Минералогические особенности и физические свойства минералов группы турмалина

Введение
Краткая история
Кристаллическая структура XY3Z6(T6O18)[BO3]3V3W.
Морфология кристаллов турмалина.
Минералы группы турмалина
Минералогические особенности турмалина.
Физические свойства турмалина
Заключение.
Литература.

Краткая история
Турмалин был неотъемлемой частью развития науки на протяжении нескольких сотен лет. Большая часть раннего интереса к турмалину была связана с его электрическими свойствами - то есть способностью турмалина приобретать дифференциальный поверхностный заряд при нагревании / охлаждении (пироэлектричество) или при приложении давления вдоль оси c (пьезоэлектричество) кристалла. В западной литературе самое раннее известное упоминание материала, считающегося турмалином, встречается в работе греческого натуралиста Теофраста (около 372–287 до н.э.). В этой работе он описывает драгоценный камень лингуриум, который имеет цвет электрума (желтый) и при нагревании притягивает золу, солому, листья и небольшие кусочки меди и железа. Теофраст сравнивает свойства лингуриума с янтарем, но наиболее вероятно, что лингуриум - это разновидность турмалина [1].
...

Минералы группы турмалина
Природные и синтетические кристаллы со структурным типом турмалина, как уже было сказано ранее, относятся к сравнительно небольшой группе боросиликатов, включающей 621 (по данным JCPDS 2016 г.) минералов и синтетических соединений. Согласно [22], среди них - 125 минералов. Большую часть минералов этой группы составляют турмалины (40 минеральных видов), далее идут дюмортьерит (6), гелландит (5), виканит (5), гадолинит (4), аксинит (4), данбурит (3) и гиалотекит (3). При этом самыми распространенными в горных породах являются турмалин, гадолинит, аксинит, дюмортьерит и данбурит [22]. Основные минеральные виды в группе турмалина: дравит NaMg3Al6(BO3)3[Si6O18](O,OH,F)4, эльбаит Na(Al,Li)3Al6(BO3)3[Si6O18](O,OH,F)4, шерл NaFe3Al6(BO3)3[Si6O18](O,OH,F)4; – выделяются по тому, каким катионом занята позиция Y, но, при этом, во всех трёх минералах позиция X занята ионом Na.
...

Минералогические особенности турмалина.
Турмалин - самый богатый на цветовую гамму драгоценный камень, причем некоторые камни турмалина могут быть окрашены в два или более цвета одновременно (их еще называют полихромными). Присутствие в составе минералов группы турмалина различных катионов определяет их разную окраску. Благодаря окраске отдельные разновидности турмалина получили особые названия. Наиболее разнообразная окраска характерна для эльбаита. К эльбаитам относят параиба турмалины (или "неоновые" турмалины), обладающие ярким голубым или зеленовато-голубым цветом (рис.6).

Рисунок 6. «Неоновые» турмалины.

Эльбаиты цвета индиго или аквамарина известны под названием индиголит. Эльбаиты розового, малинового и красного цвета называются рубеллитами. Зеленые эльбаит-турмалины, похожие на изумруды, называют верделитами. Бесцветные турмалины называют ахроитами, темно-красные – сибиритами.
...

Физические свойства турмалина
Согласно пространственной группе турмалина R3m, турмалин – полярный кристалл, симметрия его кристаллов 3m также принадлежит к одному из 10 полярных (гемиморфных) классов (1, 2, 3, 4, 6,m, mm2, 3m, 4mm, 6mm), и этим обуславливаются его пъезо- и пироэлектрические свойства [45]. Под пироэлектриками понимаются кристаллы, у которых спонтанная поляризация возникает при изменении температуры. Турмалин относится к линейным пироэлектрикам, у которых поляризация линейно зависит от напряженности внешнего электрического поля: Р ~ αЕ. Изменение температуры турмалина на 0.003 градуса создает в его кристаллах напряжение в ~1 вольт. Следует отметить, что все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, у которых поляризация возникает в результате механических и соответственно структурных деформаций. Механические деформации могут быть вызваны не обязательно внешним воздействием.
...

Заключение.
На сегодняшний день, турмалины занимают особое положение среди известных минералов. Пьезоэлектрические свойства турмалина применяются для синтеза отрицательных ионов в медицинских приборах: оздоровительные матрасы, другие приборы, предназначенные для ионизации воздуха. Крупные кристаллы турмалина применяют в радиотехнике. В зависимости от цвета и прозрачности одни разновидности турмалина относятся к драгоценным камням, другие - к поделочным. Наиболее высоко ценимы прозрачные разности зелёного, синего и малиново-красного цвета, а также полихромные зелёно-красные. Прозрачные красиво окрашенные турмалины, прежде всего эльбаит, а также дравит являются популярными драгоценными камнями. Чрезвычайно высоко ценятся в качестве коллекционного материала совершенные по форме крупные кристаллы турмалина (особенно включённые в породу или в срастаниях с другими минералами) и друзы кристаллов.
...

[1] Walton S.A., Theophrastus on Lyngurium: medieval and early modern lore form the classical lapidary tradition. Ann Sci 58 (2001) 357–379.
[2] Henry D.J., Dutrow B.L., The tourmaline diaries: an eye-catching mineral and its many facets. Natur Hist 120 (2012) 16–27.
[3] Hyršl J., Neumanová P., Eine neue Gemmologische Untersuchung der Sankt Wenzelskrone in Prag. Zeit Deutsch Gemmol Gesell 48 (1999) 29–36.
[4] Fisher J., Gem pegmatites, southern California. In: Staebler GA, Wilson WW (eds) American Mineral Treasures. Lithographie LLC, East Hampton, Connecticut, (2008) 186–195;
[5] Pezzotta F., Laurs B.M. Tourmaline: the kaleidoscopic gemstone. Elements 7 (2011) 333–338
[6] Lang S.B. A 2400 year history of pyroelectricity: from Ancient Greece to exploration of the solar system. Brit Ceram Trans 103 (2004) 65–70.
[7] Gautschi G., Piezoelectric Sensorics: Force, Strain, Pressure, Acceleration and Acoustic Emission Sensors, Materials and Amplifiers. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York (2002), 1–264.
[8] Home R.W., Aepinus, the tourmaline crystal, and the theory of electricity and magnetism. Isis 67 (1976) 21–30.
[9] Lang S.B., A 2400 year history of pyroelectricity: from Ancient Greece to exploration of the solar system. Brit Ceram Trans 103 (2004) 65–70.
[10] Dietrich R.V., The Tourmaline Group. Van Nostrand Reinhold Company, New York (1985), 1–300.
[11] Wiegleb J.C., Chemische Untersuchung des schwarzen Stangenschörls. Chem Ann Freunde Natur, Arzn, Haush Manufact (Crells Chemische Annalen) 1 Stück (1785), 246–253.
[12] Gruner W., Die chemische Zusammensetzung des grönländischen Turmalins. Ann Phys Chem 65 (1820), 323–324.
[13] Riggs R.B., The analysis and composition of tourmaline. Am J Sci 35 (1888) 35–51.
[14] Collins J.H., Some Cornish tin-stones and tin-capels. Mineral Mag 5 (1883) 121–130.
[15] Белов Н.В., Белова Е.Н. Кристаллическая структура турмалина // Докл. АН СССР, 1949, Т. 69, № 2. С. 185-188.
[16] Горская М.Г., Франк-Каменецкая О.В., Рождественская И.В. Уточнение кристаллической структуры богатого Al–дравита; Структурно-кристаллохимические особенности Mg-Al–турмалинов. Кристаллохимия и структурный типоморфизм минералов. Л.: Наука. Ленингр. Отд-ние. 1985. С. 105-114.
[17] Shtukenberg A., Rozhdestvenskaya I., Frank-Kamenetskaya O., Bronzova J., Euler H., Kirfel A., Bannova I., Zolotarev A. Symmetry and crystal structure of biaxial elbaite-liddicoatite tourmaline from the Transbaikalia region, Russia // American Mineralogist, 92 (2007), 675-686.
[18] Bosi F., Tourmaline crystal chemistry. American Mineralogist, 103 (2018), 298–306.
[19] Henry D.J., Novák M., Hawthorne F.C., Ertl A., Dutrow B.L., Uher P., Pezzotta F. Nomenclature of the tourmaline-supergroup minerals // American Mineralogist, 96 (2011), 895–913.
[20] Киевленко Е.Я. Поиски и оценка месторождений драгоценных и поделочных камней // М., Недра, 1980, 166 стр.
[21] Костов И. Минералогия. // М., Мир, 1971, 583 стр.
[22] Grew E.S., Dymek R.F., De Hoog, Harley S., Boak J., Hazen R., Yates M. Boron isotopes in tourmaline from the ca. 3.7–3.8 Ga Isua supracrustal belt, Greenland: Sources for boron in Eoarchean continental crust and seawater // Geochimica et Cosmochimica, 163 (2015), 156–177.
[23] Hawthorne F.C., Henrys A.J., Classification of the minerals of the tourmaline group // Eur. J. Mineral., 11 (1999), 201-215.
[24] Ertl A., Giester G., Ludwig T., Meyer H.-P., and Rossman G. Synthetic B-rich olenite: Correlations of single-crystal structural data// American Mineralogist, 97 (2012), 1591–1597.
[25] Сеткова Т.В., Шаповалов Ю.Б., Маракушев А.А., Балицкий В.С. Экспериментальное изучение устойчивости и особенностей кристаллизации турмалина в гидротермальных растворах // ДАН 425 (6), 2009, С. 800-804.
[26] Wilkins, R.W.T., Farell, E.F., Naiman, C.S. The crystal field spectra and dichroism of tourmaline // Journal of Physics and Chemistry of Solids, 1969, 30. P. 43-56.
[27] Manning, P.G. An optical absorption study of the origin of color and pleochroism in pink and brown tourmalines // Canadian Mineralogy, 1969, 9. Р. 678-690.
[28] Nassau, K. Gamma ray irradiation induced changes in the color of tourmalines // Amer. Miner., 1975, 60. Р. 710-713.
[29] De Camargo, M.B., Isotani, S. Optical absorption spectroscopy of natural and irradiated pink tourmaline // Amer. Miner., 1988, 73. Р. 172-180.
[30] Bershov, L.V., Martirosyan, V.O., Marfunin, A.S., Platonov, A.N., Tarashchan, A.N. On colour centers in lithium tourmaline (elbaite) // Soviet Physics and Crystallography, 1969, 13. Р. 629-630.
[31] Taran, M.N., Rossman, G.R. High-temperature, high-pressure optical spectroscopic study of ferric-iron-bearing tourmaline // Amer. Miner., 2002, 87. Р. 1148-1153.
[32] Mattson, S.M., Rossman, G.R. Identifying Characteristics of Charge Transfer Transitions in Minerals // Physics and Chemistry of Minerals, 1984, 14. Р. 94-99.
[33] Krambrock, K., Pinheiro, M.V.B., Medeiros, S.M., Guedes, K.J., Schweizer, S., Spaeth, M. Investigation of radiation-induced yellow color in tourmaline by magnetic resonance // Nuclear Instruments and methods in physics research section B, 2002, 191, 1-4. Р. 241-245.
[34] Mattson, S.M., Rossman, G.R. Identifying Characteristics of Charge Transfer Transitions in Minerals // Physics and Chemistry of Minerals, 1984, 14. Р. 94-99.
[35] Hänni, H.A., Frank, E., Bosshart, G. Golden yellow tourmaline of gem quality from Kenya // J Gem, 1981, 17. Р. 437-442.
[36] Smith, G. Low-temperature optical studies of metal-metal charge-transfer transitions in various minerals // Canadian Mineralogy, 1977, 15. Р. 500-507.
[37] Wilkins, R.W.T., Farell, E.F., Naiman, C.S. The crystal field spectra and dichroism of tourmaline // Journal of Physics and Chemistry of Solids, 1969, 30. P. 43-56.
[38] Manning, P.G. An optical absorption study of the origin of color and pleochroism in pink and brown tourmalines // Canadian Mineralogy, 1969, 9. Р. 678-690.
[39] Leckebusch, R. Chemical composition and colour of tourmaline from Darre Pech (Nuristan, Afghanistan) // NJb Min, Abhandlungen, 1978, 133. Р. 53-70.
[40] Faye, G.H., Manning, P.G., Gosselin, J.R. The optical absorption spectra of tourmaline: importance of charge transfer processes // Canadian Mineralogy, 1974, 12. Р. 370-380.
[41] Dunn, P.J., Appleman, D., and Nelen, J.A. Liddicoatite, a new calcium end-member in the Tourmaline Group // Amer. Miner., 1977, V. 62. Р. 1121 -1124.
[42] Schmetzer, K. Absorptionsspektroskopie und Farbe von V3+-haltigen natürlichen Oxiden und Silikaten - ein Beitrag zur Kristallchemie des Vanadiums // N Jb Min, Abh., 1982, 144/1. Р. 73-106.
[43] Manning, P.G. An optical absorption study of the origin of color and pleochroism in pink and brown tourmalines // Canadian Mineralogy, 1969, 9. Р. 678-690.
[44] Bank, H., Henn, U., Bank, E.H., von Platen, H., Hoftneister. W. (1990) Leuchtendblaue Cu-führende Turmaline aus Paraiba, Brasilien // ZDGG, 1990, 39. Р. 3-11.
[46] Yeredla R.R., H. Xu, Incorporating strong polarity minerals of tourmaline with semiconductor titania to improve the photosplitting of water // J. Phys. Chem., 112 (2008), 532–539.
[46] Балицкий В.С., Балицкий Д.В., Пущаровский Д.Ю., Сеткова Т.В., Балицкая Л.В., Некрасов А.Н. Рост и морфология монокристаллов высокогерманиевого кварца // ДАН. 2017. Т. 477. № 5. С. 578 – 581.
[47] Воскресенская И.Е., Штернберг Л.А. Синтез турмалина в хлоридных средах // Кристаллография, 1973, Т. 19, Вып. 4. С. 888-890.
[48] Сеткова Т.В., Шаповалов Ю.Б., Маракушев А.А., Балицкий В.С. Экспериментальное изучение устойчивости и особенностей кристаллизации турмалина в гидротермальных растворах // ДАН 425 (6), 2009, С. 800-804.
[49] Setkova T., Shapovalov Yu., Balitsky V. Growth of tourmaline single crystals containing transition metal elements in hydrothermal solutions // J. Crystal Growth 318 (2011), 904-907.
[50] Frondel С., Hurlbut C.S., Collette R.C. Synthesis of tourmaline // Amer. Miner., 1947, V.32, no.11-12. P. 680-683.
[51] Smith F.G. Transport and deposition of the non-sulfide vein minerals. IV. Tourmaline // Econ.Geol., 1948, V. 44. P. 186-192.
[52] Michel-Levy M.C. Artificial reproduction of minerals and comparison of their occurrence in metamorphic rocks // Bull. soc. min., 1953, V. 76. P. 237.
[53] Frondel С., Collette R.L. Synthesis of tourmaline by reaction of mineral grains with NaCl-H3BO3 solution, and its implications in rock metamorphism // Amer. Miner., 1957, V.42. P. 754-758.
[54] Емельянова Е.Н., Зигарева Т.А. Рост турмалина в гидротермальных условиях // Кристаллография, 1960, Т.5. C. 955-957.
[55] Taylor A.M., Terrell B.C. Synthetic tourmalines containing elements of the first transition series // J. Crystal Growth, 1967,1. P. 238-244.
[56] Tomisaka T. Syntheses of some end-member of the tourmaline group // Mineral. J., V. 5, № 5, 1968. P. 355-364.
[57] Воскресенская И.Е., Барсукова М.А. Синтез и свойства некоторых железистых и безжелезистых турмалинов. В сборнике Гидротермальный синтез минералов. М:. Наука, 1968, с.175-192.
[58] Ekambaram V. Synthesis and characterization of Na-Al tourmaline // Indian Mineralogy, 1985, V. 26. P. 1-5.
[59] Rosenberg P.E., Foit F.F., Ekambaram V. Synthesis and characterization of tourmaline in the system Na2O-Al2O3-SiO2-B2O3-H2O // Amer. Miner., 1986, V. 71. P. 971-976.
[60] Лебедев А.С., Каргальцев С.В., Павлюченко В.С. Синтез и свойства турмалинов ряда Al-Mg-(Na) и Al-Fe-(Na). В сб. Материалы по генетической и экспериментальной минералогии. Рост и свойства кристаллов. Новосибирск: Наука, 1988. С. 58-75.
[61] Vorbach. A: Experimental examination on the stability of synthetic tourmalines in temperatures from 250°C to 750°C and pressures to 4 kb // Neues Jahrb. Mineral., 1989, Abh161. P. 69-83.
[62] Зарайский Г.П. Зональность и условия образования метасоматических пород. М.: Наука, 1989, С. 340.
[63] Fuchs Y., Lagache M., Linares J. Fe-tourmaline synthesis under different T and f O2 conditions // Amer. Miner., V. 83, 1998. P. 525-534.
[64] Goerne G., Franz G., Wirth R. Hydrothermal synthesis of large dravite crystals by the chamber method // Eur. J. Miner., 1999, V.11. P. 1061-1077.
[65] Kahlenberg V., Velickov B., Structural investigations on a synthetic alkali-free hydrogen-deficient Fe-tourmaline (foitite) // Eur. J. Mineral., 2000, 12. P. 947-953.
[66] Goerne G., Franz G. Synthesis of Ca-tourmaline in the system CaO-MgO-Al2O3-SiO2-B2O3-H2O-HCl // Mineralogy and Petrology, 2000, 69. P. 161-182.
[67] Goerne v G., Franz G., Heinrich W. Synthesis of tourmaline solid solutions in the system Na2O – MgO – Al2O3 – SiO2 – B2O3 – H2O – HCl and distribution of Na between tourmaline and fluid at 300 to 700oC and 200MPa //Contrib. Mineral. Petrol., 2001, 144. P. 160-173.
[68] Wodara U., Schreyer W. X-site vacant Al-tourmaline: a new synthetic end-member // Eur. J. Mineral., 2001, V. 13. P. 521-532.
[69] Marler B., Borowski M., Wodara U. and Schreyer W. Synthetic tourmaline (olenite) with excess boron replacing silicon in the tetrahedral site // Eur. J. Mineral., 2002; 14, 4. P. 763-771.
[70] London D., Ertl A., Hughes J. M., Morgan VI G.B., Fritz E.A., Harms B. S. Synthetic Ag-rich tourmaline: Structure and chemistry // Amer. Miner., 2006, 91. P. 680–684.