Лига минералогии

Ну, раз уж все «хвастаются» минералами под ультрафиолетовым фонариком, то, пожалуй, продолжу и я эту интересную тему…

Начну с небольшого «ликбеза» для пропустивших пояснения, почему некоторые минералы так необычно светятся. Явление это называется в общем люминесценцией, а в частности – флюоресценцией, от названия известного, наверное, вам замечательного минерала флюорита, на примере которого этот эффект подметил Джордж Габриэль Стокс ещё в 1852 году.

Суть его, вкратце и не вдаваясь в научные дебри, заключается в следующем. В ряде минералов в довольно незначительных количествах содержатся примеси посторонних элементов, входящих в виде ионов в кристаллическую решетку минерала-хозяина. К числу подобных элементов-допингов, вызывающих свечение, относятся в основном ионы так называемых переходных d-металлов (марганца, ванадия, хрома...) или редкоземельных f-элементов (церия, европия, эрбия), а также уранил-ион UO2. Такие ионы-активаторы, будучи прошенными или непрошенными гостями в доме минерала-хозяина, чувствуют себя несколько неуютно и легко «возбуждаются» при получении извне какой-либо избыточной энергии с переходом электронов на их орбите на более высокий энергетический уровень. Эта избыточная энергия может передаваться им различными способами: облучением ультрафиолетом (фотолюминесценция, она же флюоресценция), облучением рентгеновскими лучами (рентгенолюминесценция), нагреванием до температур 400–450 ºС (термолюминесценция) или же охлаждением до супернизких температур (криолюминисценция), за счет протекания химической реакции (хемилюминесценция), за счет механического воздействия, например удара или раскалывания (триболюминисценция) и так далее... Возбужденные электроны могут возвращаться в основное состояние, рассеивая запасенную энергию на кристаллической решетке, – это безызлучательные переходы, не дающие люминесценции. Если же эта энергия выделяется в виде кванта света, то мы наблюдаем возникновение свечения с определенной длиной волны в видимом глазу диапазоне: интенсивное зеленое, желтое, розовое или красное, реже синее или фиолетовое.

Именно на этом явлении, например, основана работа твердотельных, в частности – рубиновых, лазеров. Вокруг стержня из монокристалла синтетического рубина, содержащего в кристаллической решетке большое количество ионов «гостя» - хрома, спирально намотана ксеноновая лампочка, которая энергией своего света создает «накачку» - заставляет электроны на внешних оболочках атомов хрома забираться на все более и более высокие энергетические уровни, откуда они в один прекрасный момент спонтанно «сыплются» на нижние, стабильные энергетические уровни, практически разом отдавая накопленную энергию в виде мощного узкого пучка монохромного (одной длины волны) и когерентного (одной разности фазы волны) лазерного излучения…

При явлении флюоресценции происходит почти то же самое: энергия невидимого глазу электромагнитного излучения ультрафиолетового фонарика с длинами волн обычно 365 - 395 нанометров заставляет электроны ионов-«гостей» подпрыгивать до потолка более высокого энергетического уровня, сваливаясь потом с которого, они отдают наружу полученную энергию уже другой длиной волны - не в невидимом ультрафиолетовом диапазоне, а в видимом глазу оптическом спектре.

Закончив с нудным ликбезом, перейдем к теме сегодняшнего поста.

На этот раз хочу показать вам не столь уж часто распространенный в коллекциях и довольно редко встречающийся в природе минерал, ортосиликат цинка - виллемит (не путать с похожим по названию фторидом натрия виллиомитом, о котором здесь уже писал).

Несмотря на то, что у нас здесь Лига минералогии, многие не любят пространные тексты с описанием свойств минералов. Поэтому вначале будут иллюстрации, на которых продемонстрирована флюоресценция образца розоватого виллемита со светлым кальцитом и черным франклинитом при изменении длины ультрафиолетового излучения от коротковолнового (365 нм) до длинноволнового (395 нм), а потом уже многословные текстовые пояснения про этот минерал, которые, собственно, можно и не читать, кому неинтересно...)

Виллемит – относительно редкий минерал с химическим составом Zn2[SiO4] – островной ортосиликат цинка. В качестве примесей может содержать в составе элементы, замещающие цинк – марганец, двухвалентное железо, кальций и магний, иногда свинец. Его красновато-розовая разновидность трустит может содержать до 13 % марганца. В некоторых виллемитах в качестве примеси также содержится до 2 % бериллия.

Вместе с минералами фенакитом и эвкриптитом входит в группу фенакита, кристаллическая решетка фенакита и виллемита идентичны, только в первом место цинка занимает бериллий.

Сам по себе, в чистом виде, виллемит бесцветный или белый, но чаще всего окрашен примесями железа и марганца в жёлтый, коричнево-жёлтый, кремовый, бурый, зеленовато-жёлтый, яблочно-зеленый и красноватый цвета. Изредка имеет голубой или синий цвет. Включения черного минерала франклинита иногда придают виллемиту сероватый оттенок. Розовая или красная Mn-содержащая разновидность известна как трустит и названа так в честь американо-голландского минералога Жерарда Труста (1776-1850 гг.).

Кристаллографическая система - сингония виллемита тригональная, что не очень часто встречается у силикатов (наиболее известные исключения – кварц и турмалин). Чаще всего находится в виде сплошных и зернистых масс, а также радиально-лучистых агрегатов, отдельных зёрен, почковидно-сферолитовых образований, образует также агрегаты игольчатых кристаллов. Отмечены псевдоморфозы по гемиморфиту. Кристаллы могут быть как удлиненно-призматическими, так и таблитчатыми. Удлиненные кристаллы длиной до 10 см представляют шестигранную призму, венчаемую ромбоэдрами и похожи на кристаллы диоптаза и фенакита.

Имеет твердость около 5.5 по шкале Шкала Мооса и совершенную спайность по одному направлению.

Виллемит обладает хорошо проявленной ярко-зеленой и зелено-желтой флюоресценцией под коротковолновым УФ-облучением (SW UV), тускло-зеленым до темно-зеленого, кремово-белой до желтовато-коричневой под длинноволновым УФ-облучением (LW UV). Редко встречаются белые, розовые, сине-белые и ярко-оранжевые цвета флюоресценции. Не флюоресцирующие разности виллемита скорее исключение, чем правило. Некоторые образцы виллемита, обладают свойством фосфоресценции – то есть способны продолжать светиться до нескольких часов после того, как выключили источник ультрафиолетового света, а некоторые – могут вспыхивать на короткое время после удара молотком или раскалывания (триболюминисценция). Флюоресцентные свойства виллемиту придает примесь ионов элемента-активатора марганца. Идеальным его количеством является содержание порядка 3 %, сильно ниже или выше (как у трустита) может повлиять на эту способность отрицательно. Также значительно тормозить проявление эффекта флюоресценции может повышенное содержание железа. На месторождении Франклин, шт. Нью-Джерси, США, которое является самым известным источником хорошо флюоресцирующего виллемита, он встречается в тесном срастании со светлым кальцитом, красноватым цинкитом и непрозрачным черным франклинитом, при этом довольно ярким розово-красным цветом флюоресцирует и кальцит, что выглядит очень эффектно. Виллемит лучше светится при коротковолновом УФ-свете (365 нм), а кальцит начинает проявляться под длинноволновым УФ-светом (ближе к 395 нм), что хорошо видно на приведенной в посте серии фотографий.

Изначально виллемит, ещё не имевший такого названия, был выявлен под именем «кремнистого оксида цинка» американскими геологами Ларднером Вануксом и Уильямом Гиполитусом Китингом в 1824 году. Они полагали, что это некоторая разновидность каламина или гемиморфита. Официально же он был поименован виллемитом как новый минерал в 1830 году французским минералогом Арманом Леви в честь Вильгельма (Виллема)  I, первого короля Нидерландов, правившего с 1813 по 1840 год. Таким жестом Арман Леви выразил ему благодарность за то, что тот предоставил ему должность в учрежденном им университете Льежа (Леви был изгнан из Франции во время французской реставрации). Сам же минерал был показан Арману Леви безымянным студентом Льежского университета, нашедшим его на цинковом руднике Альтенберг близ бельгийского городка Кельмиса. Бельгия тогда с 1815 по 1830 год входила в состав Нидерландов…

Виллемит содержит около 73 % окиси цинка и вполне может служить рудой этого металла. Но его значимые месторождения единичны и не имеют особого промышленного значения. В небольших количествах он встречается в зонах окисления сульфидных свинцово-цинковых месторождений, особенно подвергшихся последующему метаморфизму, при котором он преобразуется из других минералов цинка – гемиморфита и смитсонита. Встречается он также в скарнах – контактово-метасоматических породах, образующихся при горячем взаимодействии внедрившейся гранитной интрузии и вмещающего её известняка, причем как в самих измененных известняках, так и в измененных гранитах. Уникальные месторождения горнорудного района Франклин-Стерлинг-Хилл, округ Сассекс, штат Нью-Джерси, США, как считается, возникли в результате метаморфизма крупных залежей цинковых руд образовавшихся в результате действия подводного вулканизма, так называемых «черных курильщиков» на дне древнего океана.

Типичными минералами-спутниками виллемита являются оксид цинка красно-коричнево-оранжевый цинкит, черный магнитный оксид цинка и железа франклинит, светлый до голубого силикат цинка гемиморфит, карбонат цинка смитсонит, обладающий большим разнообразием цветов, ну и конечно же, вездесущий карбонат кальция кальцит.

Как уже подчеркивалось, виллемит минерал не так уж часто встречающийся и несмотря на его интересное свойство флюоресценции, он так бы и остался, наверное, известным лишь специалистам-минералогам. Если бы не одно уникальное его месторождение – рудник Стерлинг-Хилл-Майнс месторождения Франклин в 80 км к северо-западу от Нью-Йорка, округ Сассекс, шт. Нью-Джерси, на котором встречаются флюоресцирующие кристаллы марганец-содержащего виллемита размером до 20 см в ассоциации с франклинитом, цинкитом, шпинелью-ганитом и многими другими минералами в крупных телах мраморовидных кальцифиров. Минералы этого месторождения стали поистине культовыми в среде любителей и коллекционеров камня, особенно его флюоресцирующих разностей…

Интересной особенностью этого месторождения является крупное скальное обнажение на поверхности, содержащее эти необычные минералы, поэтому оно было известно коренным народам Америке задолго до прибытия на континент европейцев. Когда они появились там в 1600-х годах, считается, что первыми рудник стали контролировать голландцы. В 1700-х годах там началась серьезная добыча полезных ископаемых, но не цинка, а железной руды – магнетита с помощью открытых горных работ – закопушек и карьерчиков. Железные руды выплавлялись в небольших печах, которые так и стали называться – печи Франклина. Пытались использовать и комплексную железо-цинковую руду – франклинит, но из-за недостатков тогдашней технологии это удалось только в середине 1800-х годов. На месторождении открытыми и подземными горными работами в течении почти двух столетий добывались комплексные железо-цинковые франклинитовые и цинковые виллемитовые руды. В настоящее время рудники Франклина официально закрыты, но широко используются организаторами экскурсий для любителей камня и ученых…

Помимо Франклина в Нью-Джерси, можно упомянуть следующие местонахождения виллемита: месторождение Альтенберг, близ Аахена, Германия; Кабве, Брокен-Хилл, Замбия; Альтенберг, близ Мореснета, Бельгия; Цумеб и Гучаб, Намибия (голубовато-зеленые и медово-желтые корки, не флюоресцирует); Огденсбург, округ Сассекс, шт. Нью-Джерси; Балмат, округ Сент-Лоренс, шт. Нью-Йорк; шахта Маммот-Сент-Энтони, округ Тайгер; шахта Ред-Клауд, округ Лас-Пас, шт. Аризона; шахты Игнасис и Сьерро-Гордо, округ Иньо, шт. Калифорния; район Трес Эрманас, округ Луна, шт. Нью-Мексико, США; месторождение Мон-Сен-Илере, Квебек, Канада (прозрачные ярко-синие кристаллы до 2,5 см в поперечнике); рудник Путтапа, близ Белтана, Южная Австралия; провинция Хунань, Китай; месторождение Кумыш-Таг, Киргизия. В России виллемит встречается на Кадаинском полиметаллическом руднике, Забайкальский край; в Тыве на хребте Чихачева, на некоторых месторождениях Дальнегорского рудного поля, Приморский край.

После изучения явления флюоресценции на примере виллемита, его искусственный аналог в 1930-х годах стали использовать в производстве люминофора для первого поколения люминесцентных ламп, электронно-лучевых трубок осциллографов и других приборов, а также первых телевизоров… Благо производить искусственный виллемит специально не пришлось – он, к счастью, оказался одним из побочных продуктов металлургической переработки цинковых руд. В 1940-х годах он был в значительной степени вытеснен галофосфорами второго поколения на основе фторапатита. А они, в свою очередь, - триофосфорами третьего поколения. Также аналог природного виллемита широко использовался в производстве датчиков и детекторов радиации.

Хотя виллемит не является широко распространенным ювелирным камнем, некоторые его разновидности можно либо огранить, либо обработать кабашоном. Ведь, как известно, умельцы-ювелиры способны и собачью какашку в золото закатать…) Огранщики используют виллемит весом примерно до 10 карат, в основном из месторождения Франклин, штат Нью-Джерси (зеленые прозрачные кристаллы). Великолепные прозрачные ярко-синие кристаллы до 2,5 см в поперечнике найдены в Канаде (массив Сент-Илер, пров. Квебек). Самый крупный ограненный виллемит из месторождения Франклин имеет вес 29,66 карата. В Смитсоновском институте (Вашингтон, округ Колумбия) находятся ограненные виллемиты весом 11,7 и 11,1 карат (желто-оранжевый, Франклин), в Национальных музеях Канады (Оттава, Онтарио) есть несколько ограненных виллемитов весом  6,75 и 6,30 карат (голубого цвета, Квебек), в частной коллекции находится бледно-оранжевый виллемит из Франклина весом 5,39 карат. Не прозрачные, а только просвечивающие разновидности шлифуют кабошоном, в таких изделиях иногда наблюдается искристый блеск, обусловленный включениями гематита. Флюоресцирующий массивный виллемит с включениями белого кальцита, франклинита и цинкита, как на первом фото, используется как поделочный камень. А основное применение этого минерала, конечно, шикарный коллекционный минерал для любителей и энтузиастов камня!

Вот такой вот забавный минерал виллемит, о котором я смог вам рассказать по случаю… Интересно?