Основы геометрической кристаллогрфии

В.В. Бескрованов, А.С. Сыромятникова

 

ОСНОВЫ КРИСТАЛЛОГРАФИИ АЛМАЗА

Учебное пособие

 

Рекомендовано ДВ РУММЦ (УМО) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений по специальности: 07100 ¾материаловедение и технология новых материалов 

 

(Объем - 6 п.л.)

УДК 548.4

ББК

Б

 

утверждено Советом университета

 

Рецензенты

 

доктор геолого-минералогических наук, директор ИГАБМ А. Смелов

кандидат философских наук, и.о. ректора ИГИТИ И.С. Сивцев  

 

В.В. Бескрованов, А.С. Сыромятникова

Основы кристаллографии алмаза. Учебное пособие. Якутск. Изд-во Якутского ун-та. 2003. ___ с.

 

В учебном пособии изложены основные понятия о кристаллографии алмаза.

Пособие предназначено для студентов специальности "Технология алмазных инструментов" физического факультета ЯГУ.

 

Ответстственный редактор

Кандидат геолого-минералогических наук Ю.П. Барашков

 

 

Якутский государственный университет, 2003

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие редактора

Предисловие

Введение ¾5

Глава 1. Геометрическая кристаллография.

1.1. Основные понятия о кристаллах ¾ 8

1.2. Закон постоянства углов ¾ 10

1.3. Закон целых чисел (закон рациональности параметров). Метод кристаллографического индицирования ¾ 11.

1.4. Элементы симметрии кристаллических многогранников ¾ 14

1.4.1. Плоскость симметрии ¾ 15

1.4.2. Оси симметрии ¾ 17

1.4.3. Центр инверсии ¾ 18

1.4.4. Инверсионные оси симметрии ¾ 19

1.5. Теоремы о сочетании элементов симметрии ¾ 20

1.6. Единичные направления ¾ 22.

1.7. Тридцать два вида симметрии ¾ 22.

1.7.1. Историческая справка ¾ 22

1.7.2. Виды симметрии кристаллов, обладающих единичными направлениями ¾ 23

1.7.3. Виды симметрии кристаллов без единичных направлений ¾ 28.

1.8. Кристаллографические сингонии и категории ¾ 32.

1.9. Международные символы видов симметрии ¾ 34

1.10. Простые формы кристаллов ¾ 36.

1.10.1.  Простые формы кристаллов низшей и средней категории ¾ 37.

1.10.2.  Простые формы кристаллов высшей категории ¾ 40.

Глава 2. Внутреннее строение кристаллов

2.1. Исторические сведения ¾ 45

2.2. Пространственные решетки (решетки Бравэ) ¾ 46

2.3. Элементы симметрии бесконечных фигур ¾ 50

2.4. Кристаллическая структура алмаза.

2.5. Структурные модификации алмаза

2.6. Ретикулярная плотность сеток алмазной решетки и их влияние на механическую прочность.

Глава 3. Кристалломорфология алмаза.

3.1. Морфологическая классификация алмаза.

3.1.1. Плоскогранные октаэдры

3.1.2. Кристаллы, сложенные уменьшающимися тригональными слоями роста

3.1.3. Кристаллы, с полицентрически растущими гранями.

3.1.4. Кристаллы, сложеннные тонкими дитригональныит слоями роста.

3.1.5. Кристаллы с занозистой штриховкой

3.1.6. Кристаллы округлоступенчатыми гранями

3.1.7. Кристаллы с блоковой скульптурой

3.1.8. Округлые кристаллы с блоковой скульптурой

3.1.9. Алмазы кубического габитуса

3.2. Минералогическая классификация Ю.Л. Орлова

3.2.1. Алмазы разновидности I

3.2.2. Алмазы разновидности II

3.2.3. Алмазы разновидности III

3.2.4. Алмазы разновидности IV

3.2.5. Алмазы разновидности V

3.2.6. Алмазы разновидности VI

3.2.7. Алмазы разновидности VII

3.2.8. Алмазы разновидности VIII

3.2.9. Алмазы разновидности IX

3.2.10. Алмазы разновидности X

3.2.11. Алмазы разновидности XI

Заключение

Список рекомендуемой литературы.

 

ВВЕДЕНИЕ

Из всех известных человеку минералов алмаз отличает удивительная красота, чистота и многообразие форм кристаллов. Алмаз представляет собой прекрасный объект для различных кристаллографических исследований. Его поразительные, рекордные свойства стали для многих людей неоспоримым доказательством удивительных возможностей природы. Об алмазе писали многие писатели и поэты. "Алмаз ¾ первый по блеску, твердости и ценности из дорогих (честных) камней...," - так определил его место среди минералов энциклопедист Владимир Даль в своем знаменитом толковом словаре. "Величайшую цену между человеческими вещами, не только между драгоценными камнями, имеет алмаз, который долгое время только царям, да и то весьма немногим, был известен" ¾ отмечал в свой книге об естественной истории ископаемых тел римский писатель и естествоиспытатель Каий Секунд Плиний Старший, погибший при извержении Везувия в 79 г. и оставивший потомкам громадное письменное наследие. Книга об ископаемых телах ¾ только один из 37 томов его "Естественной истории". Писатель Александр Куприн так охарактеризовал алмаз: "Царь всех камней ¾ камень Шамир. Греки называют его Адамас... Он крепче всех веществ на свете... Это свет солнца, сгустившийся в земле и охлажденный временем... он играет всеми цветами, но сам остается прозрачным, точно капля воды". Здесь писатель удивительно точно назвал три главных достоинства драгоценного камня ¾ твердость, высокую дисперсию (способность разлагать белый свет на цветные составляющие) и необычайно высокую теплопроводность.

В отношении происхождения слова "алмаз" мнения специалистов расходятся. Одни считают, что слово восходит к древнегреческому adamaz (адамас) ¾ непреклонный, непреодолимый. Другие полагают, что в основе лежит арабское слово "al-mas" (ал-мас), что также указывает на главное качество алмаза ¾ "твердейший". В русском языке слово "алмаз" впервые встречается в книге Афанасия Никитина "Хождение за три моря"

Человек давно и по достоинству оценил алмаз за его чрезвычайную твердость и красоту. Имеются доказательства, что он был известен еще древним грекам. В Британском музее хранится греческая статуэтка из бронзы, изготовление которой ученые относят к V в. до н.э., т.е. возраст ее почти 2500 лет. Глазами статуэтке служат два необработанных алмаза. Наиболее вероятным считается предположение, согласно которому алмазные кристаллики попали в Грецию из Индии. Некоторые исследователи убеждены, что алмазы находили в речных россыпях Индии за три тысячи лет до нашей эры. Если это утверждение верно, то приходится признать, что знакомство человека с алмазом состоялось почти пять тысяч лет назад.

Алмаз издавна зарекомендовал себя в обрабатывающих отраслях промышленности в качестве сверхтвердого природного материала. О том, что в природе не существует минералов тверже алмаза знали на Востоке еще в глубокой древности. Доказательством этому служит стихотворение, написанное на санскрите, древнейшем письменном языке Индии. Под фарием здесь подразумевается алмаз.

Фария не может царапать никакой

Драгоценный камень,

Он царапает все камни.

Фарий царапает фария...

Исключительную прочность алмаза почитали и древние греки, что нашло отражение в произведениях древнегреческих поэтов Гесиода и Эсхила. В них красочно описаны алмазный шлем Геракла и изготовленные из алмаза же цепи, которыми боги приковали к скале Прометея в наказание за то, что он даровал людям огонь. Шлем Геракла и цепи Прометея служили древним грекам символом несокрушимости.

Есть основания полагать, что механическая прочность алмаза была известна человечеству даже ранее греческой цивилизации. Вполне вероятно, об этом знали уже древние египтяне. И не только знали, но и использовали в практических целях. Английский египтолог В. Флиндерс Петри обнаружил следы буровых работ внутри знаменитой пирамиды Хеопса или, как ее часто называют, Большой пирамиды. Флиндерс Петри пришел к выводу, что огромные каменные блоки, из которых сложена пирамида, соединялись между собой штырями, вставляемыми в специально просверленные отверстия. Тщательное изучение оставленных инструментом следов на внутренней поверхности этих отверстий свидетельствует о том, что отверстия в блоках могли быть высверлены только с помощью сверла из чрезвычайно твердого материала. С помощью резцов из такого же материала были нанесены иероглифы на некоторых каменных блоках. Петри выдвинул предположение, что в качестве сверхтвердого материала египтяне использовали алмаз.

При механической обработке алмаза приходится преодолевать громадные трудности. Считается, что впервые это удалось осуществить путем шлифовки одного алмазного камня о другой в 1454 году фламандцу Ван-Беркену. Однако известный советский кристаллограф Иларион Иларионович Шафрановский считал, что механическая обработка алмаза была известна на Востоке еще раньше. Он ссылался на книгу Бируни "О драгоценных минералах". В ней Абу Рейхан Мухаммед ибн аль-Бируни так написал о техническом применении алмаза: "Жители Ирака и Хорасана не различают сортов алмаза и их цвета, все они для них одинаковы, так как они употребляют только для сверления".

В последние годы природный алмаз привлекает к себе особое внимание специалистов наукоемких отраслей промышленности. Его ценность определяется уникальным комплексом физико-химических свойств, не имеющим аналогов у других известных материалов. Американский инженер Л. Девис в статье “Экономическое и стратегическое значение алмазов, используемых в промышленности”, опубликованной 26 марта 1955 г. в горнопромышленном и техническом журнале Южно-Африканского Союза, так оценил значение алмаза для промышленного потенциала США: “Для такой современной, технически развитой страны, как США, значение технических алмазов не может быть переоценено. В США ежегодно потребляется 12 млн. каратов алмазов стоимостью примерно 50 млн. долларов. Было подсчитано, что если бы эта страна была отрезана от источников снабжения алмазами, то ее промышленный потенциал за очень короткий срок упал бы наполовину”. Добавим к этому, что в пятидесятые годы США скупали до 70% мировой добычи алмазов. В настоящее время потребление технических алмазов в США еще более увеличилось, а, следовательно, и возросло их значение в промышленном потенциале этой страны.

Кристалломорфология алмаза впервые обсуждалась в уже упоминавшейся работе Плиния Старшего. В 19 веке начали активно обсуждаться вопросы происхождения плоскогранных и кривогранных форм алмазов. А. Е. Ферсман и В. Гольдшмидт в 1911 опубликовали первый фундаментальный труд по морфологии алмаза в терми­нах современной кристаллографии. Позднее появилось большое количество научных работ, касающихся отдельных проблем кристалломорфологии алмаза. В этом направлении работали главным образом советские кристаллографы: И.И. Шафрановский, О.М. Аншелес, А.А. Кухаренко, Ю.Л. Орлов и другие.

Бурное развитие физико-хи­мических и структурных методов ис­следования алмаза отодвинули на вто­рой план изучение его морфологии. Однако в последнее время вновь воз­рождается интерес к кристаллографии ал­маза. Это вызвано двумя причинами. Во-первых, необходимостью изучения генетических аспектов минералогии ал­маза. Кристалломорфология является одной из наиболее чувствительных типоморфных особенностей, отражающих условия роста и последующего существования алмазов в породах мантии и в кимберлитовом распла­ве. Поэтому важно знать, какие мор­фологические особенности алмазов являются результатом роста, какие — растворения и в каких условиях осуществлялся каждый из этих процессов.

Во-вторых, во всем мире интен­сивно ведутся поиски новых, в пер­вую очередь коренных, месторожде­ний алмазов. Практика добычи алмазов свидетельствует, что разные кимберлитовые тела и даже разные рудные блоки в пределах одного тела различаются по морфологии алма­зов. "Во многих случаях, ¾ пишет по этому поводу в своей книге «Драгоценные камни» Гордон Смит, ¾ камни, добытые на различных, даже близрасположенных рудниках весьма различны. Для южноафриканских рудников эти различия столь отчетливы, что опытные специалисты могут распознать, с какого рудника та или иная партия камней". Пояснения Смита справедливы и для кимберлитовых трубок Якутии. Морфология кристаллов алмаза служит важнейшим признаком иден­тификации россыпей при прогнози­ровании их коренных источников.

Глава 1.

ОСНОВЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ КРИСТАЛЛОГРФИИ