Гранаты ( / ˈ ɡ ɑːr n ɪ t / ) представляют собой группу силикатных минералов , которые использовались со времен бронзового века в качестве драгоценных камней и абразивов .
Все виды гранатов обладают схожими физическими свойствами и кристаллическими формами, но различаются по химическому составу . Различными видами являются пироп , альмандин , спессартин , гроссуляр (разновидностями которого являются гессонит или коричный камень и цаворит ), уваровит и андрадит . Гранаты образуют две серии твердых растворов : пироп-альмандин-спессартин (пиральспит) с составом в диапазоне [Mg,Fe,Mn] 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 ; и уваровит-гроссуляр-андрадит (уграндит) с составом в диапазоне Ca 3 [Cr,Al,Fe] 2 (SiO 4 ) 3 .
Слово гранат происходит от среднеанглийского слова gernet 14-го века , означающего «тёмно-красный». Оно заимствовано из старофранцузского слова greneta, происходящего от латинского granatus, от granum («зерно, семя»). [3] Это, возможно, ссылка на mela granatum или даже pomum granatum (« гранат », [4] Punica granatum ), растение, плоды которого содержат обильные и яркие красные семенные оболочки ( arills ), которые по форме, размеру и цвету похожи на некоторые кристаллы граната. [5] Гессонитовый гранат также называется «гомед» в индийской литературе и является одним из 9 драгоценных камней в ведической астрологии, которые составляют Наваратну . [ 6]
Виды граната встречаются во всех цветах, наиболее распространены красноватые оттенки. Синие гранаты являются самыми редкими и впервые были обнаружены в 1990-х годах. [7] [8] [9] [10]
Свойства пропускания света у гранатовых разновидностей могут варьироваться от прозрачных образцов ювелирного качества до непрозрачных разновидностей, используемых в промышленных целях в качестве абразивов. Блеск минерала классифицируется как стеклянный (подобный стеклу) или смолистый (подобный янтарю). [3]
Гранаты — это несосиликаты с общей формулой X 3 Y 2 ( Si O
4) 3 . Позиция X обычно занята двухвалентными катионами ( Ca , Mg , Fe , Mn ) 2+ , а позиция Y - трехвалентными катионами ( Al 3+ , Fe 3+ , Cr 3+ ) в октаэдрическом / тетраэдрическом каркасе с [SiO 4 ] 4− , занимающим тетраэдры. [11] Гранаты чаще всего встречаются в додекаэдрическом кристаллическом габитусе , но также обычно встречаются в трапецоэдрическом габитусе, а также в гексаоктаэдрическом габитусе. [3] Они кристаллизуются в кубической системе, имея три оси, которые все имеют одинаковую длину и перпендикулярны друг другу, но никогда не являются фактически кубическими, потому что, несмотря на изометричность, семейства плоскостей {100} и {111} обеднены. [3] Гранаты не имеют плоскостей спайности , поэтому при разрушении под действием напряжения образуются острые, неровные ( раковистые ) осколки. [12]
Поскольку химический состав граната различается, атомные связи в некоторых видах сильнее, чем в других. В результате эта группа минералов показывает диапазон твердости по шкале Мооса примерно от 6,0 до 7,5. [13] Более твердые виды, такие как альмандин, часто используются в качестве абразивных материалов. [14]
Для целей идентификации драгоценных камней, реакция на сильный неодимовый магнит отделяет гранат от всех других природных прозрачных драгоценных камней, обычно используемых в ювелирной торговле. Измерения магнитной восприимчивости в сочетании с показателем преломления могут использоваться для различения видов и разновидностей граната, а также для определения состава граната с точки зрения процентного содержания видов конечных членов в пределах отдельного драгоценного камня. [15]
Альмандин, иногда неправильно называемый альмандитом, является современным драгоценным камнем, известным как карбункул (хотя изначально почти любой красный драгоценный камень был известен под этим названием). [16] Термин «карбункул» происходит от латинского слова , означающего «живой уголь» или горящий уголь. Название альмандин является искажением Алабанда , региона в Малой Азии , где эти камни огранялись в древние времена. Химически альмандин является железо-алюминиевым гранатом с формулой Fe 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 ; темно-красные прозрачные камни часто называют драгоценными гранатами и используют в качестве драгоценных камней (будучи наиболее распространенными из драгоценных гранатов). [17] Альмандин встречается в метаморфических породах , таких как слюдяные сланцы , и ассоциируется с такими минералами, как ставролит , кианит , андалузит и другие. [18] Альмандин имеет прозвища восточный гранат, [19] альмандиновый рубин и карбункул. [16]
Пироп (от греческого pyrōpós , что означает «подобный огню») [3] имеет красный цвет и химически является силикатом алюминия с формулой Mg 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 , хотя магний может быть частично заменен кальцием и железом. Цвет пиропа варьируется от темно-красного до черного. Драгоценные камни пироп и спессартин были извлечены из алмазоносных кимберлитов Слоуна в Колорадо , из конгломерата Бишопа и из лампрофира третичного периода в Сидар-Маунтин в Вайоминге . [20]
Разновидность пиропа из округа Мейкон , Северная Каролина, имеет фиолетово-красный оттенок и называется родолитом , что по-гречески означает «роза». По химическому составу его можно рассматривать как по сути изоморфную смесь пиропа и альмандина в пропорции две части пиропа на одну часть альмандина. [21] У пиропа есть торговые названия, некоторые из которых являются неправильными : Cape ruby , Arizona ruby , California ruby , Rocky Mountain ruby и Bohemian ruby из Чешской Республики . [16]
Пироп является индикаторным минералом для пород высокого давления. Породы мантийного происхождения ( перидотиты и эклогиты ) обычно содержат разновидность пиропа. [22]
Спессартин или спессартин — это марганцево-алюминиевый гранат, Mn 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 . Его название происходит от Шпессарт в Баварии . [3] Чаще всего он встречается в скарнах , [3] гранитных пегматитах и родственных типах пород, [23] и в некоторых низкосортных метаморфических филлитах . Спессартин оранжево -желтого цвета встречается на Мадагаскаре. [24] Фиолетово-красные спессартины встречаются в риолитах в Колорадо [21] и Мэне . [ требуется ссылка ]
Синие пироп-спессартиновые гранаты были обнаружены в конце 1990-х годов в Бекили, Мадагаскар . Этот тип также был обнаружен в некоторых частях Соединенных Штатов , России , Кении , Танзании и Турции . Он меняет цвет от сине-зеленого до фиолетового в зависимости от цветовой температуры видимого света из-за относительно высокого содержания ванадия (около 1 мас.% V 2 O 3 ). [9]
Существуют и другие разновидности гранатов, меняющих цвет. При дневном свете их цвет варьируется от оттенков зеленого, бежевого, коричневого, серого и синего, но при свете ламп накаливания они кажутся красноватыми или пурпурно-розовыми. [25]
Это самый редкий вид граната. Из-за способности менять цвет этот вид граната напоминает александрит . [26]
Андрадит — это кальциево-железный гранат, Ca 3 Fe 2 (SiO 4 ) 3 , имеет переменный состав и может быть красным, желтым, коричневым, зеленым или черным. [3] Признанные разновидности — демантоид (зеленый), меланит (черный) [3] и топазолит (желтый или зеленый). Красно-коричневая полупрозрачная разновидность колофонита признана как частично устаревшее название. [27] Андрадит встречается в скарнах [3] и в глубоко залегающих магматических породах, таких как сиенит [28], а также в серпентинах [29] и зеленых сланцах . [30] Демантоид — одна из самых ценных разновидностей граната. [31]
Гроссуляр — это кальциево-алюминиевый гранат с формулой Ca 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 , хотя кальций может быть частично заменен двухвалентным железом, а алюминий — трехвалентным железом. Название гроссуляр происходит от ботанического названия крыжовника , grossularia , в связи с зеленым гранатом этого состава, который встречается в Сибири . Другие оттенки включают коричнево-коричневый (разновидность коричного камня), красный и желтый. [3] Из-за его более низкой твердости, чем циркон , на который похожи желтые кристаллы, их также называют гессонитом от греческого слова, означающего «низший». [32] Гроссуляр встречается в скарнах, [3] контактных метаморфизованных известняках с везувианом , диопсидом , волластонитом и вернеритом .
Гранат гроссуляр из Кении и Танзании называется цаворитом. Цаворит был впервые описан в 1960-х годах в районе Цаво в Кении, откуда и произошло название камня. [33] [34]
Уваровит — кальциево-хромовый гранат с формулой Ca3Cr2 ( SiO4 ) 3 . Это довольно редкий гранат ярко-зелёного цвета, обычно встречающийся в виде небольших кристаллов, связанных с хромитом в перидотите , серпентините и кимберлитах. Он встречается в кристаллических мраморах и сланцах в Уральских горах России и Оутокумпу, Финляндия . Уваровит назван в честь графа Уваро , российского государственного деятеля. [3]
Кноррингит — это разновидность магниево-хромового граната с формулой Mg 3 Cr 2 (SiO 4 ) 3 . Чистый конечный член кноррингита никогда не встречается в природе. Пироп, богатый компонентом кноррингита, образуется только при высоком давлении и часто встречается в кимберлитах . Он используется как индикаторный минерал при поиске алмазов . [35]
Также известны как редкоземельные гранаты.
Кристаллографическая структура гранатов была расширена по сравнению с прототипом, чтобы включить химические вещества с общей формулой A 3 B 2 ( C O 4 ) 3 . Помимо кремния, большое количество элементов было помещено на позицию C , включая германий , галлий , алюминий , ванадий и железо . [36]
Алюмоиттриевый гранат (YAG), Y 3 Al 2 (AlO 4 ) 3 , используется для синтетических драгоценных камней. Благодаря своему довольно высокому показателю преломления YAG использовался в качестве имитатора алмаза в 1970-х годах, пока не были разработаны методы производства более совершенного имитатора кубического циркония в коммерческих количествах. При легировании неодимом (Nd 3+ ), эрбием или гадолинием YAG может использоваться в качестве лазерной среды в лазерах Nd:YAG [37] , лазерах Er:YAG и лазерах Gd:YAG соответственно. Эти легированные лазеры YAG используются в медицинских процедурах, включая лазерную шлифовку кожи , стоматологию и офтальмологию. [38] [39] [40]
Интересные магнитные свойства возникают при использовании соответствующих элементов. В иттриевом железном гранате (YIG), Y 3 Fe 2 (FeO 4 ) 3 , пять ионов железа (III) занимают два октаэдрических и три тетраэдрических места, причем ионы иттрия (III) координируются восемью ионами кислорода в неправильном кубе. Ионы железа в двух координационных местах проявляют различные спины , что приводит к магнитному поведению. YIG является ферримагнитным материалом с температурой Кюри 550 К. Иттриевый железный гранат может быть превращен в сферы YIG , которые служат магнитно-настраиваемыми фильтрами и резонаторами для микроволновых частот. [41]
Лютеций-алюминиевый гранат (LuAG), Al 5 Lu 3 O 12 , представляет собой неорганическое соединение с уникальной кристаллической структурой, в первую очередь известное своим использованием в высокоэффективных лазерных устройствах. LuAG также полезен в синтезе прозрачной керамики . [42] LuAG особенно предпочтителен по сравнению с другими кристаллами из-за своей высокой плотности и теплопроводности; он имеет относительно небольшую постоянную решетки по сравнению с другими редкоземельными гранатами, что приводит к более высокой плотности, создающей кристаллическое поле с более узкой шириной линий и большим расщеплением энергетических уровней при поглощении и испускании. [43]
Тербий-галлиевый гранат (TGG) , Tb3Ga5O12 , является вращателем Фарадея с превосходными свойствами прозрачности и очень устойчив к лазерному повреждению. TGG может использоваться в оптических изоляторах для лазерных систем, в оптических циркуляторах для волоконно-оптических систем, в оптических модуляторах , а также в датчиках тока и магнитного поля . [44]
Другим примером является гадолиний - галлиевый гранат (GGG) , Gd3Ga2(GaO4) 3 , который синтезируется для использования в качестве подложки для жидкофазной эпитаксии магнитных гранатовых пленок для пузырьковой памяти и магнитооптических приложений. [ требуется ссылка ]
Минерал гранат обычно встречается в метаморфических и, в меньшей степени, в магматических породах. Большинство природных гранатов имеют зональный состав и содержат включения. [45] Его структура кристаллической решетки стабильна при высоких давлениях и температурах и, таким образом, встречается в метаморфических породах зеленосланцевой фации, включая гнейс , роговообманковый сланец и слюдяной сланец. [46] Состав, который стабилен в условиях давления и температуры мантии Земли, - это пироп, который часто встречается в перидотитах и кимберлитах , а также в серпентинах , которые из них образуются. [46] Гранаты уникальны тем, что они могут регистрировать давление и температуру пикового метаморфизма и используются в качестве геобарометров и геотермометров при изучении геотермобарометрии , которая определяет «PT-пути», пути давления-температуры. Гранаты используются в качестве индексного минерала при определении изоград в метаморфических породах. [46] Зональность состава и включения могут отмечать изменение от роста кристаллов при низких температурах к более высоким температурам. [47] Гранаты, которые не являются зональными по составу, скорее всего, испытали сверхвысокие температуры (выше 700 °C), что привело к диффузии основных элементов внутри кристаллической решетки, эффективно гомогенизируя кристалл [47] или они никогда не были зональными. Гранаты также могут образовывать метаморфические текстуры, которые могут помочь интерпретировать структурные истории. [47]
Помимо использования для определения условий метаморфизма, гранаты могут использоваться для датирования определенных геологических событий. Гранат был разработан как геохронометр U-Pb для датирования возраста кристаллизации [48] , а также как термохронометр в системе (U-Th)/He [49] для датирования времени охлаждения ниже температуры закрытия .
Гранаты могут быть химически изменены и чаще всего превращаются в серпентин, тальк и хлорит . [46]
Открытый карьер по добыче граната Бартон, расположенный в горах Гор в Адирондак , даёт самые большие в мире монокристаллы граната; диаметры варьируются от 5 до 35 см, а средний размер обычно составляет 10–18 см. [50]
Гранаты Гор Маунтин уникальны во многих отношениях, и были приложены значительные усилия для определения времени роста граната. Первое датирование было проведено Басу и др. (1989), которые использовали плагиоклаз-роговая обманка-гранат для получения изохроны Sm/Nd, которая дала возраст 1059 ± 19 млн лет. Мезгер и др. (1992) провели собственное исследование Sm/Nd, используя роговую обманку и высверленный керн 50-сантиметрового граната, чтобы получить изохронный возраст 1051 ± 4 млн лет. Коннелли (2006) использовал семь различных фракций граната Гор Маунтин для получения изохронного возраста Lu-Hf 1046,6 ± 6 млн лет. Поэтому с уверенностью можно заключить, что гранаты образовались в возрасте 1049 ± 5 млн лет, что является средним значением трех определений. Это также локальный возраст пикового метаморфизма в фазе Оттаван 1090–1040 млн лет назад гренвильского орогенеза , и он служит критической точкой данных для установления эволюции месторождений мегакристаллического граната. [50]
Красные гранаты были наиболее часто используемыми драгоценными камнями в позднеантичном римском мире и в искусстве периода переселения народов « варварских » народов, которые захватили территорию Западной Римской империи . Они особенно использовались в инкрустации в золотые ячейки в технике перегородчатой эмали , стиль часто называемый просто гранатовой перегородчатой эмалью, найденной от англосаксонской Англии, как в Саттон-Ху , до Черного моря . Тысячи партий золота, серебра и красных гранатов Тамрапарниян были сделаны в старом мире , в том числе в Рим, Грецию, на Ближний Восток, в Серику и к англосаксам; недавние находки, такие как Стаффордширский клад и подвеска скелета женщины из Винфартинга из Норфолка, подтверждают установленный торговый путь драгоценных камней с Южной Индией и Тамрапарни (древняя Шри-Ланка ), известной с древности своим производством драгоценных камней. [51] [52] [53]
Чистые кристаллы граната до сих пор используются в качестве драгоценных камней. Разновидности драгоценных камней встречаются в оттенках зеленого, красного, желтого и оранжевого. [54] В Соединенных Штатах он известен как камень января. [2] [55] [56] Это также камень Водолея и Козерога в тропической астрологии . [57] [58] Семейство гранатов является одним из самых сложных в мире драгоценных камней. Это не один вид, а состоит из множества видов и разновидностей. [59]
Альмандиновый гранат является государственным минералом Коннектикута , [60] [61] звездчатый гранат является государственным драгоценным камнем Айдахо , [62] гранат является государственным драгоценным камнем Нью-Йорка , [63] [64] а гроссуляровый гранат является государственным драгоценным камнем Вермонта . [65]
Гранатовый песок является хорошим абразивом и распространенной заменой кварцевого песка при пескоструйной обработке. Зерна аллювиального граната, которые являются более круглыми, больше подходят для такой струйной обработки. Смешанный с водой под очень высоким давлением, гранат используется для резки стали и других материалов в струях воды . Для резки струей воды подходит гранат, извлеченный из твердой породы, поскольку он имеет более угловатую форму, поэтому более эффективен при резке. [66]
Гранатовую бумагу предпочитают краснодеревщики для отделки необработанной древесины. [67]
Гранатовый песок также используется в качестве фильтрующего материала для воды.
Как абразив, гранат можно в целом разделить на две категории: для струйной обработки и для водоструйной обработки. Гранат, по мере его добычи и сбора, измельчается до более мелких зерен; все куски, которые крупнее 60 меш (250 микрометров), обычно используются для пескоструйной обработки. Куски между 60 меш (250 микрометров) и 200 меш (74 микрометра) обычно используются для водоструйной резки. Оставшиеся куски граната, которые мельче 200 меш (74 микрометра), используются для полировки и притирки стекла. Независимо от области применения, более крупные размеры зерен используются для более быстрой работы, а более мелкие — для более тонкой отделки. [68]
Существуют различные виды абразивных гранатов, которые можно разделить на основе их происхождения. Крупнейшим источником абразивных гранатов сегодня является богатый гранатами пляжный песок, который довольно распространен на индийском и австралийском побережьях, а основными производителями сегодня являются Австралия и Индия. [69]
Этот материал особенно популярен из-за его постоянных поставок, огромных объемов и чистого материала. Распространенными проблемами с этим материалом являются наличие ильменита и хлоридных соединений. Поскольку материал естественным образом дробился и измельчался на пляжах в течение последних столетий, материал обычно доступен только в мелких размерах. Большая часть граната на пляже Тутикорин в Южной Индии имеет размер 80 меш и варьируется от 56 меш до 100 меш. [ требуется цитата ]
Речной гранат особенно распространен в Австралии. Речной песчаный гранат встречается в виде россыпного месторождения . [70]
Каменный гранат , возможно, является типом граната, используемым в течение самого длительного периода времени. Этот тип граната производится в Америке, Китае и Западной Индии. Эти кристаллы измельчаются в мельницах, а затем очищаются ветром, магнитной сепарацией, просеиванием и, при необходимости, промывкой. Будучи свежеизмельченным, этот гранат имеет самые острые края и поэтому работает намного лучше, чем другие виды граната. Как речной, так и пляжный гранат страдают от эффекта опрокидывания сотен тысяч лет, который скругляет края. Горный гранат из округа Уоррен, штат Нью-Йорк , США, является значительным источником каменного граната для использования в качестве промышленного абразива. [3]
