Каюсь! Я использовал служебное положение в личных целях, чтобы обогатиться. Обогатиться знаниями. Не научными. Точнее, не совсем научными. И ещё точнее, не моей наукой. И совсем точно, моим любимым методом, но не моими объектами.
Теперь по порядку. В наш первый приезд на Кий-остров соседями оказалась интересная пара. Оба они были сотрудниками геологических институтов РАН в Питере, и, по их словам, находись на острове в командировке. Вроде бы как этот район оказался плохо изученным в геологическом отношении. В это можно было бы поверить, если бы не два фактора. Им обоим было явно 60+, причем этот плюс вполне мог потянуть на десяточку, а мужчина ещё и с трудом передвигался с палочкой. По моим ощущениям руководство института под маркой командировки просто отправило их отдохнуть, но они не учли некоторые обстоятельства. Лихие 90-е вымыли из науки случайных людей, особенно из полевых специальностей. К тому же это поколение нередко болеет двумя болезнями (сам из него). Называются они “совесть” и “не могу остановиться”. Поэтому все дни они скакали по скалам, собирая образцы, и облазили все закоулки Кийского архипелага. В итоге при отъезде их рюкзак с камнями весил никак не меньше 20 кг, да и сумка ему не сильно уступала.
Должен признать, что руководство их институтов в итоге не сильно ошиблось. Ощущение нужности и родной стихии вкупе со свежим морским воздухом и первозданной природой действительно пошли на пользу их здоровью. Под конец нашего пребывания мужчина разве что не летал, но точно бегал, хоть и по-прежнему с палочкой. Да и женщина легко справлялась с сильно возросшей на их плечи нагрузкой. Незадолго до отъезда они устроили лекцию о геологии острова с показом собранных образцов. И оказалось, что данная местность интересна не только в историческом отношении. Чем? Об этом далее.
Кийский архипелаг находится на самом краю Карельской (Балтийской) платформы. Таких мест на свете всего пять, три из них находятся в нашей стране. Их ценность заключается в возрасте: более двух миллиардов лет. А у некоторых минералов вообще приближается к трём, и ничего старше на поверхности Земли нет. Самое удивительное, что почти всё многообразие минералов представлено в виде силикатов или алюмосиликатов, в основе которых лежит простая структура оксида кремния.
Сам оксид кремния “построен” из тетраэдров SiO4 (рисунок). Каждый кислород “поделён” между двумя атомами кремния, поэтому химическая формула – SiO2. Эти тетраэдры соединяются в трехмерный каркас. Вот только соединять их можно по-разному. Тетраэдры могут ориентироваться в одном направлении, а могут в противоположные стороны (рисунок). Или ещё сложнее – два в одну сторону, два в другую, один и три, два и пять, и так далее. Как из семи нот композитор строит бесчисленные комбинации, создавая мелодии…
Теперь объединим эти ряды в слои, которые тоже могут быть разнонаправлены, а слои – в трехмерные структуры. Надеюсь теперь понятно, почему из одного простого тетраэдра можно построить бесконечное число минералов. Теоретически. Природа, к сожалению или счастью, теории не знает, но зато ей подспудно известен закон минимизации энергии. И она строит только то, что ей энергетически выгодно, а таких вариантов не слишком много. Поэтому у простой окиси кремния существует лишь несколько модификаций. Ещё надо добавить слова “при данной температуре и давлении”. Если условия изменить, можно получить что-то новое, как, например, графит и алмаз. Если графит сильно нагреть (без доступа кислорода) и очень-очень сильно сдавить, получится алмаз. Если же алмаз при атмосферном давлении нагреть, он перейдёт в графит. Впрочем, и при комнатной температуре этот процесс идёт, но его скорость может позавидовать черепахе. Она, черепаха, в данном случае даже не спринтер, а ракета.
И это ещё не всё. Кремний в своем домике может легко замещаться на своего соседа по таблице Менделеева – на алюминий. У него те же предпочтения к кислороду и примерно на том же расстоянии, но здесь возникает маленькая, но очень важная проблема: валентность. То есть способность атома образовывать определённое количество связей. У кремния она равна 4, у алюминия – 3. Химики говорят о формальном заряде, равном валентности. У кремния и алюминия он положительный, у кислорода – отрицательный, минус 2. И что делать? Ведь вещество должно быть электронейтрально, но при замещении половины кремния на алюминий наш тетраэдр приобретёт заряд –1/2. Природа и здесь нашла выход. Она просто “убрала ” часть тетраэдров, соединила их в цепи или слои, а на их место посадила другие металлы, подходящие по заряду и размеру. Чаще всего это элементы, имеющие самую большую распространённость в природе – магний, железо, кальций, натрий, – но в небольших количествах могут присутствовать и другие. Причем, нередко в смеси с основными атомами в той же позиции.
Вот этим и объясняется всё многообразие алюмосиликатов. И я решил посмотреть, какие же минералы здесь есть. И сделал это с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА). Начал я с кристаллов того, что моя супруга назвала “что-то ложное”.
В чем-то она права, поскольку минерал называется роговая обманка. Он здесь один из самых молодых, чуть за два миллиарда лет. Поскольку он является гидроксосиликатом, то под воздействием атмосферной влаги и углекислого газа он легко распадается на отдельные небольшие чёрные кристаллы, которые и нужны для РСА. Мне повезло: химический анализ показал, что в нём присутствуют только базовые элементы без микропримесей – кремний-алюминий, магний, железо, кальций и натрий. И кислород, конечно. Уточнение заселённостей позволило получить формулу Ca2(Mg4,Fe)Na0.46(Si4.6,Al3.4) O22 (ОH)2 (в скобках – элементы, занимающие одну позицию кроме гидроксильной группы ОН), его элементарная ячейка выглядит так, как показано на рисунке.
Из рисунка видно, что структура слоистая, причем слои тетраэдров не сплошные, а состоят из отдельных полос. Возможно и в этом тоже причина, что такая порода легко разрушается.
Продолжение случилось в прошлом году, только инициатором уже был не я. Но и не отказывался. Мой коллега попросил найти ему хороший кристалл для настройки прибора (дифрактометра). Поскольку за миллиарды лет в природных кристаллах упорядочивается всё, что можно и нельзя (в кристаллах атомы тоже могут перемещаться, хоть и очень медленно), природные минералы почти идеально подходят для данной цели. Почти – потому, что у них всегда сложный и переменных состав, и точные значения параметров элементарной ячейки заранее неизвестны. Я и предложил ему проверить на двух кристаллах, привезенных из последней поездки. Один кристалл был зелёного цвета и почти кубической формы, что намекало на кубическую же элементарную ячейку. Второй был прозрачный, почти бесцветный со слабым намёком на розовизну. По моим предположениям это мог быть кварц, что идеально подходит для тестового кристалла. Далее начались изумления.
Первый сюрприз преподнёс зелёный кристалл. Его состав Ca2(Mg3.9,Fe1.1)Na0.40(Si5.3,Al2.7) O22 (ОH)2 и структура оказались почти идентичны первому, черному кристаллу. Чуть меньше магния и чуть больше железа (±0.1), больше кремния и меньше алюминия (±0.7). Из последней пары следует, что натрия тоже должно быть меньше, что и оказалось. Это в свою очередь немного уменьшило два параметра элементарной ячейки, но незначительно. Единственное, что я не могу понять, почему изменился цвет. Единственным элементом, способным дать окрашивание является железо. Огородники знают, что железный купорос зеленоватого цвета. Как совсем небольшое увеличение содержания железа привело к изменению окраски остается неясным.
Со вторым кристаллом тоже не всё гладко. Во-первых, он оказался гранатом. Впрочем, это для нас он гранат, геологи потребуют более точного определения. Гранаты (впрочем, и роговые обманки тоже) подразделяются на добрый десяток семейств, в каждом из которых есть несколько представителей. И каждый имеет своё геологическое название. Как называется мой образец, надеюсь, мне помогут определить читатели. Химический анализ показал, что в кристалле присутствуют кремний и алюминий (куда же без них), кальций, немного железа, ещё меньше магния и совсем мало калия. Настолько мало, что его введение не влияет на результаты уточнения. Но всё равно результаты уточнения никак не сходились с составом. И здесь РСА оставляет простор для фантазии.
Во-первых, оказалось, что он не совсем алюмосиликат, поскольку кремний и алюминий занимают разные позиции. Во-вторых, по уточнению его состав оказался необычайно простым (Ca2.45,Fe0.55)Al2Si3O12. Куда делись калий и особенно магний – неясно. Единственная позиция, куда может войти калий – позиция кальция. Но даже для неё длины связей калий – кислород оказываются маловаты. К тому же по уточнению там должен частично присутствовать элемент потяжелее, и единственным кандидатом на эту роль оказывается железо. Здесь возникает следующее “но”. Для железа расстояния уже оказываются слишком большими, да и кислородное окружение кальция совсем не подходит для железа. Впрочем, небольшие количества маленького всегда можно засунуть в большую дыру. С магнием тоже дела плохи. Единственный вариант – позиция алюминия, но опять же уточнение показывает, что алюминия там 101% (при ошибке 1%), что исключает присутствие более лёгкого магния. Да и расстояния алюминий – кислород чуток маловаты для магния, хотя координация вполне подходящая. А главное формальным показателям – критерию недостоверности (R-фактор), добротности, остаточным пикам электронной плотности – могут позавидовать очень значительное число структурщиков, и любые изменения состава приводят только к их ухудшению. Короче, вопросы есть – ответов нет.
Если вы думаете, что это всё, то глубоко ошибаетесь. В этом году я нашел породу очень похожую на слюду. А в ней – какое-то фиолетовое образование (фото). Что это за кристалл и кристалл ли вообще, я и хочу выяснить.
И ещё я хочу удостовериться, что выходы белой породы на самом деле кварц (фото). Если же это так и удастся найти монокристалл, то его-то как раз и можно использовать для настройки приборов.
И ещё у меня есть мечта определить структуру беломорита. Как можно догадаться из названия, найден он был на Белом море, и до сих пор обнаружить его в других частях планеты не удалось. При комнатном освещении или в тени он внешне ничем не отличается от кварца, но на солнце светится нежным голубым цветом (фото).
Увы, единственный в моём распоряжении кристалл находится в твёрдой породе, и выковырить его оттуда практически невозможно.
Значит, придётся опять ехать на Кий остров…
