Лекция 2. Минералы. Диагностические свойства и морфология минералов

Минералы– это природные химические соединения, состоящие из атомов нескольких или, реже одного химического элемента. Они образуются в результате различных физико-химических процессов, протекающих в земной коре или на ее поверхности. В настоящее время известно около 2000 минералов, а число их разновидностей доходит до 4000 (разновидности имеют свои названия и отличаются от основного минерала состоянием вещества или некоторыми физическими свойствами).

Минералы могут быть твердыми, жидкими (вода) и газообразными (сероводород, метан). Подавляющее большинство известных твердых минералов в земной коре находится в кристаллическом состоянии и лишь незначительная их часть — в аморфном. Различие между кристаллическим и аморфным состояниями заключается в том, что в первом случае ионы располагаются в строго определенном для данного вещества порядке, образуя структурную решетку, во втором — закономерность в распределении частиц отсутствует. Различие во внутреннем строении кристаллических и аморфных тел сказывается и в различии их физических свойств (теплопроводности, электропроводности, магнитности, спайности, твердости и т. п.). У кристаллических они постоянны в любых параллельных направлениях и могут меняться в непараллельных, что вполне объяснимо с точки зрения строения решетки; у аморфных физические свойства развиваются во всех направлениях одинаково, поэтому такие тела носят название изотропных, т. е. равносвойственных, в отличие от кристаллических тел, которые разносвойственны, или анизотропны.

Минералы, находящиеся в кристаллическом состоянии, в природе чаще всего встречаются в виде агрегатов (скоплений зерен) неправильной формы и значительно реже в виде правильных многогранников-кристаллов. Хорошо выраженные кристаллы образуются только в трещинах и других пустотах горных пород, где они свободно могут расти. Отдельные кристаллы могут достигать очень больших размеров. Например, на Калынском месторождении драгоценных камней (близ Житомира) в 1966 г. найден кристалл топаза весом 117 кг.

Образование правильных многогранников обусловлено способностью кристаллического вещества самоограняться. Одни кристаллы имеют форму трех-, четырех-, шестигранных призм или пирамид, другие — куба, третьи — октаэдра (с греч. восьмигранник), четвертые — додекаэдра (двенадцатигранник) и т. п. Кристалл ограничен плоскостями, называемыми гранями; линии, образующиеся от пересечения граней, называются ребрами; точки пересечения ребер называются вершинами кристалла. У куба, например, 6 граней, 12 ребер и 8 вершин.

Способность одного и того же химического элемента или соединения при изменении внешних факторов (главным образом давления и температуры) кристаллизоваться в различные кристаллографические формы с изменением физических свойств называется полиморфизмом (например, углерод встречается в виде алмаза и графита).

Если вещества имеют однотипный химический состав и близкие размеры составляющих их ионов, то эти вещества могут образовывать смешанные кристаллические структуры. Это явление носит название изоморфизма, а такие вещества называются изоморфными по отношению друг к другу.

Форма кристалла не всегда хорошо выражена и не всегда при рассмотрении минералов макроскопически распознается. В таком случае приходится при определении минералов обращаться к другим методам определения.

Минералы определяют на основании изучения химического состава и физических свойств с помощью микроскопического, рентгеновского, спектрального, термического и других методов точного минералогического исследования. Для успешного проведения полевых геологических работ достаточно определить главнейшие минералы макроскопически по комплексу физических свойств, присущих каждому минералу.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ

Основными физическими свойствами минералов являются:

• форма нахождения их в природе,

• цвет минерала в куске и порошке,

• блеск,

• твердость,

• спайность (излом),

• прозрачность,

• удельный вес,

• а для ряда минералов и другие ярко выраженные, характерные часто только для них свойства. Для серы, например, способность гореть голубоватым пламенем, для кремния — появление искры при ударе о другой кусок или о напильник, для магнетита — способность притягивать тонкую иглу или отклонять стрелку компаса, для фосфорита — издавать при ударе одного обломка о другой запах жжёной кости, для исландского шпата — двойное лучепреломление, для галита — соленый вкус и т. п.

1. Форма (морфология) минерала зависит от его внутреннего строения и условий образования. Свободно растущий анизотропный минерал имеет обычно ярко выраженную кристаллическую форму. Однако изменения в условиях образования минералов приводят иногда к самому необычному для данного минерала внешнему виду. Чаще минералы встречаются в виде кристаллических агрегатов и сростков.

Кристаллические агрегаты— скопление минеральных зерен различной формы, зависящей от внутреннего строения минерала и формы пространства, в котором происходила кристаллизация минерала. Кристаллическими агрегатами сложены все горные породы.

По величине зерен их делят на

• крупнозернистые (размер зерен свыше 5 мм в поперечнике),

• среднезернистые (от 2 до 5мм),

• мелкозернистые (менее 2 мм),

• землистые (менее 0,5 мм).

Кристаллические агрегаты образуются при одновременном зарождении массы кристаллов. При своем росте они заполняют все имеющееся пространство, и потому форма их, свойственная данному минеральному веществу, не всегда в кристаллических агрегатах хорошо выражена. Среди кристаллических агрегатов различают:

• зернистые, имеющие изометричную форму зерен (пирит, магнетит, галенит, каменная соль),

• шестоватые вытянутой формы (роговая обманка),

• волокнистые (асбест),

• пластинчатые (гипс),

• чешуйчатые (графит),

• столбчатые (селенит).

Минералы в природе встречаются и в других агрегатных состояниях: в виде друз, конкреций, секреций или в виде натечных форм.

Друзами (щетками) называют незакономерные сростки отдельных кристаллов, прикрепленных одним концом к какой-либо поверхности (кварц, флюорит).

Конкреции — шаровидные стяжения с радиально-лучистым или со скорлуповатым сложением. В центре конкреций часто находятся органические остатки, вокруг которых концентрировалось минеральное вещество; рост кристаллов в конкрециях направлен от центра к периферии. Образуются конкреции среди осадочных пород, например среди глин, песков (чаще в момент их накопления). В виде конкреций встречаются фосфориты, халькопирит. Разновидностью конкреций являются оолиты — минеральные скопления в виде горошин концентрически-скорлуповатого или радиально-лучистого строения, образующихся при оседании минерального вещества (лимонит, боксит) вокруг каких-либо мелких частиц.

Секреции образуются при заполнении минеральным веществом пустот в горных породах. В отличие от конкреций отложение вещества идет от периферии к центру. Секреции до 10 мм в поперечнике называются миндалинами, более крупные — жеодами (кварц, кальцит).

Натечные формы возникают при медленном обволакивании минеральным веществом каких-либо поверхностей. Главная роль принадлежит коллоидным растворам. При этом образуются характерные почковидные, гроздевидные агрегаты или формы в виде сосулек — сталактитов и сталагмитов (в пещерах). Кроме указанных форм, минералы образуют налеты, выцветы, корочки на поверхности каких-либо обломков пород, в месте выхода подземных вод на поверхность. При кристаллизации минерального вещества в мельчайших трещинах образуются дендриты— тончайшие древовидные ветвистые формы кристаллов.

Иногда минералы образуют кристаллические формы, не свойственные им. Это происходит в случае заполнения пустоты в породе, возникшей при растворении другого минерала или при разложении органического остатка. Такое явление называется псевдоморфизмом. Например, Кубические кристаллы гипса представляют псевдоморфозу по каменной соли, кубы лимонита — псевдоморфозу по пириту и т. п.

2. Цвет минералов в куске.Одни минералы обладают постоянным цветом (азурит — синий, киноварь — кроваво-красная, аурипигмент — золотисто-желтый, магнетит — черный, галенит — свинцово-серый), другие — кварц, флюорит, кремений — могут быть различно окрашенными или бесцветными. Цвет минералов в куске зависит от состава минерала, от распределения ионов в структурной решетке, от незначительных химических и механических примесей, сильно изменяющих окраску, но не влияющих на многие другие свойства минералов. Среди химических красителей следует назвать железо, хром, марганец, медь, кобальт, титан, ванадий, висмут и в меньшей мере вольфрам, молибден, уран и другие элементы. Железо в различных соединениях придает разную окраску минералам — от светло-зеленых, бледно- и ярко-желтых до бурых, красно-коричневых, густо-синих и черных тонов. Хром окрашивает в красные цвета, марганец — в вишнево-розовые, медь — в зеленый я синий цвета. Вопрос о причинах окраски многих минералов до настоящего времени полностью еще не решен. Установлено, что на цвет минералов оказывают влияние рентгеновские и катодные лучи, радиоактивные процессы, микроорганизмы, населяющие водоемы, в которых образуются минералы осадочного происхождения. На поверхности некоторых минералов имеется пестроокрашенная или радужная пленочка — побежалость. Она образуется чаще в результате окисления минералов. Пестрая побежалость синевато-голубоватых оттенков свойственна минералам, содержащим в составе медь, красновато-коричневых—минералам, содержащим в своем составе железо.

3. Цвет минерала в порошке или цвет черты. У некоторых минералов цвет их в порошке отличается от цвета в куске. Например, пирит в куске соломенно-желтый, в порошке — зеленовато-черный.

Чтобы получить порошок определяемого минерала, достаточно провести им по шероховатой (неглазурованной) поверхности фарфоровой пластинки (по бисквиту), на которой минералы, имеющие твердость не более 5, оставляют порошкообразный след в виде черты.

4. Блеск минералов обусловлен отражением света от поверхности граней или поверхностей излома. Зависит он от показателя преломления и агрегатного состояния минерала. По блеску минералы делятся на две группы.

К первой относятся минералы с металлическим и металловидным блеском. Металлический блеск, напоминающий блеск свежего металла, характерен, например, для пирита, галенита, а металловидный, напоминающий блеск потускневшей поверхности металла, характерен, например, для графита.

Вторая группа — минералы с неметаллическим блеском. Среди неметаллических блесков различают:

• алмазный — самый сильный блеск у минералов с высшим показателем преломления света (алмаз);

• стеклянный, напоминающий блеск поверхности стекла, характерный для минералов с невысоким показателем преломления света (кальцит);

• жирный блеск, при котором поверхность минерала кажется как бы покрытой пленкой жира;

• перламутровый, радужные переливы возникают вследствие отражения света от плоскостей спайности, расположенных под верхней из них, поэтому перламутровый блеск характерен для минералов с весьма совершенной и совершенной спайностью (слюда);

• шелковистый блеск характерен для минералов с волокнистым строением (асбест);

• тусклый или матовый наблюдается чаще у минералов с очень тонкошероховатой поверхностью излома (кремень).

5. Твердость. Способность минерала противостоять внешнему механическому воздействию называется твердостью. Ф. Моос (1773—1839) предложил метод определения твердости минерала путем царапания его минералами-эталонами. Шкала Мооса состоит из следующих десяти минералов, расположенных в порядке возрастания твердости на единицу:

1 —тальк —Mg(OH)₂[Si₄O₁₀]

2 —гипс — CaS0₄*2H₂O

3 — кальцит — СаСОз

4 — флюорит — CaF₂

5 - апатит - Са₅ (РО₄)₃ (F, Cl)

6 — ортоклаз — K [AlSi₃0₈]

7 — кварц— SiO₂

8-топаз-Аl₂(Р, OH)₂*[Si0₄]

9 — корунд — Аl₂О₃

10 — алмаз — С

Самая низкая твердость в этой шкале, равная единице, у талька, а самая высокая—у алмаза — равна десяти, т. е. каждый последующий минерал шкалы царапает предыдущий.

Определение твердости по шкале Мооса носит относительный характер. Определения абсолютной твердости эталонов на специальных приборах — твердомерах (склерометрах) — показали, что твердость кальцита выше твердости талька в 46 раз, кварца — в 450 раз, а алмаза — более чем в 4000 раз. Однако для практического пользования шкала Мооса удобна и потому широко применяется при определении твердости минералов.

Для определения твердости исследуемого минерала по его поверхности проводят минералом из шкалы Мооса. Если на исследуемом минерале остается царапина, то его твердость меньше, чем у эталона. Если вместо царапины на поверхности исследуемого минерала появляется порошок, то твердость его больше твердости эталона. Испытание проводят до тех пор, пока исследуемый минерал не встанет в интервале между двумя эталонами, т. е. твердость его не определится как промежуточная между ними или как равная одному из них. При испытании твердости мелкозернистого агрегата удобнее царапать его зернышками по эталону шкалы.

Твердость минералов можно определять и при помощи ряда предметов, имеющихся под руками. Так, твердость, равную 1, имеет графит мягкого карандаша, твердость 2— минерал галит, около 2,5 — ноготь, 4 — железный гвоздь, 5 — стекло, около 6 — стальной нож, швейная игла, 7 — кварц.

6. Спайность и излом. Способность кристаллов колоться по параллельным плоскостям называется спайностью. Последняя теснейшим образом связана со строением структурной решетки минерала и проявляется в направлениях, параллельных наименьшей силе сцепления между отдельными атомами. Плоскости же спайности наиболее густо “усажены атомами”. Например, у графита расстояние между центрами атомов внутри слоев в 2,5 раза меньше расстояния между слоями. Это и способствует расщеплению его на отдельные пластины.

Различают следующие степени спайности:

• весьма совершенная — минерал расщепляется пальцами на отдельные пластинки с гладкими параллельными поверхностями — плоскостями спайности (слюда, гипс);

• совершенная спайность — минерал при ударе молотком раскалывается по ровным плоскостям (галит);

• средняя спайность — при ударе минерал раскалывается, образуя ступенчатые поверхности, все ступеньки между собой параллельны (полевой шпат);

• несовершенная спайность — на общем фоне неровного излома образуются небольшие параллельные между собой площадки (апатит);

• весьма несовершенная спайность — на изломе практически никогда нельзя обнаружить ровных, параллельных друг другу поверхностей (кварц).

Определяя степень спайности, следует отмечать направления, в которых она выражена. Существуют минералы, обладающие спайностью в одном направлении (слюда), в двух (ортоклаз), в трех (кальцит, галенит, галит), в четырех (флюорит), в шести (сфалерит). Причем степень спайности в различных направлениях может быть различной. При наличии спайности в двух или более направлениях необходимо указать углы, под которыми располагаются плоскости спайности, или называть те фигуры, которые образуют плоскости спайности. Например, спайность у галита по кубу, у кальцита — по ромбоэдру, у флюорита — по октаэдру. Спайность кристаллических агрегатов определяется для одного зерна, а не в целом для всего обломка минерала.

В тех случаях когда плоскостей спайности макроскопически обнаружить не удается, говорят об изломе. Различают:

• раковистый излом в виде поверхности с концентрически расположенными на ней ребрышками — волнами, напоминающими ребристость, отмечаемую на поверхности раковины (кремень, сера);

• занозистый — встречается у минералов, имеющих шестоватое, длинностолбчатое строение (роговая обманка) в направлении, перпендикулярном волокнам;

• землистый напоминает шероховатую поверхность, как бы покрытую пылинками (каолин);

• неровный излом — плоскость в виде неопределенно выраженных поверхностей (апатит).

7. Прозрачность — способность минералов в той или иной мере пропускать свет. Различают:

• прозрачные минералы, пропускающие свет подобно оконному стеклу (горный хрусталь);

• полупрозрачные— дымчатый кварц;

• просвечивающие -—пропускают свет подобно матовому стеклу (халцедон);

• просвечивающие по тонкому краю (в куске такие минералы непрозрачны — кремень);

• непрозрачные— не пропускают световых лучей даже в очень тонких пластинках.

8. Удельный вес. Точное определение удельного веса производится в лабораториях. При макроскопическом изучении минералов важно уметь простым взвешиванием на ладони отнести минерал к группе легких с удельным весом до 2,5, к группе средних— до 4, к группе тяжелых — 4—6; к группе очень тяжелых — свыше 6. Удельный вес наиболее распространенных в земной коре минералов находится в пределах 2,5—3.5.

Для правильного наименования минерала необходимо определить весь указанный комплекс физических свойств, а также и свойства, присущие только данному минералу.