Kvartsi: Fyysiset ja optiset ominaisuudet
Linas JuozenasJaa
Fyysiset ja optiset ominaisuudet
Kvartsi: Piidioksidin optinen runko
Kvartsi on kiteistä piidioksidia, SiO2. Se on kova, laajalle levinnyt, huoneenlämpötilassa kolmiomainen, optisesti aktiivinen, pietsosähköinen ja visuaalisesti muuntautuva, esiintyen mm. vuorikristallina, ametistina, sitriinina, savukvartsina, ruusukvartsina, maitokvartsina, prasioliittina, ametriinina ja inkluusiollisina muotoina.
Yleiskatsaus: Kestävä runkomateriaali
Kvartsi on tektoosilikaatti, joka rakentuu jatkuvasta piidioksiditetradraalien verkostosta. Tavallisissa pintaehtojen oloissa se esiintyy alfakvartsina, kolmiulotteisena, kieraana mineraalina, jonka vasen- ja oikeakätiset rakenteet selittävät osan sen tunnusomaisimmista optisista ominaisuuksista.
Käsinäytteissä kvartsin ulkonäkö voi olla yksinkertainen: kirkas, valkoinen, violetti, savunvärinen, keltainen, vaaleanpunainen, vihreä, raidallinen tai inkluusiollinen. Tämän visuaalisen vaihtelun alla on vakaa joukko fysikaalisia vakioita: Mohsin kovuus lähellä 7, ominaispaino noin 2,65, ei todellista lohkeamisuuntaa, simpukkamainen halkeama, lasimainen kiilto ja taitekerroinindeksit noin 1,54.
Kvartsi on myös yksi harvoista mineraaleista, joiden merkitys ulottuu geologian, jalokiviteollisuuden, optiikan ja teknologian aloille. Sen kovuus teki siitä hyödyllisen työkalukiven mikrokristallisissa muodoissa; sen kirkkaus teki siitä kaiverrus- ja optisen materiaalin; sen pietsosähköinen käyttäytyminen teki siitä keskeisen taajuuden hallinnassa ja ajan mittauksessa.
Kiteinen pii
Kvartsi on SiO2, runkosilikaatti. Värivaihtelut johtuvat hivenaineista, virheistä, inkluusioista tai käsittelyhistoriasta eivätkä perusmineraalilajista.
Kova mutta hauras
Mohsin kovuus 7 antaa kvartsille hyvän naarmuuntumiskestävyyden, mutta terävät kärjet, ohuet reunat ja kiteiden liittymät voivat silti lohjeta iskussa.
Läpinäkyvä, maltillinen, jäsennelty
Kvartsilla on kohtalaiset taitekerroinindeksit, alhainen dispersiokerroin, maltillinen kaksiaineisuus ja optinen aktiivisuus, joka johtuu sen kieraasta rakenteesta.
Fyysiset ja optiset ominaisuudet
Alla olevat arvot kuvaavat makrokristallista kvartsia. Mikrokristalliset kvartslajit, kuten kalsedoni, akaatti, jaspis, kvartsi ja piikivi, perustuvat samaan piidioksidiin, mutta voivat käyttäytyä eri tavoin rakenteeltaan, läpikuultavuudeltaan, huokoisuudeltaan ja halkeamistyyliltään erittäin hienorakenteensa vuoksi.
| Ominaisuus | Kvartsi | Tulkinta |
|---|---|---|
| Kemiallinen koostumus | SiO2, piidioksidi | Runkorakenteinen silikaatti, jonka piidioksidirakenne on vastuussa sen kestävyydestä ja kemiallisesta kestävyydestä. |
| Kidejärjestelmä | Kolmiomainen normaalissa olosuhteissa | Alfa-kvartsi kuuluu kuusikulmaiseen kideperheeseen, mutta on kolmiomainen ja kiralinen, vasen- ja oikeakätisillä muodoilla. |
| Korkean lämpötilan kääntyminen | Alfa-kvartsi kääntyy beeta-kvartsiksi noin 573 °C lämpötilassa normaalipaineessa | Tämä kääntyminen on tärkeä geologiassa ja keramiikassa; se ei ole normaali huolenaihe valmiiden näytteiden käsittelyssä. |
| Yleinen väriskaala | Väriltään väritön, valkoinen, violetti, keltainen, ruskea, savunharmaa, vaaleanpunainen, vihreä, kaksivärinen tai inkluusioinen | Väri johtuu virheistä, värikeskuksista, jälkiaineseoksista, inkluusioista, säteilystä, kuumennuksesta tai muista käsittelyhistoriasta. |
| Värijuova | Valkoinen | Värijuova ei ole hyödyllinen kvartsilajien erottelussa, mutta se vastaa kvartsin vaaleaa jauhetta. |
| Kiilto | Lasimainen | Tuoreet pinnat ja hyvä kiillotus näyttävät lasimaisen kiillon; rakeiset massat voivat näyttää vahamaisilta tai rasvaisilta. |
| Läpinäkyvyys | Läpinäkyvä tai läpikuultava; massiivinen materiaali voi olla läpinäkymätöntä | Kivikrystalli voi olla vedenpuhdasta, kun taas maitokvartsi, ruusukvartsi ja inkluusiokivet voivat hajottaa tai keskeyttää valoa. |
| Kovuus | Mohsin kovuus 7 | Kvartsi naarmuttaa tavallista lasia ja sopii moniin koru- ja näyttötarkoituksiin, mutta se on silti hauras. |
| Lohkeama ja murtuma | Ei todellista lohkeamaa; konkoidinen tai epätasainen murtuma | Kvartsi murtuu kuorimaisina kaarina eikä halkeile puhtaasti tasaisilla lohkeamistasoilla. |
| Suhteellinen tiheys | Noin 2,65 | Kvartsi tuntuu kevyemmältä kuin topaasi, monet sulfidi-mineraalit, bariitti ja monet oksidimineraalit samankokoisina. |
| Optinen luonne | Yksisuuntainen positiivinen | Optinen akseli liittyy kiteen c-akseliin, joka on keskeinen ominaisuus jalokivigeneettisessä ja petrografisessa tunnistuksessa. |
| Taitekerroin | nω noin 1,544–1,546; nε noin 1,553–1,555 | Nämä kohtuulliset arvot antavat kvartseille puhtaan ulkonäön sen sijaan, että ne loistaisivat voimakkaasti timantin tavoin tai näyttäisivät tulen kaltaista hehkua. |
| Kaksinkertaisvalon taittuvuus | Noin 0,009 | Kvartsi voi näyttää himmeää kaksinkertaistumista kiillotettujen kappaleiden läpi ja ensimmäisen asteen interferenssivärejä ohuissa leikkeissä. |
| Pleokroismi | Ei lainkaan tai heikko | Ametisti voi näyttää hienovaraista violettia tai punertavan violettia dikroismia; useimmat kvartsilajit osoittavat vähän pleokroismia. |
| Fluoresenssi | Vaihtelee, yleensä ei lainkaan tai heikko | Fluoresenssi riippuu jälkiaktiivaattoreista tai inkluusioista eikä yleensä ole diagnostinen kvartseille. |
| Erityinen käyttäytyminen | Pietsosähköinen, pyyrosähköinen, optisesti aktiivinen; ajoittain triboluminesenssiä | Kvartsi voi tuottaa sähkövarausta rasituksen alla ja pyörittää polarisoitua valoa kiralisen rakenteensa vuoksi. |
| Kemiallinen kestävyys | Vesiliukoton; kestävä monia yleisiä happoja vastaan | Hydrofluorihappo hyökkää piidioksidin kimppuun eikä sitä saa koskaan käyttää tavalliseen puhdistukseen tai käsittelyyn. |
Optinen käyttäytyminen: Kirkkaus, kiraliteetti ja hienovarainen kaksinkertaistuminen
Kvartsi näyttää visuaalisesti puhtaalta, koska sen taitekerroin on kohtuullinen ja hajonta on vähäistä. Se ei hajota valkoista valoa voimakkaaksi spektrituliksi; sen sijaan se läpäisee, taittaa ja kaksinkertaistaa valoa hiljaisesti.
Sen kolmiomainen alfa-kvartsirakenne on kierteinen. Yksittäiset kiteet voivat olla vasen- tai oikeakätisiä, ja tämä kätisyys tuottaa optista aktiivisuutta: polarisoidun valon taso kiertyy kulkiessaan kiteen läpi. Tämä on yksi syy siihen, miksi kvartsia on pitkään käytetty optisessa tutkimuksessa.
Kvartsin kaksoismurtuma on maltillinen mutta todellinen. Kirkkaassa kiillotetussa kappaleessa kiven läpi katsottu tekstirivi voi näyttää heikkoa kaksoiskuviointia, jos katselusuunta ja paksuus ovat suotuisat. Ristiin asetettujen polarisaattorien alla ohuet osat näyttävät yleensä matalia ensimmäisen asteen interferenssivärejä. Muuttuneissa kivilajeissa oleva muotoutunut kvartsi voi näyttää aaltoilevaa sammumista, jossa sammuminen liikkuu epätasaisesti jyvän yli mikroskoopin lavan pyöriessä.
Kuinka lukea kvartsia valossa
- Neutraali läpäisevä valo paljastaa kappaleen värin, pilvet, verhot, vyöhykkeet ja inkluusiot ilman lämmön liioittelua.
- Taustavalo auttaa paljastamaan haamukuvioita, savuisia reunoja, kasvuvyöhykkeitä, nestemäisiä inkluusioita ja sisäisiä halkeamia.
- Polarisoitu valo voi näyttää optisen aktiivisuuden, kaksinkertaisuusefektit, jännityksen ja aaltoilevan sammumisen ohuissa tai valmistelluissa näytteissä.
- Viistovalo paljastaa pinnan kunnon: naarmut, kuopat, lohkeamat, kiillotuksen laadun, syövytyspinnat ja korjaukset.
Väri ja syyt
Kvartsin väri kertoo kiderakenteen virheistä, hivenaineista, inkluusioista, säteilyhistoriasta ja joskus käsittelystä. Useimmat nimetyistä värilajikkeista ovat edelleen kvartsia; lajikenimi kuvaa ulkonäköä ja syytä, ei eri mineraalilajia.
| Lajike | Ulkonäkö | Pääasiallinen syy tai yhteys | Huomautuksia |
|---|---|---|---|
| Kivikrystalli | Väriltään väritön, läpinäkyvä kvartsi | Matala epäpuhtauspitoisuus ja rajalliset sirontainkluusiot | Paras prismageometrian, sisäisten halkeamien, kuplien ja optisen kirkkauden tarkkailuun. |
| Maitokvartsi | Valkoinen, samea, läpikuultava tai läpinäkymätön | Runsaasti pieniä nestemäisiä tai kiinteitä inkluusioita, jotka sironnat valoa | Yleinen suonissa ja massiivisissa esiintymissä; valkoisuus on yleensä valon sirontaa, ei pigmenttiä. |
| Ametisti | Vaaleanvioletista syvän purppuraan | Rautaan liittyvät värikeskukset, jotka aktivoituvat luonnollisessa säteilytyksessä | Voi näyttää värivyöhykkeitä ja hienovaraista dikroismia; lämpö voi muuttaa osan ametistista keltaiseksi, oranssiksi, ruskeaksi tai vihertäväksi. |
| Savukvartsi | Samppanja, harmaanruskea, konjakki, tummanruskea, lähes musta morioni | Alumiiniin liittyvät värikeskukset, jotka syntyvät säteilytyksessä | Lämpö voi vaalentaa tai valkaista savuisen värin; keinotekoinen säteilytys voi myös tuottaa tai syventää savuisia sävyjä. |
| Sitriini | Keltainen oranssiin kvartsissa | Luonnolliset värikeskukset tai lämpökäsitelty ametisti tai savukvartsi | Luonnollinen sitriini on suhteellisen harvinainen; suuri osa kaupallisesta sitriinin kaltaisesta materiaalista on lämpökäsiteltyä. |
| Ruusukvartsi | Pehmeän vaaleanpunainen, yleensä läpikuultava ja massiivinen | Mikroskooppiset kuitumaiset inkluusiot ja värikeskusefektit, materiaalista riippuen | Jotkut ruusukvartsit osoittavat tähtimäisyyttä oikein leikattuina; harvinainen kiteinen ruusukvartsi on erillinen esiintymistyyppi. |
| Prasioliitti | Vihreä kvartsi | Luonnossa harvinainen; usein tuotettu lämpökäsittelyllä tai säteilytyksellä ja lämmityksellä sopivasta materiaalista | Tarkka kuvaus erottaa luonnollisen esiintymän käsittelyllä saadusta vihreästä kvartista, kun se on tiedossa. |
| Ametriini | Violetti ja keltainen vyöhyke yhdessä kiteessä | Eri hapettumis- ja lämpöhistoriat vyöhykkeiden välillä | Kuuluisimmin yhdistetty bolivialaiseen materiaaliin; vyöhykkeisyys ja värikontrasti ovat keskeisiä sen visuaalisessa laadussa. |
| Inklusoitu kvartsi | Kirkas tai läpikuultava kvartsi, joka sisältää näkyviä vierasmineraaleja, fantomeja, nesteitä tai kalvoja | Kvartsi kasvaa tai vangitsee rutiilia, turmaliinia, kloriittia, hematiittia, savea, nestemäisiä inkluusioita tai muuta materiaalia | Inkluusiot voivat luoda maisemallisia sisäosia, kissansilmiä, tähtiä, sateenkaaria tai fantomin ääriviivoja. |
Kiteen muoto, kaksoiskiteisyys ja tekstuurit
Kvartsi muodostuu yleensä kuusikulmaisiksi prismoiksi romboedrisilla kärjillä, mutta sen kasvuympäristöt tuottavat laajan valikoiman muotoja: kaksipäiset kärjet, scepterit, elestiaaliset muodot, gwindelit, Japan-lain kaksoiskiteet, fantomit, druse ja massiivinen suonimateriaali.
Klassinen kvartsimuoto
Hyvin muodostuneet kiteet näyttävät kuusikulmaisia prismaattisia muotoja, romboedrisia kärkiä ja usein vaakasuoria juovia prismapinnoilla.
Kasvu avoimeen tilaan
Kiteet, jotka kasvavat vapaasti ilman kiinteää kiinnitystä, voivat päättyä molemmista päistä. ”Herkimerin timantti” on kauppanimi poikkeuksellisen kirkkaalle kaksipäiselle kvartseille Herkimerin piirikunnasta New Yorkista ja vastaaville tyyleille muista paikoista.
Symmetria ja sen seuraukset
Dauphiné-, Brasilia- ja Japan-lain kaksoiskiteisyys voivat vaikuttaa optiseen käyttäytymiseen, kasvumerkkeihin ja kiteen muotoon. Jotkut kaksoiskiteet ovat hienovaraisia; toiset luovat dramaattista geometriaa.
Kasvu vaiheittain
Scepterit muodostuvat, kun myöhempi kvartsi kasvaa aiemman kiteen päälle. Fantomit säilyttävät vanhempien kiteiden kasvopinnat myöhemmän kasvun sisällä haamumaisina sisäisinä ääriviivoina.
Kiertyneet alppimuodot
Gwindelit ovat kiertyneitä, levymaisia kvartsimuotoja, jotka liittyvät alppityyppisiin halkeamiin. Niitä arvostetaan sekä geometrian että epätavallisten kasvuehtojen todistusaineiston vuoksi.
Kimalteesta rakenteeseen
Drusy-kvartsit muodostavat pieniä kiteitä kammion seinille. Massiivinen kvartsi ei näytä yksittäisiä näkyviä kärkiä, mutta voi muodostaa kestäviä suonia, lohkareita ja jalokivimateriaalia.
Tunnistus ja samankaltaiset
Kvartsin tunnistaminen perustuu usein kovuuden, halkeamattomuuden, kiteen muodon, taitekerroimen, ominaispainon ja murtuman yhdistettyyn todistusaineistoon. Pelkkä väri ei riitä, erityisesti keltaisen, ruskean, värittömän tai käsitellyn materiaalin kohdalla.
| Kysymys | Kvartsi | Yleinen samankaltaisuusongelma |
|---|---|---|
| Onko se topaasia? | Kvartsin Mohsin kovuus on 7, ominaispaino noin 2,65, ei todellista halkeamaa ja taitekerroin noin 1,544–1,553. | Topaasi on kovempaa, tiheämpää, ortorombista ja sillä on täydellinen pohjatasoinen halkeama. Termit kuten ”savunvärinen topaasi” ovat harhaanjohtavia, kun materiaali on kvartsia. |
| Onko se lasia? | Kvartsi on kovempaa kuin useimmat lasit ja voi näyttää luonnollisia kasvopiirteitä, mineraali-inkluusiota, parantuneita halkeamia ja konkoidimaisia murtumia. | Lasi voi sisältää pyöristettyjä kuplia, virtausviivoja, muotoiltuja pintoja tai olla pehmeämpää; sillä ei ole kvartsin kiderakennetta. |
| Onko se fluoriitti? | Kvartsi on kovempaa eikä sillä ole halkeamaa. | Fluoriitti on pehmeämpää, sillä on täydellinen oktaedrinen halkeama ja usein voimakkaampi fluoresenssi. |
| Onko se kalsiitti? | Kvartsi on kovaa, ei kupli kylmässä laimeassa hapossa eikä sillä ole romboedristä halkeamaa. | Kalsiitti on paljon pehmeämpää, sillä on vahva romboedrinen halkeama ja se kuplii hapossa. |
| Onko väri luonnollinen? | Jotkut kvartsin värit ovat luonnollisia; toiset voivat olla lämpökäsiteltyjä, säteilytettyjä, värjättyjä, pinnoitettuja tai synteettisiä. | Käsittelyhistoriaa ei aina voi päätellä pelkästään ulkonäöstä. Lämpökäsitelty sitriinin kaltainen kvartsi, säteilytetty savukvartsi, värjätty akaatti ja aura-pinnoitettu kvartsi tulee kuvata tarkasti, kun tiedot ovat tiedossa. |
Luotettava tunnistus on kumulatiivista: kovuus, halkeama, kiteen muoto, tiheys, taitekerroin, inkluusiot, vyöhykkeet ja käsittelytiedot yhdessä muodostavat vahvemman johtopäätöksen kuin mikään yksittäinen näkyvä ominaisuus.
Kvartsin katselu ja valokuvaus
Kvartsi muuttuu eri valossa. Kirkas materiaali hyötyy taustavalosta; ametisti ja sitriini tarvitsevat neutraalin valon tarkan värin saamiseksi; savukvartsista on hyötyä reunavalosta; sisäinen kvartsi saattaa tarvita sivuvaloa sisäisten rakenteiden lukemiseen.
| Valaistusmenetelmä | Paljastaa | Parhaiten sopii |
|---|---|---|
| Neutraali päivänvalo tai tasapainotettu LED | Tarkka runkoväri, kylläisyys ja pinnan heijastavuus. | Ametisti, sitriini, savukvartsi, ruusukvartsi ja yleinen värin arviointi. |
| Taustavalo | Läpinäkyvyys, haamut, sisäiset halkeamat, kuplat, savuiset vyöhykkeet, kirkkaat ytimet ja sisäiset rakenteet. | Vuorikristalli, savukvartsi, sisäinen kvartsi ja tummat näytteet. |
| Viistovalo | Kiillotuksen jäljet, naarmut, etsaus, lohkareet, kuopat, pinnan korjaukset ja luonnolliset kosketuspinnat. | Kunnon tarkastus ja tarkka dokumentointi. |
| Yksittäinen pistevalo | Kissan silmät, tähdet, liikkuvat nauhat, pinnan heijastukset ja fasettigeometria. | Tähtiruusukvartsi, rutiilikvartsikabochonit ja kiillotettu sisäinen kvartsi. |
| Polarisoitu valo | Jännitys, kaksosrakenteet, optinen aktiivisuus, interferenssivärit ja aaltoileva sammuminen. | Gemologiset testaukset, opetus ja ohutsektioiden työ. |
Hoito, esillepano ja käsittely
Kvartsi on kestävä, mutta herkät muodot vaativat huolellista hoitoa. Pisteitä, druseja, ohuita geodireunoja, sisäisiä kiviä, pinnoitettuja kappaleita, korjattuja näytteitä ja matriisinäytteitä tulee käsitellä hellävaraisemmin kuin kiinteää pyöristettyä kvartsia.
- Puhdistus: useimmat käsittelemättömät kiinteät kvartsit voidaan puhdistaa haalealla vedellä, miedolla saippualla ja pehmeällä liinalla tai harjalla, ja kuivata huolellisesti.
- Herkät muodot: vältä ultraäänipuhdistusta ja höyrypuhdistusta klustereille, druseille, halkeilleelle kvartsille, sisäisille kvartsille, aura-pinnoitetulle kvartsille, matriisinäytteille ja korjatulle materiaalille.
- Valo ja lämpö: kirkas kvarts on yleensä vakaa, mutta ametisti, savukvarts, ruusukvarts, käsitelty sitriini, värjätty akaatti ja pinnoitettu kvarts voivat muuttua pitkäaikaisen voimakkaan valon tai lämmön vaikutuksesta.
- Iskut: suojaa päät, sauvat, gwindel-portaat, geodien reunat ja kiillotetut pinnat kolhuilta.
- Kemikaalit: vältä voimakkaita puhdistusaineita ja hankaavia aineita. Hydrofluorihappo liuottaa piidioksidia eikä sovellu tavalliseen hoitoon.
- Säilytys: erota kiillotetut kappaleet ja ryhmät, jotta terävät kvartsipisteet eivät naarmuta tai lohkaise viereisiä kiviä.
Usein kysytyt kysymykset
Onko kvartsi aina väritöntä?
Ei. Kivikristalli on väritöntä kvartsia, mutta kvartsi voi olla myös violettia, keltaista, ruskeaa, vaaleanpunaista, vihreää, valkoista, savunväristä, kaksiväristä, raidallista tai inkluusiollista. Väri riippuu hivenaineista, virheistä, inkluusioista, säteilystä, kuumennuksesta ja käsittelyhistoriasta.
Mitä tarkoittaa ”alfa-kvartsi”?
Alfa-kvartsi on kvartsin matalan lämpötilan muoto, joka on vakaa tavallisissa pintaehtoja vastaavissa olosuhteissa. Noin 573 °C lämpötilassa ja tavallisessa paineessa se muuttuu beetakvartsiksi, korkean lämpötilan muodoksi. Jähmettyessään beetakvartsi palaa alfakvartsiin.
Onko kvartsi lohkeava?
Kvartsilla ei ole todellista lohkeamissuuntaa. Se murtuu konkoidisesti tai epätasaisesti, muodostaen kaarevia, lasimaisia murtumapintoja tasojen sijaan.
Miksi kvartsia käytetään kelloissa?
Kvartsi on pietsosähköinen. Kun se on oikein leikattu ja sähköisesti stimuloitu, se värähtelee vakaalla taajuudella, mikä tekee siitä hyödyllisen taajuuden hallinnassa ja ajan mittaamisessa.
Onko ”Herkimerin timantti” timantti?
Ei. ”Herkimerin timantti” on tavaramerkki kirkkaista, luonnollisesti kaksoispäisistä kvartsikiteistä, jotka liittyvät Herkimerin piirikuntaan New Yorkissa, sekä vastaavista kvartseista muista lähteistä. Se on kvartsia, ei timanttia.
Miksi kvartsilla voi olla optista aktiivisuutta?
Alfa-kvartsi on kiera, mikä tarkoittaa, että sen rakenne voi olla vasen- tai oikeakätinen. Tämä kätisyys sallii kvartsin kiertää sen läpi kulkevan polarisoidun valon tasoa.
Voidaanko kvartsia käsitellä?
Kyllä. Kvartsia voidaan kuumentaa, säteilyttää, värjätä, pinnoittaa, stabiloida, täyttää tai kasvattaa synteettisesti. Nämä prosessit voivat tuottaa houkuttelevaa materiaalia, mutta ne tulisi kuvata tarkasti, kun ne ovat tiedossa.