Минералы и их характеристики

Под термином минералы понимают природные химические соединения или самородные химические элементы, возникающие в результате определенных физико-химических процессов в глубинах Земли или на ее поверхности. Минералы отличаются относительным постоянством химического состава и структуры. Химический состав минералов определяеся химическими элементами распространенными в самой верхней оболочке планеты — в земной коре. При этом 98% от среднего химического состава земной коры приходится на восемь элементов: кислород (46,5%), кремний (25,7%), алюминий (7,65%), железо (6,24%), кальций (5,79%), магний (3,24%), натрий (1,81%), калий (1,34%). К другим относительно распространенным элементам относятся титан (0,52%), углерод (0,46%), водород (0,16%), марганец (0,12%), сера (0,11%). На все остальные элементы периодической системы приходится лишь 0,37%.

Атомы химических элементов соединяясь образуют кристаллические (ионные) решетки, которые в конечном итоге определяют облик и физические свойства минералов. Существуют минералы или их модификации не имеющие кристаллического строения. Их называют аморфными. В кристаллических соединениях ионы могут формировать элементарные гранецентрированные изолированные решетки, или соединяться в кольцевые структуры, создавать цепи, сдвоенные цепи, листы и т.д. Это приводит к явлению полиморфизма, при котором разные минеральные виды имеют идентичный химический состав. Наиболее ярким примером может служить полиморфная пара углерода «графит — алмаз». Эти два минерала различаются характером кристаллической решетки, которая в свою очередь обеспечивает чрезвычайную «мягкость» первого и столь же чрезвычайную «твердость» второго. Твердость камней принято определять по соотношению со шкалой Мооса, характеризующейся градациями эталонных минералов от 1 до 10: 1 - тальк, 2 - гипс, 3 - кальцит, 4 - флюорит, 5 - апатит, 6 - ортоклаз, 7- кварц, 8 - топаз, 9 - корунд, 10 - алмаз.

Характер ионной упаковки атомов в кристаллической решетке лежит в основе такого важного свойства для обработки камня как спайность — способность минерала раскалываться по определенным направлениям. Выделяют весьма совершенную, совершенную, ясную, несовершенную и весьма несовершенную спайность. В первом случае минерал расщепляется на тонкие листы или пластины с образованием ровных блестящих поверхностей, в других вариантах делится на правильные или не очень правильные брусочки, в последнем при раскалывании минерала образуются неровные поверхности в произвольных направлениях — изломы. Выделяют раковистый, занозистый, крючковатый, землистый, оскольчатый, неровный и другие виды излома. Иногда раскалывание минерала по определенным плоскостям связано не с характером кристаллической решетки, а с наличием двойников или включений, оно происходит по плоскостям роста кристалла и именуется термином отдельность.

Чрезвычайно часто характер кристаллической решетки и расположение (или замещение) в ней тех или иных ионов определяет цвет (окраску) минерала. Окраску, определяемую соотношением ионов минерала, называют идиохроматической (собственной). В тех случаях, когда она обусловлена присутствием механических примесей — аллохроматической (чужеродной). Существуют и иные варианты изменения окраски, которые приводят к возникновению различных оптических эффектов. Один из них метамеризм, характеризующийся изменением цвета в зависимости от освещения. Он встречается, например, у редкой разновидности хризоберилла —александрита, который при дневном освещении выглядит зеленым, а при искусственном красным. Другая группа оптических эффектов обусловлена игрой цвета, обусловленной такими оптическими свойствами как интерференция и дисперсия. К наиболее ярким оптическим эффектам принадлежат авантюрисценция, астеризм, шиллеризация, опалесценция, лабрадорисценция и др. Подобный тип окраски называют псевдохроматическим. Цвета камней чрезвычайно разнообразны. Существуют группы минералов с одним и тем же базовым химическим составом, представленные широким, а иногда практически полным спектральным рядом.

Рис. 6. Различный характер окраски минералов: а. сапфиры с эффектом астеризма; б. спектролиты с эффектом лабродоресценции в; в. цветовое

Окраска минерала является важным диагностическим признаком, однако ее возможное изменение за счет примесей заставляет прибегать к дополнительной операции, заключающейся в определении собственного цвета минерала в порошке, для чего используется белая матовая фарфоровая пластина. Тонкий порошок образца, оставленный на ее шероховатой поверхности исключает наложение окрасок и позволяет определить его истинный цвет по цвету черты. Особенно важным этот диагностический признак является для непрозрачных, реже полупрозрачных камней, поскольку большинство прозрачных дает бесцветную черту.

Еще одним существенным диагностическим признаком следует считать такой оптический эффект как блеск, вызываемый отражением светового потока, падающего на минерал. По возрастанию яркости отражения выделяют: матовый, восковой, перламутровый, шелковистый, стеклянный, алмазный, полуметаллический и металлический блеск, который может быть достоверно определен лишь при повороте образца под разными углами к освещению.

Важным свойством камней, влияющим на его эстетическую привлекательность, является прозрачность. Камнесамоцветное сырье подразделяют на прозрачное, полупрзрачное, непрозрачное и просвечивающее. К прозрачным относят минералы пропускающие световые лучи, а просматриваемый через камень предмет ясно виден. Все драгоценные камни и значительное число ювелирных являются прозрачными.

Полупрозрачными называют минералы ограниченно пропускающие световые лучи, при этом изображение просматриваемого через камень предмета размытое, но различимое. Полупрозрачными чаще всего являются скрытокристаллические и аморфные соединения. Так, кристаллический кварц почти всегда прозрачен, а его скрытокристаллические и аморфные разновидности, такие как халцедон или опал — полупрозрачны или непрозрачны.

Просвечивающими называют камни, через которые проходит некоторое количество света, но предмет увидеть сквозь него нельзя. Примером может служить хризопраз. Некоторые камни пропускают свет только в пределах тонкого края, в тонких пластинках и сколах, а иногда в каком-то одном направлении, выполняя роль световода. Их принято называть полупросвечи­вающими. В качестве примера может выступать авантюрин.

Непрозрачными называют те минеральные соединения, которые не пропускают, а отражают световые лучи. Непрозрачными являются руды, горные породы и большинство интенсивно окрашенных минералов, таких как малахит, бирюза, или тех, в кристаллической структуре которых преобладает металлическая связь. Не пропускает световые лучи и большинство органических материалов: кораллы, кость, динабон и др. Прозрачность в зна­чительной степени зависит еще и от толщины образца, а также от наличия двойников и инородных включений внутри кристалла и является показателем качества самоцвета.

Рис. 7. Разнообразие цветовых рисунков агатов

Рис. 8. Друза полихромного турмалина

Лекция 3