Кварц – характеристики, свойства и применение минерала

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 573^оС;
• 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:

1. Дофинийскому – формирование путём срастания образцов единой энантиоморфной модификации.
2. Бразильскому – формирование за счёт срастания левого и правого трапецоэдров (с отражением по вертикали).
3. 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:

1. Агат – одна из разновидностей халцедона с полосчато-слоистой структурой.
2. Авантюрин – имеет красноватый или желтоватый оттенок с включеиями слюды.
3. Аметист – красивый фиолетового цвета.
4. Тигровый (соколиный, бычий) глаз – буро-малиновый цветной камень.
5. Бингемит – кварц иризирущий, который примечателен включениями гётита.
6. Горный хрусталь – бесцветные, прозрачные кристаллические образования.
7. Волосатик – разновидность горного хрусталя с включениями рутиловых тонкоигольчатых частичек, а также турмалина и прочих минералов игольчатой формации.
8. 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.
9. Празем – примечателен наличием актинолита и имеет отчётливый зелёный оттенок.
10. Переливт – слоёный минерал, состоящий из микрокристаллов халцедона и кварца, имеющий непрозрачный вид.
11. Морион – разновидность, представленная в чёрном цвете.
12. Розовый кварц.
13. Дымчастый (раухтопаз) – имеет светло-бурую/светло-серую цветность.
14. Празолит – имеет зелено-луковый оттенок. Образуется искусственным путём, за счёт прокаливания жёлтых кварцевых образцов.
15. Оникс – коричневый минерал с природными чёрно-коричневыми узорами. Также может иметь медовый, коричнево-красный, белый, розоватый и желтоватый плоскопараллельный слой в составе.
16. Цитрин – камень лимонно-жёлтого оттенка.
17. 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.
18. 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.