«Как образовался каменный уголь» краткое сообщение, изложенное в этой статье, поможет Вам подготовиться к занятию и расширить область своих знаний на эту тему.

Сообщение «Как образовался каменный уголь»

Каменный уголь являет собой невосстановимое исчерпаемое твердое полезное ископаемое, используемое человеком для получения тепла в процессе его сжигания. Он относится к горным осадочным породам.

Что нужно для образования каменного угля?

Во-первых, большое количество времени. Когда из растений на дне болот образуется торф, то возникают химические соединения: растения распадаются, частично растворяются или превращаются в метан, углекислый газ.

Во-вторых, всевозможные грибки и бактерии. Благодаря им происходит разложение растительной ткани. Торф начинает накапливать стойкое вещество под названием углерод, которого становиться со временем все больше.

В-третьих, отсутствие кислорода. Если бы он накапливался в торфе, то каменный уголь не смог бы образоваться и просто улетучился.

Как образуется каменный уголь в природе?

Залежи каменного угля образовались из огромного количества растительной массы. Идеальные условия – когда все эти растения накопились в одном месте и не успели полностью разложиться. Болота подходят для этого процесса как нельзя лучше: вода бедная на кислород и поэтому жизнедеятельность бактерий приостанавливается.

После того как растительная масса накопилась в болотах, она, не успев полностью сгнить, спрессовывается отложениями почвы. Так образовывается исходный материал угля – торф. Пласты почвы запечатывают его в земле без доступа кислорода и воды. Со временем торф превращается в пласт угля. Данный процесс длительный – значительная часть запасов каменного угля образовалась больше 300 млн. лет назад.

И чем дольше по времени уголь залегает в пластах земли, тем сильнее ископаемое подвергается действию и давлению глубинного жара. В болотах, где накапливается торф, с водой попадают песок, глина и растворенные вещества, которые откладываются в угле. Данные примеси дают прослои в полезном ископаемом, разделяя его на слои. При очищении угля от них остается одна зола.

Выделяют несколько видов угля — каменный уголь, бурый уголь, лигнит, богхед, антрацит. Сегодня в мире насчитывается 3,6 тысяч угольных бассейнов, которые занимают 15% земной суши. Наибольший процент мирового запаса ископаемого принадлежит США (23%), второе место заняла Россия (13%), а третье – Китай (11%).

Надеемся, что доклад «Как образовался каменный уголь» помог Вам подготовиться к занятию. А дополнить сообщение на тему «Как образовался каменный уголь», Вы можете через форму комментариев.

Природные камни впечатляют нас своим разнообразием. Существуют тысячи разновидностей горных пород, каждая из которых имеет свою особенную структуру, цвет и прозрачность. Некоторые из них встречаются нам на каждом шагу, другие, например драгоценные, можно увидеть только на прилавках ювелиров, третьи являются редкими коллекционными экземплярами и доступны большинству людей лишь в виде фото. Могут ли такие непохожие между собой камни иметь общее происхождение? Почему на далеких друг от друга континентах геологи обнаруживают абсолютно идентичные по составу минералы?

Что такое камень?

Камень – это естественное образование, как правило, имеющее высокую твердость. Некоторые из них, например драгоценный алмаз, состоят только из одного химического элемента, но большинство камней имеют гораздо более сложный состав. Камни хранят прошлое Земли, а содержащиеся в них минералы будут использованы для построения ее будущего.

Многообразие камней поражает воображение. Они отличаются друг от друга рядом параметров:

• химической формулой (могут содержать один элемент или несколько);
• структурой (зернистой, кристаллической);
• плотностью (слоистые, пористые, монолитные);
• происхождением (осадочные, метаморфические, магматические);
• цветом;
• прозрачностью;
• способностью вступать в реакцию с химическими веществами;
• удельным весом;
• твердостью.

Как в природе образуются камни?

Твердые куски различных пород олицетворяют статичность и постоянство. Глядя на камень, нам сложно представить, что он когда-то существовал в виде разрозненных химических элементов, более простых минералов или даже живых существ. Откуда берутся камни? Существует несколько путей появления каменных пород:

• они могут зарождаться в глубоких недрах земли из магмы, и тогда их называют магматическими;
• возникать в результате перерождения одних пород в другие, как в случае метаморфических камней;
• быть скоплением древнего растительного или животного материала, минеральных солей, выпавших в осадок, из которых впоследствии сформировались осадочные породы;
• попасть на Землю из космоса как метеоритные осколки.

Магматическое происхождение

Минералы в составе пород этой группы имеют одинаковое происхождение с минералами, образовавшими землю. Первоначально на месте земного шара было лишь раскаленное облако из газообразных веществ. Под влиянием сил гравитации их часть переместилась в центр и сжалась в твердое ядро. Другая, наружная часть из-за понижения температуры затвердела и стала земной корой. Промежуток между ядром и корой занял слой, называемый магмой.

Он имел высокую температуру, давление и состоял из расплавленных минералов. Иногда магматический слой проламывал наиболее слабые участки земной коры, через эти разломы проникал ближе к поверхности и там застывал, образуя колоссальные слои горных пород. Такие породы благодаря своему рождению из магмы получили название «магматические». Ярким примером представителя этой группы минералов является всем известный облицовочный и декоративный материал – гранит.

Гранит

Осадочное происхождение

Что такое осадочные породы и откуда они взялись? Эта разновидность камней формируется из осадков. В зависимости от их характера различают несколько видов осадочных пород:

• обломочные породы появляются из обломков других пород в результате их выветривания (примеры таких минералов – сланец и песчаник);
• химические осадочные породы возникают при выпадении растворенных в воде веществ в осадок (типичные представители: каменная соль, железная руда, кремень, а также некоторые известняки);
• органические осадочные породы образуются в результате скопления отмерших животных или растительных организмов, а также продуктов их жизнедеятельности (в качестве примера можно вспомнить каменный уголь, некоторые виды известняка или доломита).

Большинство осадочных минералов имеет скромный внешний вид и не пользуется спросом у ювелиров, но это с лихвой компенсируется другими качествами.

Железная руда, нефтяной сланец и каменная соль – представители осадочных пород, имеющие огромное значение для экономики многих стран и современных производств.

Метаморфический способ образования

При движении земных плит или землетрясениях происходит как бы перемешивание слоев земной коры, в результате чего ранее сформировавшиеся породы попадают в другие условия и превращаются в новые. Метаморфическими называются породы, прошедшие перекристаллизацию в условиях высокого давления и температуры.

Гнейс

Метаморфические породы делят на:

• слоистые (гнейс, филлит, сланец);
• неслоистые (мрамор, кварцит, новакулит).

Каждая из таких пород образуется не из разрозненных химических веществ, а из другого минерала. Например, предшественником мрамора является известняк, а кварцит образуется из более рыхлого песчаника. К метаморфическим породам относятся кристаллы большинства драгоценных камней. Они растут в толще горных пород под действием высоких температур и давления.

Кварцит

Гости из космоса – метеориты

Ежегодно наша планета проходит через метеоритные потоки. Во время такого прохождения некоторые метеориты притягиваются и под действием гравитационных сил падают на Землю. Часть из них полностью сгорает в слоях атмосферы, другие долетают до земной поверхности в виде метеоритных камней.

Эти осколки гораздо старше нашей планеты, их можно смело считать одними из самых древних веществ не только в природе, но и во Вселенной. Какие бывают метеориты? Если говорить об их составе, то все образцы можно разделить на три группы:

• железные метеориты (содержат от 90% до 95% железа, а остальная часть представлена никелем и другими элементами);
• каменные (большинство экземпляров покрыто плотной блестящей коркой, образовавшейся в результате плавления поверхности камня при прохождении атмосферы);
• каменно-железные (состоят из камня, железа и никеля и в зависимости от состава делятся на мезосидериты и палласиты).

Метеорит

Прилетевшие из космоса метеоритные камни – редкая находка и предмет гордости многих коллекционеров. Некоторые виды метеоритов очень красивы, например палласит. Этот камень украшен зеленоватыми вкрапления оливина, придающими ему необычный вид. Отдельные образцы могут стоить около тысячи долларов за грамм, то есть ценятся гораздо дороже золота.

Из чего состоят природные камни?

Несмотря на великое разнообразие натуральных камней, многие из них имеют в своей основе одно из двух веществ:

• Соединения кремния, или силикаты. Камни, в формуле которых есть силикаты, отличаются высокой плотностью и химической инертностью, а также устойчивостью к высоким температурам. Примеры таких минералов: гранит, большинство драгоценных камней (рубин, изумруд, топаз);
• Карбонат кальция. Камни, имеющие в своей основе это соединение, в большинстве своем произошли из спрессованных временем скоплений остатков растений и животных. Они более рыхлые и легче разрушаются под действием кислот и щелочей. Представители таких минералов: мел, каменный уголь, известняк, мрамор.

Помимо камней с таким типичным химическим составом, природа создала такие уникальные минеральные образования, как алмаз. Он состоит лишь из одного элемента – углерода. Углеродные атомы в алмазе располагаются в виде решетки и связаны между собой одной из самых прочных химических связей – ковалентной. Благодаря этому алмаз своей твердостью превосходит все остальные известные человеку минералы.

Почти 200 лет назад гениальный русский ученый М. В. Ломоносов совершенно правильно объяснил образование ископаемого угля из растительных остатков подобно тому, как образуется теперь торф. Ломоносов указал и условия, необходимые для превращения торфа в уголь: разложение растительности «без вольного воздуха», высокая температура внутри Земли и «тягость кровли», т. е. давление горных пород.

Нужно очень много времени, чтобы торф превратился в каменный уголь. Торф накапливается в болоте, а сверху болото зарастает все новыми и новыми слоями растений. На глубине торф постоянно изменяется. Сложные химические соединения, из которых состоят растения, распадаются на более простые. Одна часть растворяется и уносится с водой, другая переходит в газообразное состояние: углекислый и светильный газ - метан (этот же газ горит и в наших плитах). Большую роль при образовании угля играют грибки и бактерии, населяющие все торфяники. Они помогают разрушению растительной ткани. В процессе этих изменений торфа в нем накапливается наиболее стойкое вещество - углерод. Видоизменяясь, торф становится все более и более богатым углеродом.

Накопление углерода в торфе происходит без доступа кислорода, иначе углерод, соединяясь с кислородом, превратился бы полностью в углекислый газ и улетучился. Образующиеся слои торфа вначале изолируются от кислорода воздуха покрывающей их водой, затем вновь возникающими слоями торфа.

Так постепенно идет процесс превращения торфа в ископаемый уголь. Различают несколько основных видов ископаемого угля: лигнит, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, богхед и др.

Наиболее похож на торф лигнит - рыхлый уголь бурого цвета, не очень давнего происхождения. В нем ясно видны остатки растений, главным образом древесины (откуда и самое название «лигнит», что означает «деревянный»). Лигнит - это древесный торф. В современных торфяных болотах умеренной полосы торф образуется преимущественно из торфяного мха, осоки, камыша, но в субтропической полосе земного шара, например в лесных болотах Флориды в США, образуется и древесный торф, очень похожий на ископаемый лигнит.

При более сильном разложении и изменении растительных остатков создается бурый уголь. Цвет у него темно-бурый или черный; он крепче лигнита, в нем реже встречаются остатки древесины и разглядеть их труднее. При горении бурый уголь дает больше тепла, чем лигнит, так как он богаче углеродом. Бурый уголь со временем не всегда превращается в каменный. Известно, что бурый уголь Подмосковного бассейна одного и того же возраста, что и каменный уголь на западном склоне Урала (Кизеловский бассейн). Процесс превращения бурого угля в каменный происходит лишь тогда, когда слои бурого угля опускаются в более глубокие горизонты земной коры или происходят процессы горообразования. Для превращения бурого угля в — каменный или антрацит нужна очень высокая температура и большое давление в недрах Земли. В каменном угле уже только под микроскопом видны остатки растений; он тяжелый, блестит и часто бывает очень крепким. Некоторые сорта каменного угля сами или вместе с другими сортами коксуются, т. е. превращаются в кокс.

Наибольшее количество углерода содержит черный блестящий уголь - антрацит. Найти в нем остатки растений можно только под микроскопом. При сгорании антрацит дает тепла больше, чем все другие сорта угля.

Богхед - плотный черный уголь с раковистой поверхностью излома; при сухой перегонке дает большое количество каменноугольного дегтя - ценного сырья для химической промышленности. Богхед образуется из водорослей и сапропеля.

Чем дольше уголь лежит в земных пластах и чем сильнее он подвергается давлению и действию глубинного жара, тем больше в нем углерода. В антраците около 95% углерода, в буром угле - около 70%, а в торфе от 50 до 65%.

В болото, где первоначально накапливается торф, обычно вместе с водой попадают глина, песок и различные растворенные вещества. Они образуют минеральные примеси в торфе, которые потом остаются и в угле. Эти примеси нередко дают прослои, разделяющие пласт угля на несколько слоев. Примесь загрязняет уголь и затрудняет его разработку.

При сжигании угля все минеральные примеси остаются в виде золы. Чем лучше уголь, тем меньше в нем должно быть золы. В хороших сортах угля ее всего несколько процентов, но иногда количество золы достигает 30-40%. Если золы больше 60%, то уголь вообще не горит и не годится на топливо.

Угольные пласты бывают разные не только по своему составу, но и по строению. Иногда весь пласт во всю толщину состоит из чистого угля. Значит, он образовался в торфяном болоте, куда почти не попадала вода, загрязненная глиной и песком. Такой уголь можно сразу сжигать. Чаще же пласты угля чередуются с глинистыми или песчаными прослойками. Такие пласты угля называются сложными. В них, например, на пласт в 1 м мощностью приходится нередко 10-15 прослоев глины по нескольку сантиметров толщиной каждый, а на долю чистого угля приходится всего 60-70 см; при этом уголь может быть очень хорошего качества.

Чтобы получить из угля топливо с малым содержанием посторонних примесей, уголь обогащают. Из шахты породу сразу отправляют на обогатительную фабрику. Там добытую в шахте породу в особых машинах дробят на мелкие куски, а затем отделяют от угля все глинистые комочки. Глина всегда тяжелее угля, поэтому смесь угля с глиной промывают струей воды. Силу струи выбирают такую, чтобы она выносила уголь, а более тяжелая глина оставалась бы внизу. Затем воду с углем пропускают через частую решетку. Вода стекает, и уголь, уже чистый, лишенный глинистых частичек, собирается на поверхности решетки. Такой уголь называется обогащенным. Золы останется в нем совсем немного. Случается, что зола в угле оказывается не вредной примесью, а полезным ископаемым. Так, например, тонкая, глинистая муть, приносимая в болото ручьями и речками, нередко образует прослои ценной огнеупорной глины. Ее специально разрабатывают или собирают золу, остающуюся после сгорания угля, а затем используют для изготовления фарфоровой посуды и других изделий. Иногда в золе угля находят .

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

В начале было уже сказано о том, какие природные геологические процессы существуют. Большинство драгоценных камней образуется в результате процессов, требующих высоких температур и давлений.

Для того чтобы минерал образовал хороший кристалл, ему необходимы условия для роста, т. е. свободное пространство. Обычно горные породы являются очень плотными, и минералы, которые в них образуются, имеют неправильные формы. Прозрачные и почти идеальные по форме кристаллы самоцветов образуются в полостях трещин и других пустотах. В камерах и занорышах пeгмaтитoв растут кристаллы топазов, изумрудов, турмалинов, в полостях кварцевых жил -- кристаллы аметиста, горного хрусталя и т. д. При экзогенных процессах, когда происходит разрушение и выветривание пород, драгоценные камни, как более устойчивые, охраняются и накапливаются в коре выветривания и россыпях. Тем самым они становятся более доступными для добычи, потому что гораздо легче доставать минералы из рыхлых пород, чем из твердых.

При искусственном выращивании кристаллов в аппаратах создаются те же физико-химические условия, которые характерны для природных процессов. Даже некоторые термины, которые издавна используются геологами и минералогами, нашли применение в техническом языке, например термин «гидротермальные условия».

Монокристаллы ряда элементов и многих химических веществ обладают замечательными механическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Так, например, алмаз тверже любого другого минерала, встречающегося на Земле. Кристаллы кварца и слюды обладают рядом электрических свойств, обеспечивающих им широкое применение в технике. Кристаллы флюорита, турмалина, исландского шпата, рубина и многие другие находят применение при изготовлении оптических приборов.

К сожалению, в природе монокристаллы большинства веществ без трещин, загрязнений и других дефектов встречаются редко. Это привело к тому, что многие кристаллы на протяжении тысячелетий люди называют драгоценными камнями. Алмаз, рубин, сапфир, аметист и другие драгоценные камни долгое время ценились людьми очень высоко в основном не за особые механические или другие физические свойства, а лишь из-за своей редкости. Развитие науки и техники привело к тому, что многие драгоценные камни или просто редко встречающиеся в природе кристаллы стали очень нужными для изготовления деталей приборов. Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и поисков новых природных месторождений оказалось невозможно.

Кроме того, для многих отраслей техники и особенно для выполнения научных исследований все чаще требуются монокристаллы очень высокой химической чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в условиях, весьма далеких от идеальных.

Таким образом, возникла задача разработки технологии искусственного изготовления монокристаллов.

Первые попытки искусственно получить замечательные минералы человек предпринимал с давних пор. Еще в средние века алхимики с помощью философского камня пытались превратить простые вещества в драгоценные камни. Но все это были попытки с негодными средствами, потому что алхимики совершенно не представляли законов строения вещества. Успех пришел лишь тогда, когда был в достаточной мере познан процесс минералообразования. В настоящее время существует целый ряд способов выращивания кристаллов. Исходное вещество может быть твердым, растворенным или расплавленным, даже может находиться в газообразном состоянии. Из более чем 3000 минералов, существующих в природе, искусственно удалось получить уже несколько сот. Трудности синтеза связаны с необходимостью очень точного соблюдения режима выращивания кристаллов.

Но даже искусственно выращенные кристаллы часто имеют дефекты. Сейчас производятся опыты по выращиванию кристаллов в космосе в условиях невесомости. Первые опыты, проведенные на палубе космического корабля «Салют», показали, что это направление является весьма перспективным.

Из всех замечательных минералов наиболее высокие температуры и давления необходимы для образования алмазов. В природе их находят в так называемых кимбёрлитовых трубках, которые образуются в результате взрыва газов на глубинах свыше 50 км. Кимберлит представляет собой ультраосновную породу, получившую название по руднику Кимберли в Южной Африке. Температура на этих глубинах составляет 1000--1100°С, а давление превышает несколько десятков атмосфер. Но и таких высоких давлений оказывается недостаточно. Как показывает синтез искусственных алмазов, для их образования необходимы поистине чудовищные давления в десятки тысяч атмосфер. Только в таких условиях углерод, хорошо известный нам по графиту, из которого делают карандаши, может перейти в гексагональную модификацию и дать вместо черной массы прозрачные кристаллы. Как же достигаются такие сверхвысокие давления в глубинах Земли? Предполагают, например, что это осуществляется за счет механизма кавитации локального повышения давления в результате взрыва газовых пузырьков. Полуразрушенный материал кимберлитов при взрыве с большой силой устремляется к поверхности Земли по тектоническим трещинам. Вместе с алмазами в кимберлитах находят скопления ювелирного граната -- пиропа фиолетово-красного и оранжево-красного цвета, а также хризолита. Однако хризолит ювелирного качества, как менее устойчивый минерал, сохраняется лишь в свежих невыветренных породах.

Первые алмазоносные трубки взрыва были открыты в 1870 г. в Южной Африке. В последние десятилетия алмазные трубки открыты у нас в Якутии. Алмазы добываются также из россыпей, образовавшихся в результате размыва коренных месторождений.

Около ста лет назад люди впервые попытались получить синтетический алмаз. Первая удача пришла к англичанину Ганнею в 1889 г. Он получил мелкие кристаллики алмаза в порах чугуна, где нaxoдилиcь костное масло, литий и углерод. Раскаленный чугун подвергался резкому охлаждению. Эти первые искусственные алмазы хранятся в Британском музее. Получить новые кристаллы таким способом уже никому не удалось, хотя попыток было сделано немало. Получение алмазов из простого угля казалось в то время совершенно фантастическим. Помните одного из героев рассказа Герберта Уэллса? Он наполнял стальной цилиндр графитовой смесью и взрывчаткой и нагревал его в топке. Затем два года заставлял остывать, чтобы кристаллы алмазов достигли значительного размера. Как пишет Г. Уэллс: «Я решил дать остывать моей аппаратуре два года, чтобы температура снижалась постепенно. Под конец я перестал поддерживать огонь. Я извлек цилиндр и вскрыл его, он был еще так горяч, что обжигал мне руки, выскреб стамеской хрупкую лавообразную массу и размельчил ее молотком нa чугунной плите. Я обнаружил три крупных и пять мелких алмазов». Разумеется, этот способ получения алмазов совершенно фантастический, и алмазы таким путем получить нельзя.

И только в середине XX в. фантастика стала реальностью. В 1955 г. была разработана специальная аппаратура, создающая давление в десятки и сотни тысяч атмосфер при температурах 1200--1500°С. В 1960 г. на июльском пленуме ЦК КПСС было объявлено о получении синтетического алмаза в СССР. Советский искусственный алмаз марки САМ (синтетический алмаз монокристальный) с 1965 г. выпускается в промышленных количествах. Алмазы получают из порошка графита, смешанного с никелем. Смесь прессуется в виде небольших дисков размером до 2--3 см, которые затем нагреваются до температуры 2000--3000°С при давлении до 10* 109 Па. В таких поистине невероятных условиях графит превращается в алмаз. Разумеется, прежде чем строить такие сложные установки, процесс перехода графита в алмаз был изучен теоретически. Исходя из термодинамических свойств того и другого минерала, была рассчитана теоретическая кривая перехода графит -- алмаз.

Получаемые кристаллы имеют кубическую или октаэдрическую форму. По твердости они даже превосходят естественный алмаз. Производство искусственных алмазов в настоящее время практически целиком направлено для нужд буровой техники и абразивной промышленности. Ювелирные кристаллы алмазов пока получены в незначительном количестве.

Был даже сконструирован специальный робот, который вырабатывает алмазы.

На железную ладонь робота кладут сырье -- графит. Робот вкладывает графит в свою «грудь» -- печь, в которой графит нагревается до высоких температур при больших давлениях. В конце концов, опять же на ладонь робота выпадает кристалл синтетического алмаза в форме небольшого шарика.

Способы искусственного получения ювелирных алмазов в условиях высоких давлений сейчас технически освоены, но экономически нерентабельны из-за низкой скорости процесса. Наиболее перспективным в настоящее время, считается метод выращивания алмазов при совместном отложении графита и алмаза при температурах 1000--1200°С из углесодержащего газа (CHi иди CSi). Затем графит сжигается в водородной среде при давлении 5 * 105-- 20 * 105 Па и получается чистый алмаз.

Обратимся теперь к другой группе драгоценных камней -- рубинам и сапфирам. Эти замечательные минералы, представляют собой оксид алюминия (глинозем), в природе встречаются в различных магматогённых и метаморфических породах. Глинозем входит в состав многих минералов горных пород, и для того, чтобы он выделился в свободном виде, как самостоятельный минерал, порода должна быть богата алюминием. Чтобы вместо обычного корунда, имеющего тот же химический состав, выделялись благородные рубин и сапфир, необходимы благоприятные условия для роста кристаллов и содержание в породе определенных химических элементов. Поэтому природные месторождения драгоценных рубинов и сапфиров очень редки. Наиболее известны месторождения в Индии и Шри Ланка.

Извлекать кристаллы из плотных метаморфических или магматических пород очень сложно, поэтому основное значение для добычи рубина и сапфира имеют остаточные и россыпные месторождения.

Искусственный рубин был впервые получен в начале нашего века в небольшой лаборатории в окрестностях Парижа. Выдающийся советский минералог А.Е. Ферсман так описывал эту лабораторию в 1936 г. «В тихой улице захолустного городка около Парижа маленькая грязненькая лаборатория. В тесном помещении среди паров и накаленной атмосферы на столах несколько цилиндрических приборов с синими окошечками. Через них химик следит за тем, что делается в печи, регулирует пламя, приток газа, количество выдуваемого белого порошка. Через короткий промежуток 5-6 ч он останавливает печь и с тоненького красного стерженька снимает красную прозрачную грушу». Этот способ получения искусственного рубина известен под названием «метод профессора Вернейля». Порошок оксида алюминия непрерывно поступает в зону печи, где происходит горение водорода в кислороде. При создавшейся высокой температуре порошок плавится. Капли расплавленной массы падают вниз и попадают на маленький кристаллик рубина, который помещается здесь в качестве затравки. На затравке кристаллизуется прозрачная «булька» -- грушевидный монокристалл рубина, который постепенно растет вверх. В России в настоящее время работают аппараты системы Попова, которые позволяют получать синтетические монокристаллы рубина в виде стержней диаметров 2--4 см и длиной до 2 м. Самым новым методом получения искусственных рубина и сапфира является метод диффузионной плавки, постепенно вытесняющий метод Вернейля.

Красная окраска искусственного рубина получается за счет добавки оксида хрома. При добавлении к порошку глинозема других веществ получают синюю окраску сапфира или оранжевые, желтые, зеленые, розовые, фиолетовые окраски, которых в природе нет. Искусственные рубины и сапфиры чище, прозрачнее и дешевле природных. Они широко применяются для изготовления ювелирных изделий.

Целая группа драгоценных камней (топаз, аквамарин, изумруд, турмалин, аметист, горный хрусталь и др.) в природных условиях связана с пегматитовыми и гидротермальными образованиями. Рост кристаллов в таких условиях происходит в пустотах горных пород. Размеры этих пустот могут достигать несколько десятков кубических метров, хотя обычно их объемы не превышают нескольких кубических дециметров. Пустоты образуются под воздействием самых разнообразных геологических причин и в минералогии имеют различные названия: камеры, заморыши, жеоды, миндалины и т. д. Кристаллы в этих пустотах омываются, горячими гидротермальными растворами, содержащими различные вещества. Обычно в таких пустотах растут не единичные кристаллы, а целые их семейства, которые называются друзами. Расскажем, к примеру, как образуются в природе изумруды, которые пока еще не были получены искусственно. Месторождения изумрудов обычно связаны с пегматитами, где ювелирные кристаллы формируются в камерах. Известны также месторождения изумрудов в метаморфических породах, переработанных бериллиеносными растворами. Поскольку благородная темно-зеленая окраска изумруда объясняется присутствием в минерале хрома, необходимо, чтобы этот элемент содержался в породе в значительных количествах. Иначе вместо изумруда образуется обыкновенный берилл. Поэтому месторождения изумрудов чаще всего залегают среди ультраосновных пород, богатых хромом, железом, магнием и другими элементами. Примером таких месторождений могут служить знаменитые копи Урала. Известные месторождения изумруда в Колумбии образовались при низких температурах не более 100 - 1800 С в результате просачивания минералообразующих растворов через известняк и отложения изумрудов в полостях, образовавшихся при растворении известняков горячими растворами.

Из этой группы замечательных минералов наиболее, освоено искусственное получение горного хрусталя. Сейчас в нашей стране практически все виды аппаратуры, использующие горный хрусталь (кварц), работают на синтетических кристаллах. Искусственные кристаллы горного хрусталя получают в гидротермальных условиях. Это слово «гидротермальные» мы употребляли при описании природных условий образования минералов. Оно используется и в технике для обозначения условий получения кристаллов из «горячей воды». Кристаллы выращивают в специальных трубах -- автоклавах высотой несколько метров. Автоклавы изготовляют из нержавеющей высоколегированной стали и покрывают изнутри серебром. Это делается для того, чтобы на трубе не образовалась ржавчина, которая при попадании в растущий кристалл кварца может вызвать различные нежелательные дефекты монокристалла. В нижней части трубы размещается кварцевый песок, через который просачивается вода с добавками щелочей. Процесс происходит при температуре несколько сот градусов и высоком давлении. В этих условиях кремнезем растворяется в воде, насыщенный раствор кремнезема в воде омывает маленький затравочный кристалл кварца, помещенный в верхней части автоклава. Кристалл растет в автоклаве несколько месяцев, а особо чистые кристаллы растут несколько лет. Требования технологии очень высоки: температурный режим, например, нe может изменяться даже на доли градуса в течение всего роста кристалла. В таких условиях выращивают кристаллы горного хрусталя массой до 15 кг.

Создавая прибор для выращивания искусственного хрусталя, человек в значительной степени использовал знания, полученные при изучении природных условий образования минерала, и эти природные условия искусственно воссоздал в автоклаве.

А вот другая группа оксида кремния (IV) -- благородные опалы и агаты, которые отличаются от обычного кварца значительным содержанием воды. Эти некристаллические колломорфные минералы формируются совсем в других условиях. В природе они образуются из кремнистого геля, который отлагается в пустотах лав -- застывшей массы, которая образуется при извержениях вулканов. Эти породы называются вулканическими, или эффузивными. Выпадение кремнезема в порах и пустотах вулканических пород связано с понижением температуры кремнистого геля до 100 --1500 С. Месторождения благородного опала встречаются также в древних корах выветривания. Предполагают, что в результате испарения грунтовых вод под действием сухого климата происходило увеличивание концентрации кремнезема и выпадения его почти на поверхности Земли. К этому типу относятся основные месторождения благородного опала в Австралии.

Еще совсем недавно, мы ничего не знали об искусственном опале. Но вот пришло сообщение, что французский химик Гилсон синтезировал и выпустил на международный рынок белые и черные драгоценные синтетические опалы, которые обладают всеми внешними признаками, свойственными природным благородным опалам и, в первую очередь, ирризацией. Даже специалисты по драгоценным камням затрудняются отличать полученные синтетические опалы oт природных. Технология производства искусственных опалов пока остается тайной изобретателя.

Список драгоценных камней, которые получают искусственно, все время растет.

Российские ученые разгадали еще один секрет природы - получение аметиста - горного хрусталя густо фиолетового цвета. Аметисты выращивают так же, как и кристаллы кварца. Затем кристаллы облучают -лучами в реакторах. Под воздействием облучения в кристалле возникают разные дефекты, которые и обуславливают его фиолетовый цвет. В данном случае окраска аметиста не обусловлена примесью каких либо других элементов, а имеет другие причины.

Можно не сомневаться, что пройдет еще несколько лет, и любые кристаллы драгоценных камней и других замечательных минералов могут быть получены искусственным путем.

Мы рассмотрели естественные и искусственные условия образования драгоценных камней. Однако существует еще одна группа минералов о которых мы не можем сказать ни слова: они не существуют в природе. Это минералы созданные человеком в лабораторных условиях. Несколько лет назад в ювелирных магазинах появились изделия с прекрасными прозрачными камнями различного цвета. По красоте они не уступают бриллиантам. Эти искусственные камни были названы фианитами в честь места их рождения Физического института Академии наук имени П.Н. Лебедева (ФИАН). По составу феаниты представляют собой смесь оксидов циркония и гафния. Фианиты изготовляются для различных отраслей народного хозяйства: оптики, электроники, производства лазеров, ювелирных изделий. Другой известный искусственный минерал, широко используемый в ювелирном деле, - гранатит - алюминиево-иттриевый гранат. Новые минералы окрашивают в различные цвета с помощью хромофор, и они великолепно имитируют драгоценные камни.

Круг искусственных драгоценных камней, применяемых в ювелирном деле (гемологии), постоянно расширяется. Современная гемология использует многочисленные синтетические минералы: изумруды, шпинели, гранаты, рубины, сапфиры, имитацию жада и многие другие.

Многие века и даже тысячелетия употреблялись замечательные минералы в качестве украшений, и люди даже не подозревали, какие огромные скрытые возможности таятся, к примеру, в бриллиантовом колье на шее у светской дамы или в рубиновом перстне на пальце вельможи. Но шли годы, бурное развитие науки и техники вовлекало в сферу производства все новые и новые материалы, и многие из тех свойств, которые определили драгоценность минералов, оказались совершенно необходимыми в технике. Выяснилось, например, что с помощью рубинового лазера можно с большой точностью измерить расстояние от Земли до Луны. Самый ценный камень -- алмаз -- в настоящее время является больше техническим камнем, чем камнем красоты. Алмазы используют для шлифовки, резки, с помощью специальных приспособлений -- буровых коронок, усаженных алмазами, сверлят Землю в поисках полезных ископаемых. Образно говоря, прошли времена алмазных корон -- настали времена алмазных коронок. Электротехника, оптика, радиотехника, военное дело, точная механика и многие другие отрасли народного хозяйства претендуют на драгоценные камни вовсе не из-за их красоты, а именно из-за их замечательных свойств.

Использование минералов для технических целей началось уже давно, может быть раньше, чем их применение в качестве украшений. Когда первобытный человек взял в руку обломок нефрита и стал рубить им дерево -- это и было первое техническое применение камня. Позже человек усовершенствовал свой инструмент: привязав обломок нефрита к палке, он получил каменный топор. Разумеется, современнее применение минералов в технике намного сложнее.

Какие же свойства определили широкое применение минералов в современной технике?

Твердость. Твердость минералов -- это комплексное физическое свойство, зависящее от внутренней структуры, значений межатомных расстояний, валентности ионов и атомов, слагающих минерал, и т. д. В практической минералогии для определения твердости пользуются произвольной нелинейной шкалой Мооса. Все минералы по этой шкале делятся на десять групп с твердостью от 1 до 10. Более точные количественные значения твердости определяют с помощью специальных приборов -- склерометров. Алмазную или стальную пирамидку вдавливают в пришлифованную поверхность минерала, а затем изменяют длину диагонали образовавшейся ямки. Затем эти значения рассчитываются, в килограммах на 1 мм.

Первым в ряду стоит алмаз, имеющий максимальную твердость, равную 10. Недаром его название произошло от греческого слова адамас, что означает «непобедимый». Такая «непобедимость» алмаза определила его широкое применение для изготовления режущих инструментов. Самым простым из них является известный всем стеклорез. Это наиболее древнее техническое применение алмаза, которое мы знаем. Алмазы употребляют в металлообрабатывающей промышленности для изготовления пил; резцов, приготовления полировальной пасты, используют для конструирования алмазных коронок, обеспечивающих высокопроизводительное бурение горных пород и т. д.

Подсчитано, что мировая потребность в алмазах составила к 1975 г. более 20 т, и это для минерала, масса кристаллов которого измеряется в каратах (0,02 г). Американские специалисты писали, что если изъять из употребления в США алмазные инструменты, то промышленный потенциал этой страны снизится вдвое.

Разумеется, в технике применяются не ювелирные алмазы, а тем более не бриллианты. В дело идут рядовые алмазы -- крошка, «борт», а также черная разновидность алмазов -- «карбонадо». С каждым годом растет потребление искусственных алмазов, поскольку природные месторождения не удовлетворяют сейчас и половины запросов промышленности.

С алмазом по твердости соперничает рубин, имеющий твердость 9 по шкале Мооса, или 2000 кг/мм. Этот минерал является прекрасным абразивом. Хорошо известны твердые абразивные шлифовальные круги, порошки, пасты. В производстве используются не ювелирные рубины и сапфиры, а невзрачный корунд. В настоящее время широко применяется искусственный корунд -- электрокорунд, или алунд, получаемый путем электроплавки высококачественных алюминиевых руд -- бокситов.

Всем хорошо известно выражение «часы на 17 (или на 23) камнях». Эти камни в часах есть не что иное, как вкладыши из рубина, в которых вращаются оси шестеренок. Вы можете увидеть эти красноватые рубины, открыв крышку часов. Качество ручных или карманных часов зависит, в частности, от того, сколько шестеренок вращается на рубиновых подшипниках. Рубиновые камни определяют долговечность часов.

Еще один «замечательный минерал», или точнее минералы, используется в абразивной промышленности -- гранат. Эта группа минералов содержит много разновидностей. В качестве абразива обычно применяют железистый гранат -- альмандин. Твердость этого минерала по шкале Мооса равна 7, а количественно составляет 11ОО кг/мм2. Из гранатов изготовляют шлифовальные порошки, точильные круги, шкурки. Иногда они заменяют в приборостроении рубин.

Список замечательных минералов, используемых из-за их твердости в промышленности, можно было продолжить. Но уже из того, что мы перечислили, можно понять, что твердость, являющаяся необходимым свойством драгоценных камней и определяющая их долгую жизнь в качестве украшений -- качество, необходимое и для промышленных целей.

Большинство людей знает об алмазах только то, что это самые твердые минералы на планете и что из них делают бриллианты. А вот ответ на интересный вопрос о том, как образуются , мало кому известен. Давайте узнаем побольше о происхождении этого минерала.

Следует отметить, что «цари камней» образовываются несколькими способами. Ученые еще не пришли к единому мнению на этот счет, поэтому мы приведем самые популярные гипотезы о происхождении камня. Известно лишь, что эти неметаллы получаются в условиях сильного давления на углерод. Их и производство – дело очень дорогостоящее, это одна из причин, по которым стоимость так высока. Вторая же причина – большое количество полезных качеств, которые активно используются человеком на протяжении долгого времени.

Дитя метеорита

Еще в XIX веке кристаллы алмаза были обнаружены учеными при изучении упавшего на Землю метеорита. Как выяснилось, этот минерал, как многие другие составные части метеорита, получается при столкновении небесного тела с поверхностью планеты. Это происходит за счет огромных давления и температуры, воздействующих на углерод при ударе. Однако кристаллов в метеорите образуется очень мало. Их называют импактитами.

Мантийно-магматическая теория

Некоторые исследователи считают, что алмаз в природе образовался в период от 100 миллионов до 2,5 миллиардов лет назад под землей. Именно там, как уверяют ученые, были созданы наиболее подходящие условия для образования минералов: огромное давление, повышенная температура, однородная среда, отсутствие температурного градиента.

А посредством взрывных процессов (вулканической активности и т.п.) эти минералы были вынесены на поверхность Земли, из чего следует, что самые крупные месторождения неметаллов находятся возле отверстий в земной коре. Эта теория объясняет также то, как минерал появляется на дне океанов.

Гигантский космический шар

Вопрос, откуда берутся алмазы, исследовался с разных сторон. Когда началось изучение этих камней метеоритного происхождения, некоторые ученые считали, что в космосе минерал откалывается от огромных алмазных планет, и, соединившись с метеоритом, прилетает на Землю.

Эта теория не подтвердилась: кристаллы образовались именно так, как описано выше. Однако в космических просторах действительно существует как минимум одно тело, частично состоящее из ценного камня. Белый карлик, звезда Люси, находящаяся в созвездии Кентавра, имеет ядро из чистого алмаза. Его вес сложно сосчитать точно: ученые говорят о триллионах триллионов карат, а диаметр шарообразного ядра – около 4 тысяч километров.

Синтетические минералы

Люди давно мечтали научиться создавать этот неметалл самостоятельно, но получилось это только в ХХ веке. Углерод, а точнее его источник – графит, подвергают воздействию сильного давления и высокой температуры. Это происходит с помощью гидравлического пресса и электрического тока. Образование алмазов таким путем – это надежно, но дорого.

Существует еще два метода, с помощью которых появляются искусственные «цари камней»: воздействием взрыва и выращиванием кристаллов в метановой среде. Искусственные минералы чаще используются в производстве, чем в ювелирном деле, хотя ничем не уступают натуральным.

Основа производства, углерод, очень распространенный материал, так что проблем с добычей сырья для искусственного создания камней не возникает. По соотношению цены, качества и доступности лучшим сырьем является графит, поэтому его используют чаще всего.

К слову, синтетическое производство таких камней поспособствовало открытию нового, еще более прочного материала. Его назвали ACNR. Этот камень, который также может образовываться из углерода посредством нагревания, может даже поцарапать алмаз. Возможно, будущие поколения будут широко использовать его на практике.

Месторождения и добыча

Добыча алмазосодержащей породы – дело очень непростое. Требуется найти месторождение, разработать его и лишь после этого начать сам процесс добычи. Руду добывают с помощью машин, затем измельчают, сортируют, чтобы выделить чистую кимберлитовую породу, которая является сырьем.

Затем кимберлит отправляют на производство, где его сортируют по размеру и классу, после чего алмазы готовы к дальнейшему использованию. Часть идет на изготовление бриллианта, часть – на различные приборы.

Кимберлитовая руда есть на территории всей поверхности Земли, исключая Антарктиду. Лидерами по количеству запасов этого ценного камня являются Россия, Канада и Ботсвана. Первые же разработки появились еще в XVII веке.

Так называемый «царь камней» издавна привлекал людей большим количеством полезных свойств, основное из которых – его невероятная твердость. Но добыть кристаллы не так-то просто, особенно если учитывать, что происхождение алмазов исследовано далеко не полностью. Будем надеяться, что совсем скоро ученые решат эту проблему и поймут, как именно возникают месторождения минерала. Это позволит значительно расширить спектр его использования, а также увеличить объемы работ там, где камень уже используется.