Химические особенности турмалинов
Из силикатов бора наиболее распространены и известны минералы группы турмалина. (Однако далее я буду употреблять термин «надгруппа», как аналог использующегося в международной классификации «supergroup»). Они применялись в ювелирном деле с давних времен, но большую часть своей истории – под другими именами. Эти минералы бывают абсолютно любого цвета, а по твердости – около 7,5 по Моосу - близки к другим драгоценным и поделочным камням. По этой причине турмалины часто путали с сапфиром, рубином, изумрудом, топазом, цирконом. Известный пример подобной ситуации - «Рубин Цезаря», хранящийся в Алмазном фонде Кремля. Этот замечательный темно-малиновый турмалин из Бирмы в форме виноградной грозди весом в 255,75 ct (1 карат = 0.2 грамма, соответственно 51.15 грамм), был подарен шведским королем Густавом российской императрице Екатерине Второй как крупный рубин превосходного качества. Вероятнее всего, слово «турмалин» происходит от сингалезского «туремали» - собирательного наименования цветных ювелирных цирконов с острова Шри- Ланка, под которым он и был привезен в начале 1703 году с Цейлона в Голландию. Собственно в минеральный вид он и был выделен лишь в начале 19 века. Тогда было обнаружено, что некоторые цирконы, поступающие с месторождений этого острова в ограночные центры Голландии, на самом деле являются на тот момент еще не известным минералом.
Разнообразны не только цвета, но и формы выделения - монокристаллы, друзы, сплошные зернистые массы (иногда скрытокристаллические), «турмалиновые солнца» - радиально расходящиеся кристаллы, и даже «турмалиновая вата»- тонковолокнистые агрегаты, напоминающие стекловату. Известны кристаллы до метра в длину (Бразилия, находка 1978 года). Характерной особенностью турмалинов является поперечное сечение в виде сферического треугольника (дитригональной призмы), которое можно замечательно наблюдать на крупных спилах зональных турмалинов с Мадагаскара. Тут бы очень хотелось добавить фото витрины с ними с Мюнхенской выставки, но люди, которые их привезли, были категорически против фотосъемки. Но, к счастью, в минералогическом музее им. Ферсмана оказалась пара образцов.
Турмалины. Бетафо, Мадагаскар
Как и раньше, турмалин используется в ювелирном деле. В современной геммологической классификации турмалин считается драгоценным камнем 2-ого класса (рубеллит) и 3-его (зеленые и полихромные разновидности). Любопытно отметить, что до сих пор нет промышленного способа, который позволил бы синтезировать ювелирные турмалины более 1 мм. При этом замечательно выращивается гидротермальным методом шерл, который, однако, никому особо не нужен. Но так как турмалины – минералы распространенные, то недостатка этого камня на ювелирном рынке нет.
Разделение надгруппы турмалинов на более мелкие единицы не столь ужасающе, как в случае амфиболов, но тоже не отличается особенной простотой. В ней каждый год творится тихая, но очень интенсивная минералогическая активность, следить за которой достаточно любопытно. Какие-то виды открываются, какие-то закрываются, некоторые открываются потом опять, а какие-то находятся даже в примечательном состоянии «подготовки к открытию». Впрочем, все это касается только кристаллохимической классификации. В «повседневной жизни» коллекционеров и минералогов используется с десяток названий, часть из которых названия собственно видов, а часть – названия цветовых разновидностей. А еще бывает, что название вида и цветовой разновидности совпадают, как в случае шерла и дравита. И пойди разбери, что есть что.
Цветовая классификация, несмотря на все претензии к ней, порой бывает удобна. Главным минусом является та любовь, с которой её пополняют торговцы ювелирными украшениями и минералами, цель которых - побыстрее и подороже сбыть новую находку. Поэтому уследить за ее изменениями невозможно или крайне сложно. Наиболее употребляемыми цветовыми характеристиками являются следующие:
· Бразильский изумруд (эмеральдит) - ярко зеленая разновидность из Бразилии
· Бразильский перидот - желто-зеленая разновидность
· Бразильский сапфир - синяя разновидность
· Цейлонский перидот - медово- желтая разновидность с о. Шри- Ланка
· Сибирит (даурит)– малиново-лиловая разновидность из России
· Рубеллит (от лат. rubellos, красноватый) - розовая, красная и темно красная разновидности эльбаита
· Верделит (от ит. verde, зеленый) - зеленый, коричневато-зеленый эльбаит
Эльбаит – верделит. Минас-Жерайс, Бразилия / https://www.mindat.org/photo-164061.html
· Индиголит (от лат. Indicus, синяя краска, индиго) - синий, небесно-голубой эльбаит
· Афринит - темно синий, до черного эльбаит
· Параиба -яркий неоново-синий, бирюзово-голубой, фиолетовый и зеленый эльбаиты. Цвет обусловлен примесью меди до 1.5%
Турмалин параиба. Минас-Жерайс, Бразилия
· Шерл - непрозрачная черная разновидность
· Ахроит (от греч. achros, бесцветный) - бесцветные разновидности эльбаита
Также возможны различные варианты цветовых переходов в одном кристалле (полихромность). Для полихромных кристаллов также существуют свои названия:
· Голова мавра - светлоокрашенные кристаллы с черной головкой
Эльбаит – «голова мавра». Эльба, Италия / https://www.mindat.org/photo-277973.html
· Голова турка - светлоокрашенные кристаллы с красной головкой
· Арбузный - кристалл, имеющий зеленую оболочку и розовую сердцевину
Достаточно часто используются названия групп образцов по «головкам», взять хоть «розовые головки» с Эльбы, описанные в «Воспоминаниях о камне» Ферсмана или калифорнийские «bluecaps».
Как правило, за окраску отвечают ионы – хромофоры. К примеру, у пегматитовых турмалинов желтый цвет вызывается ионами Mn2+, темно- и светло-зеленый, а также оттенки фиолетового и синего – Fe2+ , розовый – Li1+ , коричневый до черного – Ti4+ и Fe3+, индиго – Cu2+.
Эльбаит. Праиба, Бразилия / https://www.mindat.org/photo-159682.html
У скарновых турмалинов появляется светло-зеленый оттенок за счет вхождения Cr3+, как, например, у недавних танзанийских находок. Коричневые турмалины из метаморфических пород или грейзенов, обогащенные Mg2+, имеют коричневый цвет. Черные шерлы, встречающиеся в широком диапазоне пород, окрашиваются трехвалентным железом, однако в шлифах они имеют не черный, а болотно-зеленый и грязно-синий оттенок.
Шерл в обнажении. Малхан, Россия
Шерл в шлифе. Малхан, Россия
Изредка турмалины проявляют эффект кошачьего глаза, что обусловлено газово-жидкими или минеральными (к примеру - кукеит) включениями, ориентированными относительно главных кристаллографических осей. Иногда этот эффект вызывается частичным растворением кристалла.
Необходимо еще раз отметить, что цветовая классификация не имеет ничего общего с минералогической (химической) классификацией, и вышеупомянутые названия не могут быть использованы (за исключением дравита, и шерла, в значении конкретного минерального вида, а не цветовой разновидности) как точная характеристика минерального вида. Цвет минерала зависит от множества химических и физических факторов, и не является диагностическим признаком. Поэтому классификация по цвету распространена среди ювелиров, геммологов и коллекционеров и может использоваться как полевая временная классификация, но неприменима в строгой научной минералогии.
Общая формула для турмалинов - XY3Z6(T6O18)(BO3)3V3W. Во всех позициях возможны изоморфные замещения, в некоторых с участием переходных металлов разных валентностей, чем и объясняется разнообразие составов и окрасок. Разные исследователи насчитывают до 50 миналов, официально же на данный момент в надгруппе турмалина насчитывается 30 IMA-одобренных видов. В свою очередь изоморфизм обязан своим существованием присутствием в структуре так называемых «антигоритовых островов» - колец из шести кремниевых тетраэдров и трех Y-октаэдров, связанных легко деформируемым каркасом из Z-октаэдров. То есть, в случае гетеровалентного изоморфизма заряд может быть уравнен искажением структурных полиэдров, возникновением дефектов в структурной решетке, а также катионами, стоящими в Х позиции, и гидроксильными группами. Все это приводит к странным ситуациям, когда разные зоны в пределах одного небольшого кристалла являются несколькими минеральными видами (к примеру, в центре шерл, затем эльбаит, а кайма - лиддикоатит).
По химическому составу классифицировать турмалины можно по нескольким признакам. Один из них - по характеру заполнения позиции Х. В этой классификации выделяют три типа. Это щелочные (натриевые) турмалины, кальциевые турмалины и вакансионные (с вакансией в данной позиции). Вторая классификация - по элементам находящимся в позиции W. Здесь выделяют гидрокси-(ОН), окси-(О) и фтор-(F) виды. В номенклатуре обе классификации отражаются одновременно, например, окси-дравит. В названии турмалинов существует определенный порядок префиксов. Собственное имя соответствует ОН-доминантному члену. Если в позиции W преобладает F или O, то добавляется префикс фтор- или окси-, этот префикс идет первым. Если есть вариации по катиону в позиции Z добавляется второй префикс, отражающий эту особенность ( -Cr-, -V). Для повседневной работы наиболее удобна классификация по типу заполнения позиции Х.
Щелочные турмалины
Щелочные турмалины являются самыми распространенными среди турмалинов. К этой группе по классификационной статье 2011 года и позднейшим статьям относятся целых 20 минералов (2/3 всех известных турмалинов): дравит, фтор-дравит, Cr-дравит, V- дравит, окси-дравит, окси-Сr-дравит, окси-V-дравит, шерл, фтор-шерл, окси-шерл, эльбаит, повондраит, Cr-Al-повондраит, фтор-бергерит, оленит, маруямаит, тсилаизит, фтор-тсилаизит, дарреллгенрит, бозиит.
· Дравит - NaMg3Al6 (Si6O18) (BO3)3 (OH)3 OH- назван в 1884 году Чермаком по месту находки турмалинов, насыщенных натрием и магнием в райони реки Драва, одного из притоков Дуная.
· Фтор-дравит - Na Mg3 Al6 (Si6O18) (BO3)3 (OH)3 F
· V-дравит - Na Mg3 V63+ (Si6O18) (BO3)3 (OH)3 OH
· Окси-Сr-дравит - Na(Cr)3(Cr4Mg2)(Si6O18)(BO3)3(OH)3O
· Окси-V-дравит — Na(V)3(V4Mg2)Si6O18(BO3)3(OH)3O — впервые этот турмалин был найден на Слюдянском месторождении, в районе Байкала. [Bosi et al., 2012a]
· Шерл - NaFe32+Al6(Si6O18) (BO3)3 (OH)3OH- Вероятнее всего, название произошло от устаревшего термина саксонских горняков «Schor», что означает «грязь», ныне: «Zschorlau». Первое относительно детальное описание шерла под именем “schürl” встречается в работе Иоганнеса Маттезиуса 1562 года “Sarepta oderBergpostill” .
· Фтор-шерл- Na Fe23+Al6 (Si6O18) (BO3)3 (OH)3 F
· Окси-шерл - Na Fe23+Al6 (Si6O18) (BO3)3 (OH)3 О
· Бозиит - NaFe33+(Al4Mg2)(Si6O18)(BO3)3(OH)3O– недавно обнаружен международной группой исследователей на месторождении Дарасун в Забайкалье, назван в честь Фердинандо Бози из университета LaSapienza, Рим.
· Эльбаит - Na(Li1.5Al1.5) Al6(Si6O18) (BO3)3 (OH)3OH- назван по типовому проявлению на острове Эльба в провинции Тоскана, Италия. Это историческое минералогическое проявление, работы на котором были прекращены в 1970-х, прекрасно описано А. Е. Ферсманом, побывавшем на нем в начале прошлого века. В то время пегматитовые жилы острова Эльба активно разрабатывались, и добыча минералов шла полным ходом.
«Знаменитые пегматитовые жилы Монте-Капанны на острове Эльбе лежат где-то в лесистом овраге между Сант-Илларио и Сан-Пиетро-ин-Кампо.
Был жаркий июльский день, мне не хотелось подниматься по крутым каменистым тропинкам до самого Пиетро - деревушки, высоко висящей на склонах гранитного массива. Я решил пойти в Илларио и там поискать кого-нибудь, кто проведет меня по горным тропам в Гротта-Доджи, замечательные самоцветы которой так широко известны минералогам всего мира.
Я не ошибся. Уже входя в деревню, приветливо улыбавшуюся мне среди виноградников, я увидел, что здесь ценят и умеют любить камень: в каменных заборах осторожно и любовно вставлены были глыбы пегматитов со "щетками" полевого шпата и кварца, а в одном доме, у входа, в оштукатуренную стену был замурован обломок жилы с красивым розовым турмалином. Я постучался, кое-как на своем ломаном итальянском языке сговорился со стариком, хозяином дома, и мы пошли.
Скоро по камням, обрамлявшим узкую тропу, я смог догадаться, что мы приближаемся к Гротта-Доджи: глаза уже разбегались при виде кусков письменного гранита с большими длинными копьями черной слюды.
Но вот и Гротта-Доджи. Несколько рабочих лениво бьют отверстие для шпура, огромные отвалы загромождают узкое ущелье, на брезенте лежат отобранные штуфы редких минералов.
Кто из минералогов не знает замечательных образцов из этой копи: кристаллов плоского розового берилла, блестящего серого полевого шпата, редчайших цеолитов и, наконец, самой большой ценности - кусочков как бы обсосанного леденца - самого поллукса! Этот камень - единственное в мире соединение редчайшего металла цезия, и его неизменным спутником в копи является цеолит, по прозванию кастор. Самым замечательным минералом в этой копи был турмалин, кристаллики которого были окрашены в самые разнообразные цвета - зеленые, желтые, бурые, голубые, но красивее всех были большие прозрачные камни с нежно-розовыми головками, ими можно было любоваться в музее университета в Пизе».
Эльбаит. Эльба, Италия / https://www.mindat.org/photo-6549.html
Любопытно наблюдать, как изменилась за сто лет терминология и наука: поллуксом Ферсман называет поллуцит (Cs(Si2Al)O6· nH2O), причем единственным известным его минералом (сейчас известно 16 собственных минералов цезия). «Цеолитом кастором» он называет петалит (LiAl[Si4O10]), однако петалит относится к слоистым силикатам, а поллуцит - как раз к цеолитам. Конечно же, во времена написания «Воспоминаний о камне» о минералах было известно значительно меньше. Подобные примеры показывают, что читать старую научную и научно-популярную литературу надо с осторожностью, как бы хорошо она ни была написана.
Также интересной деталью является то, что, приехав в 2015 году на Малханское месторождение турмалинов, я увидел не только те же самые метровые клинья биотита, так характерные для гранитовых пегматитов, но и клумбы и стенки из этих же пегматитов в поселке у подножия хребта.
· Фтор-эльбаит - Na(Li1.5Al1.5)Al6(Si6O18)(BO3)3(OH)3F
· Повондраит - Na Fe33+ (Fe43+Mg2) (Si6O18) (BO3)3 (OH)3 O - назван в честь PavelPovondra(1924), минералога и химика из CharlesUniversity, Прага, за его заслуги в изучении группы турмалина.
· Cr-Al- повондраит- NaCr3(Al4Mg2)(Si6O18) (BO3)3 (OH)3O
· Фтор-бергерит - NaFe33+Al6 (Si6O18) (BO3)32O3F- назван в честь Мартина Юлиана Бергера (1903-1986), профессора Массачусетского Технического Института (MIT), пионера структурной рентгенографии минералов.
· Оленит - NaAl3Al6(Si6O18) (BO3)3 (O3) OH- назван по месту первой находки, в бассейне реки Оленек, в Вороньих тундрах на Кольском полуострове.
Оленит. Кольский п-ов, Россия / https://www.mindat.org/photo-395918.html
· Маруямаит — K(MgAl2)(Al5Mg)(BO3)3(Si6O18)(OH)3O — первый калиевый член надгруппы турмалина, обнаруженный в Кокчетавском массиве, Казахстан. Образуется при очень высоких давлениях (UHPметаморфизм)
· Тсилаизит — Na(Mn2+)3Al6(Si6O18)(BO3)3(OH)3(OH) – по месту первого сообщения о находке, Тсилаизина, долина Шахтаны, Мадагаскар. Позже этот материал был дополнительно проанализирован, и выяснилось, что марганца там меньше, чем нужно для признания его собственно минеральным видом, что привело к «закрытию» вида в 2006 году. А в 2011 году после анализа Mn-турмалинов с Эльбы вид в правах восстановили.
· Фтор-тсилаизит — Na(Mn2+)3Al6(Si6O18)(BO3)3(OH)3F
· Дарреллгенриит- Na(LiAl2) Al6(Si6O18) (BO3)3 (OH)3O– в честь Даррелла Дж. Генри, (1951) профессора геологии в университете Луизианы за многолетнее изучение минералогии и кристаллохимии турмалинов. Собственно он и есть главный автор действующей классификации этой группы.
· Луинаит-ОН - (Na,◻)(Fe2+,Mg)3Al6(Si6O18)(BO3)3(OH)3OH – единственный моноклинный член группы турмалинов. Для точной идентификации требуется съемка на монокристальном дифрактометре, остальные методики, к сожалению, не дают необходимых данных.
Луинаит-ОН. Вашингтон, США / https://www.mindat.org/photo-617992.html
Кальциевые турмалины
В группе кальциевых турмалинов 6 минералов: увит, ферувит, фтор-увит, фтор-лиддикоатит, адашиит, луччезиит.
· Увит - Ca Mg3 (Al5Mg) (Si6O18) (BO3)3 (OH)3 OH - Назван по месту первой находки, как было установлено позже, фтор-увита, в провинции Ува, Шри-Ланка. Сейчас увит считается ОН эквивалентом фтор-увита. Место первой находки - Brumadomine, Bahia, Brazil.
[P_9] Увит. Байя, Бразилия / https://www.mindat.org/photo-74801.html
· Ферувит - Ca Fe32+ (Al5Mg) (Si6O18) (BO3)3 (OH)3 OH
· Фтор-увит - Ca Mg3 (Al5Mg) (Si6O18) (BO3)3 (OH)3 F
· Фтор-лиддикоатит - Ca(Li2Al)Al6(Si6O18)(BO3)3(OH)3F
· Адашиит — CaFe3Al6(Si5AlO18)(BO3)3(OH)3(OH)
· Луччезиит - CaFe32+Al6(Si6O18)(BO3)3(OH)3O– утвержден в 2015 году, назван в честь Серджио Луччези, (1958-2010), профессора минералогии в Sapienza University в Риме за вклад в минералогию турмалинов.
· *Лиддикоатит - Ca(Li2Al)Al6(Si6O18)(BO3)3(OH)3(OH) – назван в честь Ричарда Лиддикоата, геммолога и президента GIA (Gemmological Instituion of America). Был минеральным видом до 2011 года, когда голотипный материал был определен как F-доминантный и дискредитирован. Однако существует много данных в пользу существования ОН-доминантного лиддикоатита, и в скором времени следует ждать его возвращения в ряды IMA-признанных видов.
Вакансионные турмалины
В группу вакансионных турмалинов входят 4 минерала: фоитит, окси-фоитит, магнезиофоитит, россманит. Без хорошего кристаллографического исследования их точная идентификация затруднена.
· Фоитит - (□,Na)(Fe22+Al)Al6(Si6O18)(BO3)3(OH)3OH– назван в честь франклина Ф. Фоита младшего, минералога из университета штата Вашингтон.
Фоитит. Эронго, Намибия / https://www.mindat.org/photo-537981.html
· Окси-фоитит - □(Fe2+Al2)Al6(Si6O18)(BO3)3(OH)3O
· Магнезиофоитит - (□,Na)(Mg22+Al)Al6(Si6O18)(BO3)3(OH)3OH
· Россманит - ☐(LiAl2)Al6(Si6O18)(BO3)3(OH)3(OH) – назван в честь Джорджа Россмана (1944 -) из Калифорнийского Технического Института за его работы по спектроскопическим особенностям минералов группы турмалина.
Россманит. Моравия, Чехия / https://www.mindat.org/photo-619312.html
Интересно отметить, что процесс открытия новых минеральных видов в надгруппе турмалина идет довольно быстрыми темпами. Первый раз номенклатуру надгруппы турмалинов я анализировал в 2012 года, и тогда их насчитывалось 18-20 действительных видов. Сейчас же – в конце зимы 2017 их уже 30. Притом новооткрытые виды – реальные макроскопические кристаллы, а не микронные включения и выделения, как часто бывает с новыми видами в последнее время.
Изучать турмалины на хорошем уровне сложно. Они – коллекция классических геохимических проблем: тут и определение легких элементов (Li, B), и изоморфизм в позиции W(O, OH, F), и разделение валентностей железа (Fe2+, Fe3+), и даже несколько сингоний, не говоря уж о вхождении одного и того же элемента в 2-3 позиции, осложняющее расчеты при неполных данных. Поэтому вполне логично говорить о том, что примерно половина представленного в минералогических коллекциях материала идентифицирована не совсем точно. Для того, чтобы получить точные данные по химическому положению турмалина следует:
1. В первом приближении получить данные о его химическом составе с помощью EPMA (электронной спектроскопии, в просторечье «микрозонд»)
2. Произвести измерение легких компонентов (B, Li) с помощью ионного зонда (SHRIMP, к примеру). Произвести измерение кислорода.
3. Разделить железо по валентностям с помощью мессбауэровской спектроскопии.
4. Измерение содержания водорода методом нейтронной активации.
Только после этих достаточно нерутинных и дорогостоящих процедур можно быть уверенным в том, что ваш турмалин правильно определен. А до тех пор, пока 3 из 4 шагов доступны только ряду специалистов – о большинстве фаз можно говорить лишь приближенно.
Дополнение 1: кристаллическая структура турмалинов
Кристаллы турмалина обладают тригональной сингонией, пространственная группа R3m, за исключением моноклинного Луинаита-ОН. Основным элементом структуры являются тетраэдры SiO4 с двумя мостиковыми атомами кислорода, образующими шестичленные кольца Si6O18. В центре каждого кольца расположен катион X, немного смещенный из плоскости самого кольца по оси с. В структуре присутствуют девять катион-кислородных октаэдров, которые подразделяются на два типа: три более крупных октаэдра содержат Y-катионы, а остальные шесть - более мелкие Z-катионы, попарно соединенные верхушками. Эти октаэдры образуют спиральные цепочки вдоль спиральных поворотных осей 3i.
Два типа октаэдров соединяются ребрами так, что каждое кольцо из кремнекислородных тетраэдров присоединяется к спирали двумя атомами кислорода. Ионы бора окружены тремя атомами кислорода, образуя планарные треугольные кластеры. Y- октаэдр содержит две гидрокисильные группы на противоположных вершинах. Присутствие различных изоморфных атомов и вакансий усложняет структуру и сильно влияет на параметры ячейки.
В отличие от пьезокварца, у турмалина не две пьезочувствительные плоскости, а только одна - оптическая ось Z. Благодаря этому он практически незаменим для измерения давления в жидкости. Также пластинки из него служат для стабилизации длин волн в передатчиках.
Дополнение 2: Распространенность элементов в различных позициях турмалина
Позиция |
Относительная распространенность ионов с разными валентностями |
Катионы и анионы каждой позиции в порядке относительной распространенности |
X
|
R1+> R2+> □ (вакансионный) |
R1+:Na1+>>K1+ R2+: Ca2+ |
Y |
R2+> R3+> R1+> R4+ |
R2+: Fe2+~ Mg2+>Mn2+>>> Zn2+ , Ni2+ , Co2+, Cu2+ R3+: Al3+>>Fe3+> Cr3+>> V3+ R1+: Li1+ R4+: Ti4+ |
Z |
R3+>> R2+ |
R3+: Al3+>>Fe3+> Cr3+> V3+ R2+: Mg2+> Fe2+ |
T |
R4+>> R3+ |
R4+: Si4+ R3+: Al3+> B3+ |
B |
R3+ |
R3+: B3+ |
V |
S1–>> S2– |
S1–: OH1– S2-: O2– |
W |
S1– ~ S2– |
S1–: OH1– ~ F1- S2–: O2– |
Кирилл Власов, Москва, февраль 2017 года.
Другие статьи