Оптические свойства.

Цвет. Исследование оптических свойств самоцветов – один из важнейших аспектов геммологии, поскольку эффект воздействия света на драгоценный камень определяет его красоту. Из всех оптических свойств цвет, пожалуй, имеет наибольшее значение, особенно для непрозрачных камней, а привлекательность прозрачных камней зависит от их «игры», цвета и блеска. Цвет служит важным диагностическим признаком, позволяющим различать драгоценные камни. Однако иногда два совершенно разных минерала имеют одинаковую окраску. До возникновения научной геммологии драгоценные камни распознавали только по цвету – все красные камни считали карбункулами или рубинами, а зеленые обычно относили к изумрудам, невзирая на их происхождение и состав.

Непрозрачные минералы часто можно различить по цвету черты, т.е. следа, который они оставляют, если провести камнем по неглазурованной фарфоровой пластинке (бисквиту). Например, гематит оставляет яркую красновато-коричневую (вишневую) черту, а пирит – черную с зеленоватым или коричневым оттенком.

Природа окраски минералов окончательно не выяснена. Известно, что в ряде случаев цвет обусловлен химическим составом самоцвета или примесями некоторых химических элементов-хромофоров (Cr, Fe, Mn, V, Ti и др.). В последнем случае механизм появления той или иной окраски не всегда ясен, поскольку один и тот же химический элемент окрашивает разные драгоценные камни в различные цвета. Например, примесь хрома делает рубин красным, а изумруд зеленым. На окраску также влияет нарушение (дефекты) атомной структуры минерала под воздействием радиоактивного облучения.

Белый цвет образован смешением всех цветов радуги, составляющих спектр. Когда свет падает на прозрачный драгоценный камень, он частично отражается от поверхности, частично поглощается, а частично проходит насквозь.

Цвет, воспринимаемый глазом, зависит от того, в какой степени и какие части электромагнитного оптического спектра поглощаются или пропускаются. Камень будет выглядеть черным, если свет полностью поглощается; бесцветный камень пропускает все части спектра. Окрашенный камень поглощает какую-то часть видимого спектра, приобретая при этом цвет, дополнительный к поглощенному (например, изумруд поглощает красные лучи и сам становится зеленым).

Блеск обусловлен отражением света от поверхности минерала. Доля отраженного света зависит от природы камня и от направления падения света. Если свет падает перпендикулярно, отражается лишь его небольшая часть, при малых углах падения отражается значительно бóльшая доля света. Твердые, хорошо отполированные драгоценные камни имеют более яркий блеск по сравнению с мягкими. У необработанных камней блеск слабее. Смачивание поверхности или полировка усиливают блеск камня и выявляют его истинный цвет, так как при этом отражается больше света. В минералогии и геммологии различают следующие типы блеска: алмазный (у алмаза, циркона, сфалерита), алмазовидный (слабее алмазного, но сильнее стеклянного – у корундов), стеклянный (у берилла, топаза, гранатов и многих других ювелирных камней), восковой (у бирюзы), шелковистый (у минералов с волокнистым строением, например, у селенита), перламутровый (у жемчуга), металлический (у непрозрачных ювелирных камней металловидного облика, например, пирита и гематита), смоляной (у янтаря), жирный (у стеатита).

Светопреломление. Луч, входящий внутрь прозрачного минерала, преломляется, так как скорость его распространения становится меньше, чем в воздухе, причем она уменьшается тем сильнее, чем больше оптическая плотность камня. Показатель преломления минерала (степень отклонения луча света от перпендикулярного направления) измеряется при помощи рефрактометра и математически выражается отношением скоростей распространения света в минерале и в пустоте. Алмаз имеет весьма высокий показатель преломления. Свет, выходящий из камня, тоже преломляется, ведь он покидает оптически более плотную среду и вновь попадает в воздух.

Если камни, имеющие высокий показатель преломления, огранены правильно, световые лучи изгибаются таким образом, что в конечном счете преломляются и снова выходят через их верхнюю часть, а не теряются, уходя через нижнюю. Это усиливает блеск ограненного камня. Величина показателя преломления является специфическим признаком каждого минерала (в том числе и драгоценного камня) и способствует его надежной диагностике. Преломление таких минералов, как алмаз, титанит, циркон, гранаты андрадит и демантоид, нельзя измерить на обычном дифрактометре – их блеск слишком сильный и значение показателей преломления находится за пределами его шкалы. При вхождении белого света в драгоценный камень происходит не только его преломление, но и разложение на различные цвета спектра, так как каждый из цветных лучей, из которых слагается белый свет (красный, оранжевый, голубой, зеленый и др.), преломляется по-разному и на выходе из кристалла луч белого цвета «расщепляется» на все цвета радуги. Это явление называется «игрой» камня, «огнем» или дисперсией. У алмаза величина дисперсии примерно такая же, как у демантоида или титанита, но его «огонь» кажется гораздо ярче, так как у бесцветных камней «игра» заметнее. Один поворот бриллианта вызывает целый сноп радужных искр. Все прозрачные минералы (за исключением минералов кубической сингонии и аморфных) разделяют свет на два по-разному отклоняющихся луча. Такое явление называется двойным лучепреломлением, или двупреломлением. При этом, если смотреть сквозь ограненный камень, видно, что ребра задних фасетов как бы раздваиваются. У титанита двупреломление выражено столь сильно, что его можно наблюдать невооруженным глазом, у оливина – хризолита и циркона – с помощью лупы. Для наблюдения этого эффекта у других драгоценных камней требуется микроскоп.

Некоторые химические элементы-примеси, присутствующие в составе ювелирного камня, поглощают часть световых лучей и таким образом затемняют отдельные участки светового спектра. Поглощенная часть света может быть определена посредством спектроскопа, в котором части спектра, соответствующие поглощенным лучам, представлены темными вертикальными полосами или линиями. Каждому химическому элементу соответствует характерное расположение и сочетание полос, представляющее его спектр поглощения.

Дихроизм. Эффект двуцветности (дихроизма) наблюдается у ряда ювелирных камней, характеризующихся наличием двойного лучепреломления при изменении их ориентировки относительно луча зрения. Перемена цвета становится заметной, если поворачивать кристалл либо рассматривать его то сквозь верхние, то сквозь боковые грани. Это свойство усиливает очарование камня и его привлекательность, например, у турмалина дихроизм настолько силен, что его можно наблюдать без помощи дихроскопа (прибора, усиливающего эффект дихроизма; оба цвета можно видеть в нем рядом, в пределах единого поля зрения). Для некоторых драгоценных камней испытание на дихроизм – один из наиболее наглядных методов диагностики. Например, рубин сразу выделяется среди других красных камней по наличию двух четко выраженных оттенков красного цвета.

Поляризация. Кристаллы драгоценных камней поляризуют проходящий свет, вызывая колебания его волн в направлении, перпендикулярном пути светового луча. Часть света, отражаясь от полированной поверхности камня, поляризуется в зависимости от угла падения.

В камнях с двойным лучепреломлением свет поляризуется полностью (за исключением лучей, распространяющихся вдоль оптических осей, т.е. направлений в кристалле, в которых двупреломление отсутствует). Каждый из двух лучей, возникших в результате двупреломления, проходит в разных направлениях, и световые волны этих лучей колеблются почти взаимоперпендикулярно. Каждое направление колебаний характеризуется разным поглощением цвета, что и обусловливает дихроизм. Знание характера поляризации света в минерале необходимо для его квалифицированной огранки, выявляющей выигрышный цвет.

Астеризм. Эффект звездчатости, свойственный лишь немногим драгоценным камням, называется астеризмом. Он обусловлен отражением (дифракцией) света от включений в камне, ориентированных вдоль определенных кристаллографических направлений. Лучшими примерами служат звездчатый сапфир и звездчатый рубин. В минералах волокнистого строения, таких, как кошачий глаз, наблюдается полоска света, меняющая свое положение при повороте камня (переливчатость). Игра света в опале или сияющие павлиньи цвета лабрадорита объясняются интерференцией света, т.е. смешением световых лучей при их отражении от слоев регулярно уложенных шариков кремнезема (опал) или от тончайших пластинчатых кристаллических вростков (лабрадорит, лунный камень).

Люминесценция наблюдается у ряда драгоценных камней: под воздействием ультрафиолетового излучения они начинают светиться, причем совсем другим цветом, нежели при дневном свете. Если свечение происходит только в течение того времени, когда драгоценный камень освещен ультрафиолетовыми лучами, это явление называется флуоресценцией; если же он продолжает светиться в течение некоторого времени после прекращение воздействия ультрафиолетового излучения – фосфоресценцией.

Люминесценция драгоценного камня, так же как и окраска, обусловлена присутствием в нем примесей (активаторов). Поскольку камни из различных месторождений содержат разные примеси и в разных количествах, флуоресценция не всегда может служить надежным диагностическим признаком.

Подавляющее большинство алмазов флуоресцируют. Например, алмазы из ЮАР обычно характеризуются небесно-голубым свечением. Флуоресценция жемчуга зависит от химического состава воды, в которой он вырос. Отчетливо флуоресцируют янтарь (обычно в голубовато-белых тонах) и многие опалы. Уникальная особенность жада заключается в том, что сразу после обработки он флуоресцирует значительно ярче, чем старые изделия. Рубин (особенно из Мьянмы и Шри-Ланки) и некоторые другие драгоценные камни флуоресцируют на обычном солнечном свету. Это свойство весьма усиливает привлекательность рубина и отличает его от прочих красных камней.

Происхождение драгоценных камней.Существует множество путей образования драгоценных камней в природе. Некоторые из них возникли в результате мощных горообразовательных процессов, включающих тектонические движения, землетрясения и вулканические извержения. Другие являются продуктами осаждения из вод минеральных источников или медленного захоронения древних лесов.

Почти все драгоценные камни ассоциируют с определенными горными породами земной коры, подразделяющимися на три главных типа: изверженные (магматические), осадочные и метаморфические. Изверженные породы образуются при остывании магмы в недрах Земли либо на ее поверхности из лавы, излившейся по трещинам или вулканическим жерлам. В процессе медленного остывания и затвердевания магмы по мере того, как повышается концентрация веществ, растворенных в расплаве, начинают расти кристаллы минералов. Если эти процессы протекают на больших глубинах, кристаллы могут достигать значительных размеров, если на поверхности, то они обычно невелики, так как лава затвердевает очень быстро. Крупные кристаллы правильной формы вырастают в полостях и открытых трещинах, где у них достаточно свободного пространства для роста.

Часть магмы, затвердевающая в последнюю очередь и обогащенная парами и газами, образует пегматиты. Структура пегматитов чрезвычайно неравномерна, нередко в них присутствуют гигантские кристаллы массой в несколько тонн и длиной в десятки метров. Мощные выходы молочно-белого кварца – хороший поисковый признак на пегматиты, в которых такой кварц часто слагает центральные зоны. Пегматитовые жилы – один из важнейших типов месторождений ювелирных камней и главный первичный источник лунного камня, розового и дымчатого кварца, берилла и сподумена (кунцита). Пегматиты с драгоценными камнями приурочены к кислым изверженным породам, богатым кремнеземом. Минералы, не содержащие кремнезема, такие, как алмаз, рубин, сапфир и шпинель, кристаллизуются в основных и ультраосновных породах.

Все горные породы испытывают воздействие агентов эрозии (воды, ветра и льда). Продукты выветривания переносятся в форме обломков, песка и алеврита. Этот обломочный материал отлагается в виде пластов или покровов. В ходе геологической истории осадки уплотняются и цементируются, превращаясь в осадочные породы. Главные их типы – песчаники, сланцы, известняки и конгломераты. Пустоты в осадочных породах могут служить сокровищницами горного хрусталя, декоративного кальцита и флюорита.

Под воздействием высокой температуры, давления или химических реакций как изверженные, так и осадочные породы преобразуются в метаморфические, которые, в свою очередь, выветриваются и снова образуют осадочные породы. К метаморфическим породам бывают приурочены жад, лазурит и гранат.

Добыча драгоценных камней из коренных пород ведется с помощью подземных горных выработок или открытыми карьерами. Камни, освобожденные из материнской породы в результате процессов эрозии, а затем снесенные и переотложенные водными потоками, формируют россыпные месторождения, которые разрабатываются путем ручной промывки или с помощью драг. Такие месторождения обычно рентабельны в эксплуатации. Например, галечные россыпи Шри-Ланки славятся своими сапфирами, рубинами и шпинелью. Прибрежно-океанические россыпи на западном побережье Африки (в Намибии) весьма богаты алмазами, и для их извлечения промывают многие тонны песка. На балтийском побережье прибоем намывается янтарь.

В россыпях встречаются полые желваки, стенки которых сложены плотным халцедоном и выстланы изнутри кристаллами. Подобные образования, называющиеся жеодами, – поистине природные шкатулки с сюрпризами, ведь снаружи жеода выглядит как обычный валун и ничем не примечательна. Только если расколоть жеоду, можно увидеть красивые скрывающиеся в ней кристаллы драгоценных камней. В жеодах были найдены великолепные экземпляры аметистов. Такие желваки, обычно размером в 10–15 см в поперечнике, образуются чаще всего в известняках, реже – в сланцах или глинистых осадках. При выветривании они высвобождаются из материнской породы и поступают в россыпи. Опал, халцедон и агат часто формируются в пустотах – газовых пузырях базальтовых и андезитовых лав; лучшие австралийские опалы связаны с корами выветривания. Бирюза встречается в районах с сухим жарким климатом и образуется вблизи поверхности при участии просачивающихся растворов, отлагаясь в трещиноватых породах. Оливин настолько чувствителен к атмосферным воздействиям, что встречается в неизмененном виде только в свежих невыветрелых породах. В метеоритах обнаружены два драгоценных камня – алмаз и оливин-хризолит. Для роста кораллов необходимы морские воды с постоянной температурой. Они развиваются на глубинах не более 20 м.

Окаменелая древесина образуется, когда полностью погребенные деревья на протяжении тысячелетий постепенно пропитываются минеральными растворами и их первичные растительные волокна замещаются минеральным веществом. Янтарь – это смола древних хвойных деревьев; нередко он содержит включения прекрасно сохранившихся насекомых. Гагат, близкий по составу и происхождению к обычному каменному углю, отличается от него более плотным сложением.

Распространение драгоценных камней.Долгое время полагали, что красивые драгоценные камни образуются только в условиях тропического климата, потому что лучшие драгоценные камни в прошлом поступали из Индии, Бирмы и Цейлона. Затем это представление было опровергнуто геологами, показавшими, что климат не имеет никакого отношения к качеству драгоценных камней, так как большинство камней образуется в недрах Земли.

На протяжении многих веков Восток славился драгоценными камнями. Индия была первым крупным источником алмазов, которые добываются там до сих пор; на ее территории обнаружены также рубин, сапфир и другие камни. Почти все важнейшие виды ювелирных камней, за исключением алмаза, встречаются в Шри-Ланке, которую китайцы называют «островом драгоценных камней». Лучшие в мире рубины поступают из Мьянмы. Более половины мировой добычи сапфиров приходится на Индокитай, хотя большинство самых крупных камней происходит из Индии. Много сапфиров добывается в Мьянме и Шри-Ланке, из которой поступает преимущественно звездчатый сапфир. Шпинель, обычно ассоциирующая с драгоценными корундами, добывается в Таиланде, Шри-Ланке и Мьянме. Жад привозят по большей части из Мьянмы, значительное его количество поставляет также Китай. На огромных просторах азиатской части России добывается множество ювелирных камней: якутские алмазы, забайкальские аквамарины, топазы, саянский нефрит, байкальский лазурит. Каменными сокровищами богат Урал: там распространены изумруды, хризоберилл, аметисты, горный хрусталь, яшма, малахит, демантоид и многие другие драгоценные камни.

В Афганистане уже более 6000 лет действуют копи по добыче высококачественного лазурита, которые посещал еще Марко Поло. Лучшая по качеству бирюза, служившая эталоном этого камня, добывается с давних пор в Иране (персидская бирюза). Остров Зебергед в Красном море долгое время был единственным местом, откуда поступал ювелирный оливин – хризолит. В последние годы осваивается хризолит (перидот) из алмазоносных кимберлитов Сибири и ЮАР. Австралия славится месторождениями благородного опала (Новый Южный Уэльс, Южная Австралия и Квинсленд), густо-синих сапфиров и богатыми промыслами природного жемчуга. Лидирующий производитель культивированного жемчуга – Япония, которая также ведет добычу благородного коралла, горного хрусталя и аметиста. ЮАР располагает самыми крупными в мире алмазными рудниками. Попутно там добываются и некоторые другие драгоценные камни. С острова Мадагаскар поступают самый красивый в мире турмалин, редкая розовая разновидность берилла – морганит и прекрасный горный хрусталь.

В Европе имеется ряд известных месторождений драгоценных камней: янтаря на Балтийском побережье, опала в Венгрии, пиропа в Чехии, благородного коралла в прибрежных водах Италии, агатов в Германии, хризопраза в Польше, горного хрусталя в Швейцарии, топазов и бериллов на Украине.

Очень богата драгоценными камнями Южная Америка. Особо следует упомянуть алмазы Бразилии, откуда поступают также топаз, аквамарин и бóльшая часть аметиста и цитрина. Агатами славятся Бразилия и Уругвай. Лучшие в мире изумруды добывают в Колумбии. Чили поставляет значительные количества лазурита. Мексика служит главным источником огненного опала и весьма редкого прозрачного сфалерита (практически половина мирового производства), а также поделочных камней, например таких, как мексиканский оникс.

В США разнообразными драгоценными камнями богаты штаты Мэн, Калифорния, Колорадо и Северная Каролина. Мэн – единственный штат, где добываются кристаллы фиолетового апатита, кроме того, там добывают гранаты, содалит и великолепные турмалины. Наибольшее разнообразие драгоценных камней установлено в Калифорнии, славящейся турмалином, жадом и минералами семейства кварца. Близ вершины горы Антеро (высота ок. 4300 м) в Колорадо, занимающего одно из первых мест по запасам драгоценных камней (топаз, турмалин, кунцит, бирюза, дымчатый кварц, поделочный алебастр), расположено самое высокогорное в Северной Америке месторождение отборных аквамаринов. В Северной Каролине обнаружены в небольшом количестве сапфир, изумруд, аквамарин и аметист, а также уникальные проявления гидденита (зеленая разновидность драгоценного сподумена); здесь же впервые был найден родолит (розовая разновидность граната).

Арканзас занимает ведущее место в США по добыче кристаллов кварца, кроме того, там расположен единственный в Северной Америке источник алмазов. Находки ярко-синего сапфира и мохового агата известны из Монтаны. Южная Дакота поставляет розовый кварц, Невада – бирюзу и великолепный черный опал. Аризона славится такими драгоценными камнями, как бирюза и хризоколла (в их состав входит медь), а также камнями из семейства кварца, среди которых выделяются прекрасные образцы окаменелого дерева различных окрасок. Большое количество жада ежегодно вывозится из Аляски; известны также жады Вайоминга. Орегон занимает первое место (в стоимостном выражении) по добыче ювелирных камней (в основном агатов) в США. Впрочем, агаты и другие драгоценные камни семейства кварца обнаружены во всех западных штатах. Из Канады поступают прекрасное окаменелое дерево, содалит и жад, а также лабрадорит.