Физические методы исследования опала

Рентгеноструктурная характеристика

Самые ранние рентгеноструктурные исследования опала по методу порошка показали, что он относится к аморфным веществам, как это и считалось прежде, на основании его физических и химических свойств. Однако более поздние работы с применением усовершенствованных методов показали, что опал представляет собой вообще кристаллический агрегат, сложенный субмикроскопическими кристаллитами вещества, называемого в  настоящей работе опаловым кристобалитом, с более или менее I разупорядоченной внутренней структурой. Для этих агрегатов характерно присутствие адсорбционной воды, часто в больших изменчивых количествах, что обусловлено главным образом чрез-вычайно малым размером частиц или большой удельной поверхностью опала, а также условиями образования его в природе.
В более ранних работах кристаллическое вещество опала обычно относилось к высокотемпературному кристобалиту, однако недавние рентгеноструктурные и термические исследования позволили охарактеризовать его как разупорядоченную разновид¬ность низкотемпературного кристобалита. Наличие одномерной разупорядоченности в этом веществе может быть в общих чертах описано как смещение слоев тетраэдров (SiO₂) толщиной примерно 4,1 А, которое можно выделить в структурах трех полиморфных модификаций SiO2. В кварце эти слои протягиваются параллельно (1011), в кристобалите — параллельно (111), а в тридимите — параллельно (0001). Идеализированная структура тридимита состоит из двух геометрически различных типов чередующихся слоев A и B с последовательностью наложения АВАВ... В идеализированной структуре кристобалита, возникающего при высокотемпературных условиях, последовательность наложения соответствует АВСАВС... При образовании в условиях низких температур и в присутствии щелочей и других катионов, как отмечено выше, может иметь место переслаивание двухслойных и трехслойных пакетов. Это переслаивание может быть упорядоченным, что приводит к возникновению сверхструктур (политипов), или чаще неупорядоченным. В кристаллическом веществе опала преобладают трехслойные пакеты (опаловый кристобалит). При увеличении степени разупорядочения рентгенограмма становится все более диффузной, и при этом появляются более интенсивные дифракционные линии, характерные для низкотемпературного тридимита. Температура инверсии высокотемпературной модификации в низкотемпературную в таких веществах также уменьшается, и на дилатометрических кривых сильно разупорядоченного материала видно менее резкое изменение объемов при этой инверсии.
Разупорядочение обусловлено вхождением в структуру таких катионов, как Al, Са, Mg и щелочи, а также, по-видимому, Н₂O ц (ОН) в виде твёрдых растворов. Поэтому опаловый кристобалит представляет собой не чистый SiO2, а «начиненную производную» его.
Помимо дифракционных линий опалового кристобалита, на дифрактограммах опалов, и особенно опаловых пород, можно видеть четкие линии кварца, представленного главным образом халцедоновой разновидностью, а также полевого шпата, глинистых минералов и других примесей. Некоторые опалы, особенно биохимического происхождения, дают слабые и сильно диффузные рентгенограммы. Для них характерен низкий, очень широкий пик при угле 20 около 21°. Стабилизация кристобалита может контролироваться, помимо температуры образования, наличием соответствующих катионов.
Субмикрокристаллический опаловый кристобалит также образуется из искусственных гелей кремнекислоты при их старении в условиях обычных температур и более быстро при гидротермальной обработке. При более высоких температурах в воде или перегретом 'паре гель может превратиться в кварц (в соответствующих областях температуры и давления), причем в качестве метастабильной переходной фазы сначала появляется кристобалит. Это превращение во многом зависит от наличия щелочей и других катионов во влажном геле. При прокаливании на воздухе гели кремнекислоты или сухой порошковатый SiO2 • пН2O теряют воду при сравнительно низких температурах, а в интервале 800—1400° быстро раскристаллизовываются в кристобалит, тридимит или высокотемпературный кварц, причем появление того или другого из этих минералов зависит от количества и вида щелочей, а также других присутствующих катионов.

Главные линии на рентгенограммах: 

Кристаллооптические свойства в тонких препаратах (шлифах)

Опал обычно представляет собой изотропное вещество, но иногда в нем наблюдается слабое аномальное двупреломление, обусловленное механическими натяжениями, и в этом случае он ведет себя как одноосное отрицательное вещество. Показатели преломления различных образцов колеблются в зависимости от содержания воды от 1,435 до 1,455. Эти величины намного меньше среднего показателя преломления (1,485) крупнокристаллического низкотемпературного кристобалита. С введением дополнительных порций воды в образец показатели преломления увеличиваются, и, наоборот, они уменьшаются но сравнению с первоначальной величиной по мере удаления воды из порового пространства. В опалах иногда видны тончайшие волокна или стяжения халцедона, особенно в опаловых кремнистых породах и других породообразующих типах опала. В ассоциации с опалом или в виде примеси к нему иногда встречается волокнистый кристобалит, люссатит, но в большинстве опалов, рентгенограмма которых типична для низкотемпературного кристобалита, таких волокон не наблюдается. К микроскопическим кристаллам тридимита, якобы наблюдаемым обычно в опалах, вероятно, ошибочно отнесен люссатит или халцедон.