Как часто, проходя по тропинке или по какой-нибудь проселочной дороге, встречая на пути булыжник, мы с досадой пинаем его, сетуя, что он помешал нам идти. Мы привыкли думать, что камень — кусок мертвой материи, годный только на то, чтобы заполнить яму на дороге или лечь в фундамент дома…
Но возьмите его в руки, отмойте от дорожной пыли, отшлифуйте одну из граней, и вы увидите удивительную красоту — внутреннюю красоту камня, порядок его зерен, рисунок прожилок. Если повезет, то он откроет вам игру света, проникающего вглубь породы или отражающегося от ее поверхности. И вы почувствуете, что держите в руках кусочек истории Земли, маленькую ее частицу, свидетельницу процессов, глубоко скрытых под землей.
Прежде чем оказаться на вашем пути, этот маленький кусок горной породы прошел много стадий формирования. Вот из жерла вулкана на поверхность Земли изливается магма — природный расплав. Она застывает, образуя очень твердые горные породы, называемые магматическими. Самые распространенные из них базальты — очень прочные, темно-серого, черного или зеленоватого цвета. Застывшая вулканическая лава обращена к ветру и солнцу, под действием которых она постепенно разрушается: выветривается, измельчается, преобразуется химически. Частички горных пород потоками воды смываются к морю, там на них наслаиваются другие породы, и через сотни тысяч лет образуются осадочные породы. Они опускаются все ниже и ниже в земную кору, туда, где высокие температура и давление превращают ее в метаморфические породы, которые имеют шанс расплавиться, превратиться в магму и вновь выйти на поверхность. Так осуществляется круговорот веществ.
Минералы рождаются внутри земли. В глубине земной коры текут насыщенные растворы, доставляя к растущим кристаллам «питательные вещества». Кристаллы вырастают на поверхностях горных пород, присоединяя из окружающей среды те атомы, которые по своим свойствам позволяют достраивать кристалл в соответствии с его структурой. Для этого вблизи кристаллической поверхности действуют силы, отталкивающие «чужих» и притягивающие «своих». Иногда в окружении кристалла «своих» атомов недостаточно, или они вообще отсутствуют. Кристалл приспосабливается к этим условиям, присоединяя вместо «своих» атомов другие, но близкие к ним по свойствам. Эти примеси играют важную роль: в зависимости от их состава кристаллы кварца, например, получают окраску. «Чистый» кристалл кварца, горный хрусталь, прозрачен и бесцветен, но примеси окрашивают его, превращая в фиолетовый аметист, красный рубин, черный или темно-коричневый морион, дымчатый раухтопаз, лимонно-желтый цитрин, розоватый сердолик.
Кристаллы растут не хаотично. Каждая грань кристалла, присоединяя атомы слой за слоем, движется, оставаясь параллельной себе. Это движение происходит с разной скоростью, которая определяется силой притяжения между атомами кристалла и среды. Минимальная скорость у грани, параллельной тем атомным сеткам в структуре кристалла, расстояние между которыми наибольшее, а значит, сила связи между которыми наименьшая. В результате грани, растущие с большой скоростью, «поглощают» грани, растущие медленнее, и поэтому кристалл, даже изначально представляющий собой набор хаотично расположенных блоков, обретает форму, повторяющую структуру атомных слоев.
Благодаря этим процессам мы можем обнаружить удивительно красивые природные образования — друзы, кристаллические щетки и жеоды. Начиная рост с плоской подложки, кристаллы образуют сначала друзу — группу сросшихся кристаллов, которые, начав свой рост независимо друг от друга, сохраняют каждый свою форму. Дальнейший рост кристаллов превращает щетку в друзу – группу сросшихся кристаллов.
Если щетки вырастают на поверхности пустот в горных породах, то образуются жеоды — геологические образования удивительной красоты, снаружи ничем не отличающиеся от обычных булыжников, но внутри скрывающие тайну — полость, заполненную кристаллами самоцветного камня.
Минералы — представители царства Природы, которое первым появилось на нашей планете. Считается, что ранняя Земля представляла собой раскаленный шар, который, постепенно остывая, одевается твердой минеральной корой. Потом уже на поверхности Земли появляются царства растений, животных… И нам кажется, что эти царства бесконечно далеки одно от другого, обособлены, существуют сами по себе. В самом деле, могут ли жить как добрые соседи минералы с растениями и животными?
А между тем именно взаимодействие между этими царствами определяет облик нашей планеты. Об этом, опираясь на глубокие научные исследования, говорит В. И. Вернадский в своей работе «Биосфера»: «Своеобразным, единственным в своем роде, отличным и неповторяемым в других небесных телах представляется нам лик Земли –ее изображение в Космосе, вырисовывающееся извне, со стороны, из дали бесконечных небесных пространств. В лике Земли выявляется поверхность нашей планеты, ее биосфера, ее наружная область, отграничивающая ее от космической среды». Биосфера –— это слой поверхности Земли толщиной в несколько километров, он состоит не только из «живого вещества», к которым относятся биологические организмы, но содержит еще и «косное вещество» — геологические породы. В биосфере живое и косное вещество связаны неразрывно: «Между косным и живым веществом есть непрерывная, никогда не прекращающаяся связь, которая может быть выражена как непрерывный биогенный ток атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно. Этот биогенный ток атомов вызывается живым веществом. Он выражается в непрекращающемся никогда дыхании, размножении и т. п.». Такое взаимодействие теснейшим образом связывает геологические процессы в биосфере с деятельностью живого вещества, определяя облик планеты.
Растения и животные — живые, они рождаются и умирают, дышат, обмениваясь веществом с окружающей средой. Они реагируют на внешние раздражители.
Но, как мы видели, минералы тоже не вечны, они имеют свое начало и конец, свое рождение и гибель, только продолжительность цикла жизни минерала настолько велика, что для нас, живущих лишь десятки лет, минералы кажутся неизменными. Они не изолированы от окружающей среды и обмениваются с ней не только веществом, но и энергией. Например, с энергией света.
Самое удивительное свойство минералов — игра со светом. Именно блеск и переливы красок на гранях или в глубине камня приковывают к ним наше внимание, заставляют любоваться ими. Чем прозрачнее камень, чем богаче игра красок, тем он выше ценится. Совершенство его оптических свойств связано с совершенством кристаллической решетки, правильностью расположения атомов в ней; а это, в свою очередь, определяется условиями, в которых растет камень. Но помимо преломления света на гранях и рассеянием света внутри минерала у некоторых камней есть и не совсем обычные оптические свойства. Так, кристалл рубина позволяет накапливать энергию света в энергетических уровнях атомов кристаллической решетки, а потом отдавать ее в виде мощного импульса — это свойство рубина позволило создать уникальное устройство — оптический квантовый генератор света, лазер. А используя кристаллы полевого шпата, можно распознавать направление колебания вектора напряженности электрического поля (поляризацию) в падающей волне света и направлять лучи с различной поляризацией по разным путям — этот эффект носит название двойного лучепреломления.
Эффект двойного лучепреломления — лучи света с различными поляризациями проходят по разным путям в кристалле, что воспринимается нами как раздвоение изображения карандаша
Минералы могут по-своему реагировать на внешние раздражители. Так, например, на поверхности кристаллов-пьезоэлектриков при механической деформации возникает электрический заряд. Это удивительное свойство используется при создании датчиков давления, в преобразователях звука в электричество, для создания высокоточных часов.
Может быть, минералы — просто ранняя форма жизни?