Оптический флюорит

Волкова Наталия

Природные кристаллы флюорита обычно содержат широкий спектр различных примесей, состав и содержание которых непостоянны и зависят от условий формирования тех месторождений, в которых они кристаллизовались. Среди изоморфных примесей, входящих в кристаллическую решетку, главную роль играют редкие земли как цериевой, так и иттриевой группы. Особенно они характерны для флюорита пегматитовых и высоко- и среднетемпературных гидротермальных месторождений. В кристаллах флюорита отмечается присутствие Sr, Na, K, Mg, Cu, Fe, Mn, Cd, Cl, Au, Hg и др. Вместе с включениями вмещающих пород или с захваченными в процессе кристаллизации синхронными минералами-узниками во флюорит в виде примесей входят Al, Si, S, а также многие из перечисленных выше элементов.

Каков же размер природных кристаллов? Этот вопрос имеет большое значение,

так как от размера исходного материала зависят размеры изготовляемых деталей. Как показывает опыт многолетних исследований и анализ литературы, в природе преобладают мелкие кристаллы, менее сантиметра в поперечнике. В тех месторождениях, которые принято считать месторождениями оптического флюорита, наиболее обычные размеры монокристаллов 1—5 см, а среди них выделяются уникальные в 10—20 см. В литературе встречаются указания на находки во Франции исполинских кристаллов оптического качества — до 50—60 см по ребру [Chermette, 1924]. Нам приходилось видеть спайные моноблоки идеального качества размером до 30 см, выколотые из более крупных монокристаллов, добытых в Китае. Очевидно, оптические кристаллы размером более 0,5 м действительно существуют. Неправильной формы сильно дефектные (неоптические) кристаллы имеют иногда размеры более 1 м.

Мы смогли только очень кратко обрисовать внешний облик и внутреннее строение природных флюоритовых кристаллов. Хотелось бы подчеркнуть следующее. Кристаллы флюорита, как и вообще кристаллы минералов, являются удивительным произведением природы. Каждый отдельный кристалл в минеральном мире играет такую же роль, как и отдельный организм в живом мире. И кристаллы не менее сложны по своему строению и не менее динамичны по своим функциям, чем живые организмы. Только функции здесь особые — минеральные; явления протекают долго и медленно, и если спрессовать геологическое время жизни флюоритового или другого кристалла до привычных нам рамок и «раскрутить» эту жизнь в ускоренном темпе, то мы стали бы свидетелями удивительных и разнообразных событий. Научиться правильно читать биографию природных кристаллов — это важнейшая и по научному и по прикладному значению задача современной минералогии [Юшкин, 1977].

Технические требования к природным оптическим кристаллам

Далеко не все природные кристаллы, даже если они прозрачны, могут быть использованы для изготовления оптических деталей, поэтому промышленность предъявляет к оптическому флюориту строго определенные требования [Судеркин, 1959].

Кристаллы или части кристаллов, идущие на оптику, должны быть бесцветными и совершенно прозрачными. В УФ-области спектра пропускание пластинки флюорита толщиной 1 мм не должно быть ниже 80%.

Установлены четыре сорта оптических монокристаллов:

уникальные кристаллы — размер не менее 20x20x10 мм, совершенно бездефектные;

1-й сорт — с редкими трещинами и жидкими и твердыми включениями, занимающими не более 10% объема кристалла;

2-й сорт — с трещинами и включениями, занимающими не свыше 20% объема кристалла, допускается присутствие отдельных крупных дефектов;

3-й сорт — со степенью дефектности от 25 до 95% по объему.

Для кристаллов 1—3-го сортов требуется наличие блоков, пригодных для изготовления оптических изделий размером не менее 6x6x5 мм или 10x10x3 мм. Эти требования, конечно, очень высокие, но они постепенно смягчаются в связи с изменением технологии производства флюоритовой оптики. К ним мы еще вернемся на последующих страницах при описании технологии и покажем факторы, управляющие в новых условиях качеством кристаллов.

Геохимия фтора в земной коре и формирование флюоритовых месторождений

Как свидетельствуют справочники по минеральным ресурсам, запасы флюорита во флюоритоносных провинциях мира весьма значительны, около 150—180 млн. т [Петров, 1976; Минеральные..., 1979]. Если хотя бы 0,5% от этих запасов составляли оптические монокристаллы, то оптическая промышленность всех стран была бы обеспечена сырьем на неограниченную перспективу. К сожалению, она постоянно испытывает «флюоритовый голод», вынуждена вводить вместо флюоритовой оптики во многие приборы далеко не равноценные заменители. Дело в том, что оптические монокристаллы занимают в общей флюоритовой массе земной коры примерно такое же место, как зерна и самородки золота в массе рыхлых пород литосферы. Условия для идеального роста монокристаллов очень жестки и создаются в природе редко, еще более жесткие условия требуются для того, чтобы кристаллы сохранились в первозданном виде в течение длительных геологических эпох. Следовательно, чтобы найти редчайшие гнезда с оптическим флюоритом, нужно знать закономерности флюоритообразования и флюоритораспределения в земной коре.

На них мы кратко и остановимся.

Минералообразующими элементами флюорита являются кальций и фтор. Кальций — весьма распространенный элемент земной коры. Он присутствует всюду и в значительных количествах: среднее содержание кальция в земной коре оценивается по А. П. Виноградову в 2,96%. Содержание фтора почти на два порядка ниже — 0,066%, но он тоже присутствует во всех геологических образованиях; у него даже есть прочно закрепившийся эпитет — фтор вездесущий. Да и содержание его не такое уж низкое — среди других элементов по распространенности в земной коре фтор занимает 16-е место. Вездесущность фтора определяется его очень высокой химической активностью: из всех простых веществ он является наисильнейшим окислителем и соединяется при подходящих условиях почти со всеми прочими химическими элементами, за исключением наиболее близких к нему по электроотрицательному характеру кислорода и азота. Поэтому даже в вулканических газах фтор присутствует не в элементарном состоянии, а в виде HF или SiF₄. Более высокая химическая активность фтора по сравнению с кальцием говорит о том, что закономерности флюоритообразования определяются в первую очередь геохимией фтора в земной коре.

Фтор входит в состав 35 собственно фторовых и 99 фторсодержащих минералов, образуя чаще всего природные соединения с натрием, кремнием и алюминием. Минералы фтора в большинстве своем очень редкие (70 минералов, например, встречены не более чем в пяти пунктах нашей планеты). Только три минерала: флюорит CaF₂, апатит Ca₁₀(PO₄)₆•(F, Cl)₂ и криолит Na₃Al₃F₆ — встречаются в значительных количествах и являются объектами промышленной добычи.

Среднее содержание фтора таково:

Породы	Содержание F, %
Магматические
ультраосновные	0,010
основные	0,040
кислые (гранитоиды)	0,052
щелочные (сиениты)	0,120
Осадочные
глинистые	0,074
песчанистые	0,027
карбонатные	0,033
Современные глубоководные осадки
карбонатные	0,054
глинистые	0,130

Анализ данных о содержании фтора в различных объектах позволяет сделать вывод, что на фоне более или менее равномерного распределения этого элемента выделяются геологические образования, существенно обогащенные или, наоборот, обедненные фтором.

Среди осадочных пород, среднее содержание фтора в которых невелико, повышенные концентрации фтора характерны для ряда карбонатных формаций окраинных частей платформ, а также наложенных и межгорных впадин, т. е. для тех, которые формировались вблизи вулканических поясов, активных в то время и поставлявших фтор в бассейн осадконакопления. Фтор в карбонатных породах присутствует в виде флюорита. Высокие содержания фтора характерны для эвапоритов и галогенно-карбонатных отложений.