребован в изготовлении кремнезёмных огнеупорных элементов. Часто цветной кварц задействован в производстве ювелирных изделий и украшений. Некоторые разновидности прозрачных, окрашенных разновидностей ценятся, как полудрагоценные камни.
Монокристаллические кварцевые формации используют в оптике при изготовлении призм спектрографом и специальных оптических фильтров, линз для ультрафиолетовой оптики и монохроматоров.
Расплавленный кварц используется при создании химпосуды. Чтобы получить химически чистый кремний также используют кварцевые образцы. В стекольной и керамической промышленности нередко используют кварциты и кварцевый песок.
Источник