Человек с древнейших времен использует наблюдения над неживой природой. Огонь, без которого немыслим быт человека, сначала зажигался молнией в лесу, а потом переносился наблюдательным умельцем в костер — небольшую техническую или, как говорим мы сегодня, техногенную модель лесного пожара. Таким примерам нет числа. Мы упомянули об огне. А магнитные явления, радиоактивность, электричество? Разве первые шаги этих могущественных областей физики, теперь развивающихся самостоятельно, не были оценены при изучении природы?
Наблюдение процессов, происходящих в неживой природе, давало и может дать основу для создания новых технологических процессов и новых приборов, а также для объяснения тех или иных явлений. В своей практической деятельности человек активно познавал их закономерности. Они используются для решения различных технических задач. Эту область знаний созвучно с бионикой можно назвать геоникой.
Кристалл и условия его роста. а — двойник кварца (по Д. П. Григорьеву): б — разрез кварцевоносного пегматита (по Е. Я. Киевленко). 1 — гранит, 2 — аплитовая оторочка; 3 — графический пегматит; 4 — пегматоидная зона; 5 — микроклин; 6 — кварцевое ядро; 7 — полость с кристаллами кварца
Кристаллы кварца — горного хрусталя научились выращивать в лаборатории только после того, как изучили процесс образования кварца в неживой природе. Горный хрусталь — чудесный камень. Им очень широко пользуются для самых различных целей. Хороший проводник тепла, он обладает особыми электрическими свойствами, незаменим в производстве красивых вещей обихода, различных точных оптических приборов. Имеет значение его большая твердость, высокая тугоплавкость и замечательная чистота. Горный хрусталь применяется для изготовления разнообразных радиотехнических устройств. Все упорнее человек стремится заменить природу своей лабораторией. Но получить искусственный горный хрусталь долгое время никак не удавалось. Тем не менее у тех, кто внимательно изучал природу, созревали мысли вырастить его кристаллы. И здесь был использован опыт изучения газово-жидких включений.
В начале 1900-х годов Г. Специа исследовал кварц, его водные и углекислые включения. Он считал, что включения в кварце характеризуют древние материнские первичные растворы, из которых кристаллизовался кварц и его разновидность — горный хрусталь. Для кристаллизующих растворов в качестве основных компонентов он выбрал поваренную соль в количестве 12,7% и силикат натрия — 1,99%, которые типичны для жидких включений кварца. Был сделан важный вывод о том, что кварц образуется в углекисло-водном растворе при охлаждении. Повторяя проведенные опыты, пришли к выводу о возможности промышленного синтеза кварца. Полученные искусственно кристаллы кварца были прозрачные, но очень небольшие, не больше полутора сантиметров в длину. Однако акад. А. Е. Ферсман уже тогда писал: «Я уверен, что через несколько лет на государственных заводах в закрытых сосудах с перегретыми растворами, при больших давлениях будут расти прозрачные камни горного хрусталя. На смену горнякам придут химики!» Предположения А. Е. Ферсмана сбылись: в настоящее время в СССР выращивают большие кристаллы горного хрусталя в промышленных масштабах.
На смену горнякам действительно пришли специалисты в области кристаллохимии, которые стали еще более глубоко изучать природные кристаллы кварца, стараясь понять их строение, особенности и условия образования, для того чтобы воспроизвести эти кристаллы в лабораториях. Кристаллохимики читали в каменных «летописях» природные рецепты.
Чтобы решать проблему искусственного получения кварца, необходимо было провести специальные экспериментальные исследования по изучению геохимических процессов формирования кристаллов. Наблюдения в природе показали: для образования пегматитовых хрусталеносных месторождений требуются прежде всего такие условия, которые приводили бы вначале к созданию относительно мощных кварцевых тел, затем к возникновению в них свободных пространств — полостей и, в конце концов, обеспечивали бы возможность зарождения и роста в этих полостях кристаллов. Реализация этих условий на всех стадиях образования хрусталеносных месторождений определяется прежде всего содержанием и формой нахождения кремнезема в растворах, его перемещением и особенностями кристаллизации. Выяснению этих вопросов были посвящены исследования кристаллохимика В. С. Балицкого, проведенные с помощью геологических, аналитических и термодинамических методов исследования. Они позволили понять, что зарождение и рост кристаллов кварца происходит в основном на имеющихся во вмещающих породах «затравках» первичного кварца. Размеры кристаллов, растущих на затравках, определяются площадью затравки, скоростью роста кристаллов в данном направлении и законом геометрического отбора. Например, в хрусталеносных пегматитах в случае образования гнезда с кристаллами кварца в зоне, где развиты полевые шпаты и есть первичные кристаллы кварца — затравки; в дальнейшем на затравках вырастают другие большие кристаллы. Считают, что когда первичный кварц — затравка обнажается в полости гнезда гранями ромбэдра, то это положение является наиболее благоприятным для роста. Полученные в процессе полевых наблюдений данные о связи размеров кристаллов кварца в хрусталеносных пегматитах с размерами первичного кристалла-затравки и с тем, на какой грани первичного кварца растут кристаллы, были подтверждены в дальнейшем при экспериментах. При этом удалось выяснить характер растворения кварца и горных пород, вмещающих хрусталеносные пегматиты, возможность выращивания кристаллов кварца, а также их особенности в зависимости, от условий роста.
Для того чтобы образовывались хрусталеносные месторождения, необходимы растворы с большим содержанием кремнезема. Такие растворы создавались в условиях высоких температуры и давления, а если температура была невысокая, — то при периодически изменяющейся кислотности и щелочности среды. В случае слабокислых растворов при наличии в растворе фтора в виде фторсодержащих ионов резко повышается растворимость кварца из-за образования кремнефторидных комплексов. В этом случае фтор как бы играет роль катализатора. Физико-химические условия, влияя на ход кристаллизации, с одной стороны, с другой — оставляют своими влияниями следы в теле кристалла.
Внимательные наблюдения за неживой природой: изучение жил, вмещающих пород, полостей, затравочных кристаллов и газово-жидких включений, познание этих природных миниатюрных автоклавов — позволили искусственно воссоздать процесс выращивания кварца в лабораторных условиях.
Ныне созданы большие автоклавы, продукция которых после одной загрузки сырьем составляет столько, сколько можно получить из кварцевой жилы в естественных, природных условиях. Предвидение А. Е. Ферсмана полностью оправдалось.
Источник: Г.С. Франтов. Геология и живая природа. (Уровни организации вещества, бионика и геоника, клетки и газово-жидкостные включения). Изд-во «Недра». Ленинград. 1982