Морфология минералов и их агрегатов

Лабораторная работа № 1

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ

Цель работы. Научиться определять физические свойства минералов, используемые для визуальной диагностики.

Приборы и принадлежности. Набор образцов минералов, эталоны твердости, неглазурованная фарфоровая пластинка, 10 % соляная кислота, компас, лупы, бинокуляр МБС-9. ■

Краткие сведения

В настоящее время следует различать два вида минералов: 1) природ­ного происхождения, образование которых связано с процессами в земной коре; 2) искусственного происхождения, которые возникли в резуль­тате техногенной (в том числе и целенаправленной) деятельности человека. В данных Указаниях рассматриваются только природные минералы; искусственные минеральные образования будут рассмотрены в рамках-других учебных дисциплин.

Минералами называют однородные но составу и строению природные вещества, образовавшиеся в результате физико-химических процессов, протекающих в земной коре и на ее поверхности. Это в большинстве сво­ем твердые кристаллические тела, являющиеся составными частями гор­ных пород. Впрочем, незначительная часть минералов встречается и в жидком (Н§, Н₂О) и в газообразном (метан, Н₂5) состоянии.

С химической точки зрения минерал — более или менее однородное тело, отвечающее определенному химическому составу. Физически каж дый минерал также характеризуется более или менее определенными, присущими ему свойствами.

Минералы могут состоять из одного химического элемента (Аи, 8, Н§, С, Р( и др.) или из химических соединений различной сложности. Разме­ры минеральных агрегатов могут быть различны: от очень больших, мас­сой в десятки тонн, до микроскопических.

Известно несколько тысяч минералов (по разным источникам от 4000 до 7000 и более), но только около 450 из них широко распространены в природе. Из них всего несколько десятков минералов составляют основ­ную массу горных пород и называются породообразующими. Знание свойств породообразующих минералов необходимо инженеру-строителю (гидростроителю), поскольку они определяют физико-механические характеристики горных пород, являющихся естественным основанием для сооружений или строительным материалом.

Все минералы обладают характерными физическими свойствами, кото­рые можно использовать для их диагностики. Признаками первого порядка являются блеск, твердость, цвет, цвет черты. Другие признаки имеют подчиненное значение. К физическим свойствам, используемым для быстрого оп­ределения минералов, относятся также спайность, излом, форма кристаллов, удельный вес, магнитность, растворимость в воде или в кислотах, прочность, вкус, ощущение на ощупь, запах. Они тоже важны для диагностики минера­лов. Знание этих свойств позволяет определять многие минералы визуально.

Блеск - характерное свойство минерала, зависящее в основном от по­казателя светопреломления и типа агрегатов. Различают прежде всего блеск металлический и неметаллический. Темные непрозрачные минералы имеют металлический блеск.

При неметаллическом блеске различают как степень его интенсивно­сти, так и его виды, обусловленные структурой минерала. По интенсивности выделяют следующие разновидности неметаллического блеска:

алмазный - очень интенсивный, характерный для некоторых прозрач­ных минералов с высоким показателем преломления (алмаз, сфалерит, ре­альгар и др). Алмазный блеск переходит в металлический при уменьшении прозрачности минерала;

стеклянный — подобный отражению света от стекла, имеет обширные пределы. Типичный пример этого блеска можно наблюдать на кристалличе­ских плоскостях кварца;

жирный — имеющий меньшую интенсивность, чем стеклянный, и по­хожий на отражение света от замасленной или гладкой белой бумаги. Из ми­нералов типичным жирным блеском обладает опал;

матовый — имеет незначительную интенсивность или практически ее лишен. Проявляется главным образом у землистых веществ, таких как као­лин, вад и др.;

смоляной - похожий на блеск смолы, например, у некоторых разно­видностей обсидиана.

Характерные типы блеска, обусловленные структурой минералов, сле­дующие:

перламутровый - аналогичен отражению света от внутренних сторон раковин моллюсков. Он присущ минералам тонкополосчатого строения (не­которые кальциты и опалы), а также обладающим совершенной спайностью (слюда, гипс и др.). При такой спайности в минерале возникают тонкие тре­щинки вдоль плоскостей спайности, от которых отражается свет; наложение (интерференция) отраженного света и проявляется в виде пестрых окрасок;

шелковистый — характерный для волокнистых минералов, таких как хризотил-асбест, гипс.

Твердость - сопротивление механическому воздействию другого, бо­лее прочного тела, обусловленное в основном прочностью кристаллической структуры минералов. Различают твердость царапанья, вдавливания, шлифо­вания. У кристаллов многих минералов, в зависимости от внутренней струк­туры, твердость анизотропна. Точно твердость определяется специальным прибором - микротвердометром. Он представляет собой предметный столик, на который кладут исследуемый минерал, а затем сверху опускают пресс со вставленной алмазной пирамидкой или стальным шариком. С помощью при­бора фиксируют усилие, которое нужно приложить для получения на мине­рале отпечатка площадью около 1 мм². Затем измеряют длину диагонали от­печатка и по формуле вычисляют число твердости вдавливания.

Еще в 19 веке Фридрих Моос (1773-1839) составил относительную шкалу твердости царапания, состоящую из широко распространенных в при­роде и доступных всем минералов. Эта шкала признана геологами всего мира и успешно используется в минералогии уже два столетия (табл. 1.1).

Твердость минералов

Таблица 1.1

Цифры значений твердости по шкале Мооса представляют собой про­сто ранги, позволяющие расположить твердые тела по прочности в упорядоченный ряд.

При определении твердости какого-либо минерала царапаем им последовательно все более твердые минералы шкалы твердости, пока определяемый минерал уже не оставляет царапины на очередном минерале шкалы. Та­ким образом примерно находим границы твердости определяемого минерала. Когда определяемый минерал имеет твердость, промежуточную между эта­лонными минералами, то его собственная твердость считается по нижней ступени с добавлением 0,5. Например, если минерал царапает флюорит и не оставляет царапины на апатите, то его твердость принимается за 4,5.

Опыт показывает, что вместо минералов шкалы твердости для грубого определения относительной твердости исследуемого минерала можно вос­пользоваться другими обычными предметами, что значительно проще. Так, минералы с твердостью 1 и 2 можно царапать ногтем (у ногтя твердость не­много более 2). Минералы с твердостью 3 можно царапать медной проволо­кой, с твердостью до 5 - ножом. Кусок оконного стекла имеет твердость 5,5. На минерале с твердостью 6 можно сделать царапину напильником, а более твердые, от 7 и более, дают при высекании напильником искры.

Относительную твердость неизвестного образца можно определить, выяснив, какой эталон или подручный материал оставляет на нем царапину и какой эталон он царапает сам. При этом надо быть внимательным, чтобы не принять за настоящую царапину след, оставляемый более мягким, легко ис­тирающимся минералом.

Цвет у минералов бывает самый разный, от белого до черного. Обычно минералы имеют характерные оттенки и легко узнаются, так что цвет являет­ся ярко выраженным и удобным диагностическим признаком. Даже названия многих минералов даны по их цвету. Например, хлорит зеленый (греч. «хлорос» - зеленый), родонит розовый (греч. «родон» - роза), гематит буро-красный (греч. «гематос» - кровь), альбит белый (лат. «альбус» - белый).

Однако совершенно чистые от примесей минералы встречаются в при­роде редко, а примеси могут менять их цвет. Так, прозрачный бесцветный корунд окрашивается хромом в красный цвет (рубин), а примеси титана и железа дают интенсивную синюю окраску (сапфир). Небольшая примесь марганца окрашивает прозрачный бесцветный кварц в фиолетовый (аметист).

У некоторых минералов окраска меняется в зависимости от характера освещения. Например, хризоберилл при дневном свете ярко-зеленый, а при искусственном освещении фиолетово- или кроваво-красный. У многих дра­гоценных камней отмечается полихроизм ~ свойство изменять окраску при рассмотрении в обычном свете в зависимости от направления луча. В зеленом турматане, который встречается в виде длинных, похожих на карандаш кристаллов, цвет при наблюдении сбоку может быть ярким голубовато-зеле­ным, а при наблюдении вдоль кристалла - темным коричневато-зеленым. Ювелиры выработали строгие правила ориентировки заготовок для огранки минералов, чтобы в максимальной степени выявить цвет камня.

Черта. Различают цвет минерала в массиве и цвет его порошка. Черта -это цвет порошка, полученного при царапании минералом по пластинке неглазурованного фарфора. Эту пластинку получают из обломков кухонной по­суды, ванных раковин, электрических изоляторов. Для установления цвета черты прекрасно подходит обратная сторона фарфоровой ступки, лишенная глазури. Настоящая черта получается только у минералов с твердостью меньше 6, потому что твердость самой фарфоровой пластинки около 6. Если минерал тверже пластинки, то черты не образуется. В таком случае осколок минерала разбивают молотком или размалывают в ступке, а цвет полученно­го порошка определяют на белом фоне.

Цвет минералов зависит и от их толщины; интенсивность окраски глав­ным образом у просвечивающих и прозрачных минералов очень быстро снижается с уменьшением толщины кристаллов или их обломков. Цвет черты (табл. 1.2) менее подвержен вариациям и поэтому более надежен при опреде­лении минералов, чем цвет неповрежденного кристалла.

Черта минералов

Таблица 1.2

Побежалость. Этим термином называют тонкую цветную или разно­цветную пленку, которая образуется на выветрелой поверхности некоторых минералов при их окислении. Побежалость часто напоминает нефтяные пленки. Особенно яркая побежалость характерна для халькопирита и некоторых других преимущественно медных минералов.

Спайность — способность кристаллов раскалываться по плоскостям, параллельным действительным или возможным граням с образованием в месте раскола ровных, гладких, блестящих как зеркало поверхностей, называемых плоскостями спайности. В зависимости от резкости проявления этого свойства различают следующие виды спайности:

весьма совершенная — когда минерал легко расщепляется на тонкие листочки. Примером минералов с весьма совершенной спайностью может служить слюда;

совершенная проявляется в том, что при ударе молотком минерал рас­падается на обломки правильной формы, со всех сторон ограниченные плоскостями спайности (кальцит);

средняя, когда при раскалывании образуются обломки, частично огра­ниченные плоскостями спайности, частично неровными поверхностями излома (полевые шпаты);

несовершенная, когда минерал раскалывается на обломки, на которых лишь иногда можно обнаружить остатки плоскостей спайности (берилл, апатит);

весьма несовершенная, когда она практически отсутствует (кварц, са­мородное золото).

Явление спайности объясняется особенностями внутреннего строения кристаллов: обычно она проходит параллельно плоским сеткам кристаллической решетки, наиболее удаленным друг от друга и имеющим наибольшую ретикулярную плотность. Минералы могут иметь спайность по одному на­правлению - слюды, двум - полевые шпаты, трем - кальцит или не иметь ее вовсе - кварц. Минерал, лишенный спайности, может только ломаться.

Плоскости спайности от естественных граней отличаются тем, что ес­тественную грань можно отбить, и она не повторится, а плоскости спайности можно получать многократно, пока позволяют размеры кристалла. Плоскости спайности более гладкие и совершенные, в то время как естественные грани имеют следы растворения, штрихи, присыпки и др.

Если драгоценный камень обладает совершенной спайностью в каком-либо направлении, то заготовку для огранки делают такую, чтобы основная грань изделия не совпадала с плоскостью спайности (рис. 1.1). Иначе в про­цессе огранки часть заготовки может отколоться, а размеры ювелирного из­делия сильно уменьшатся.

Излом - форма поверхности, образующаяся при раскалывании мине­ралов, не обладающих спайностью. В отличие от спайности, плоскости не отличаются прямолинейностью и обычно не параллельны. При весьма со­вершенной спайности трудно получить излом. Излом обусловлен физиче­скими свойствами вещества и иногда является характерным диагностическим признаком. У минералов различают излом:

раковистый ~ напоминает волнистую поверхность раковины (стёкла, кварц, шлаки);

мелкораковистый (самородные металлы);

Рис. 1.1. Ориентировка заготовок для ювелирных изделий

крючковатый - поверхность излома покрыта мельчайшими крючочка­ми; такой излом характерен для ковких минералов типа самородной меди;

занозистый излом чаще всего наблюдается у волокнистых агрегатов минералов и внешне напоминает излом деревянной палки поперек волокон (хризотил-асбест, гипс-селенит);

землистый - поверхность излома матовая и как бы покрыта мелкой пы­лью;

зернистый излом создает впечатление зернистой поверхности с мел­кими впадинами и выступами;

ступенчатый - поверхность ступенчатая;

ровный излом имеет поверхность, относительно близкую к плоской, с мелкими выступами и впадинами (халькопирит);

неровный излом характеризуется чередующимися поверхностями раз­личной формы и размеров, поверхность шероховатая (хромит, полевой шпат).

Прочность - способность сопротивляться разрушению при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании, разрушении при ударе. Большинство мине­ралов хрупкие; они раскалываются с шумом и треском. Селенит - одна из разновидностей гипса - гибкий, он сохраняет изгиб. Слюды упругие или эла­стичные, они легко сгибаются, но затем распрямляются. Самородное золото, медь, серебро обладают ковкостью, их можно расплющить в тонкие листы. При царапании ножом на ковких минералах получается блестящий след. Очень прочные минералы тонкозернистой или спутанно-волокнистой струк­туры называют вязкими - халцедон, нефрит, чароит. У таких минералов трудно отбить образец от большого массива, минерал "пружинит", молоток при ударе отскакивает.

Удельный вес равен отношению массы твердой фазы к ее объему. Обычно он колеблется от 2,5 до 3,3 г/см\ в среднем около 2,7 г/см³. Минера­лы с большим удельным весом характеризуются высоким содержанием ме­талла. В зависимости от чистоты удельный вес самородного золота, напри­мер, колеблется от 16,0 до 19,3 г/см³. Тяжелый минерал барит Ва8О₄ с удель­ным весом 4,6 г/см³ является обычным компонентом для утяжеления буро­вых растворов.

Магнитность. Этим свойством обладают немногие минералы. Единст­венный минерал - магнетит Ре₃О₄ обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Нужно поднести к нему компас, чтобы отметить наличие маг­нитных свойств. На месторождениях магнетита невозможна ориентировка по компасу, потому что большие скопления минерала оказывают на магнитную стрелку большее влияние, чем магнитное поле Земли.

Растворимость. Небольшое число минералов, например, галит N301 и сильвин КС1 легко растворяются в воде; большинство остальных или плохо растворимы, или совсем нерастворимы в воде. Некоторые минералы раство­ряются в кислотах. В разбавленной 10 % соляной кислоте растворяется каль­цит СаСО₃ с бурным выделением пузырьков СОг- На поверхности куска си­дерита РеСОз капля НС1 также вскипает и, кроме того, окрашивается в зеленый цвет. Доломит слабо вскипает с НС1 только в порошке.

Особые свойства минералов. Часть минералов хорошо распознается по особым, только им присущим свойствам. Двойным лучепреломлением об­ладает исландский шпат (рис. 1.2), прозрачная разновидность кальцита. Для пирита характерна штриховка на гранях, причем на каждой грани штрихи располагаются перпендикулярно к соседней. Грани кварца часто имеют поперечную штриховку. Минералы распознаются на вкус: каменная соль соле­ная, карналлит горько-соленый; некоторые распознаются на ощупь (каолинит и тальк на ощупь жирные). В природе встречаются минералы, для которых неплохим диагностическим признаком служит запах. Если ударить друг о друга два кусочка арсенопирита или других арсенидов, ощущается чесноч­ный запах - запах мышьяка. Флюорит при нафевании на электрической пли­те светится зеленовато-голубоватым цветом. Алмаз обладает люминесценцией, он светится в темноте при облучении ультрафиолетовыми лучами. Большая фуппа минералов характеризуется радиоактивностью, которую можно определить с помощью специальных приборов — радиометров.

Рис. 1.2. Двойное лучепреломление у исландского шпата

Оптические свойства. Все минералы, кроме рудных, прозрачны в топ ких срезах и характеризуются определенным набором оптических свойстн. Точное определение любого минерала возможно с применением поляризаци­онного микроскопа. Для этого надо измельчить минерал до порошка или из­готовить из него шлифы толщиной 0,02-0,03 мм, положить их на предметное стекло и пропустить через них поляризованный свет. У каждого прозрачного минерала своя реакция на поляризованный свет, и под микроскопом можно наблюдать зерна минералов, окрашенные в яркие цвета всего радужного спектра.

Непрозрачные рудные минералы, такие, как сульфиды металлов, изучают в отраженном свете, изготовляя аншлифы.

Комплекс свойств минералов используется для их диагностики на ме­стности в ходе геологической разведки или в лабораториях. При этом свой­ства изучаемого минерала сравнивают с данными диагностических справоч­ников, в которых приведены сведения (константы) о всех известных науке минералах.

МОРФОЛОГИЯ МИНЕРАЛОВ И ИХ АГРЕГАТОВ

Морфология минералов зависит от условий их образования. Свободно растущие минералы обладают наиболее полно развитой формой. Различия в условиях образования и помехи при кристаллизации приводят иногда к са­мому необычному для данного минерала виду.

В минералогии выделяют 7 групп симметрии кристаллов. Сингонией называют группу видов, которая характеризуется определенным типом кри­сталлографических осей и обладает одним или несколькими общими элементами симметрии. Каждую сингонию определяет свой необходимый и доста­точный минимум элементов симметрии.

Кристаллы кубической сингонии относятся к высшей категории, у них три оси выше второго порядка (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Кристаллографические оси в кристаллах кубической сингонии:

а - куб (галит); б - октаэдр (алмаз);

в - тетрагонтриоктаэдр (гранат)

Средняя категория объединяет гексагональную (рис. 2.2), тетрагональную (рис. 2.3) и тригональную (рис. 2.4) сингонии; кристаллы имеют только одну ось симметрии выше второго порядка.

Рис. 2.2. Кристаллографические оси в кристаллах гексагональной сингонии: а - основная форма с изображением осей; б - кристалл апатита; в - кристалл берилла

Рис. 2.3. Кристаллографические оси в кристаллах тетрагональной сингонии:

а - бипирамида; б - кристалл циркона;

в - кристалл везувиана

Рис. 2.4. Кристаллографические оси в кристаллах тригональной сингонии:

а — ромбоэдр с изображением осей; 6 — кристалл турмалина; в — кристалл корунда.

Кристаллы ромбической (рис. 2.5), моноклинной (рис. 2.6) и триклинной (рис. 2.7) сингонии относятся к низшей категории, они не имеют ни одной оси выше второго порядка.

Рис. 2.5. Кристаллографические оси в кристаллах ромбической сингонии;

а - основная форма с изображением осей; б - кристалл ставролита; в - кристалл топаза

Рис. 2.6. Кристаллографические оси в кристаллах моноклинной сингонии:

а - кристалл гипса (селенита) с изображением осей;

б - кристалл ортоклаза; в - кристалл эпидота

Рис. 2.7. Кристаллографические оси в кристаллах триклинной сингонии: а - кристалл аксинита с изображением осей; б - кристалл альбита; в - кристалл родонита

Рис. 2.8. Кристаллические двойники:

а — циклический восьмерник рутила; б - полисинтетический альбитовый двойник плагиоклаза; в — двойник прорастания флюорита; г — «железный крест» - двойник прорастания пирита; д — двойник срастания касситерита;

е - «арагонитовый» тройник церуссита; ж - «крест» - двойник прорастания

ставролита; з - двойник срастания кальцита; и - «ласточкин хвост» -

двойник срастания гипса

Иногда наблюдаются закономерные прорастания или срастания кри­сталлов по определенным граням, так называемые двойники (рис. 2.8). Двойники особенно характерны для плагиоклазов, но часто их можно различить только в шлифах под микроскопом.

В зависимости от условий образования и свойств самого минерала воз­никают агрегаты различного внешнего вида и строения. Можно различать агрегаты мономинеральные, состоящие из одного минерала (мрамор), и полиминеральные, состоящие из двух и более минералов (гранит). По величине зерен различают мелко-, средне-, крупно- и гигантозернистые; по форме зе­рен таблитчато-зернистые — лабрадорит, чешуйчатые — тальк, игольчатые — гипс, астрофиллит, волокнистые — асбест и др.

Из прочих форм выделения минералов в природе отметим следующие.

Друзы ~ сростки или скопления хорошо оформленных кристаллов, прикрепленных к общему основанию (рис. 2.9). Друзы характерны для горного хрусталя (разновидность кварца); кальцит образует каменные «розы». Мел­кие друзы размером в несколько миллиметров называют щетками.

Рис. 2.9. Друза горного хрусталя

Секреции образуются при заполнении пустот в породе (рис. 2.10, а). Кристаллизация вещества идет от периферии к центру; результатом этого процесса является концентрически-зональное строение со слоями (зонами) различной окраски и разного минерального состава. Таким путем образуются агаты. Заполнение полости может быть полным или частичным. Секреции небольших размеров с пустотой внутри называют миндалинами, а крупные - жеодами.

А, 6

Рис. 2.10. Строение секреций и конкреций: а - секреция; б - конкреция

Конкреции - округлой формы образования радиально-лучистого или скорлуиоватого строения (рис. 2.10, б). Для конкреций, размеры которых могут меняться в пределах от нескольких миллиметров до метров, характер-па последовательная кристаллизация вещества вокруг некоторой затравки, центра. Таким образом, постепенно увеличиваясь в размерах и питаясь веще­ством из водных растворов и гелей, конкреция получает характерное кон­центрически-зональное строение.

Оолиты - округлые образования, напоминающие конкреции малых размеров, обычно не более 5 мм, имеют скорлуповато - концентрическое строение (рис. 2.11). Каждое деление линейки на рисунке соответствует 5 мм. Оолитовое строение характерно для карбонатов и бокситов.

Дендриты - древовидные ветвистые агрегаты. Они могут быть плоски­ми (оксиды марганца в родоните, рис. 2.12) и объемными (самородное золото).

Натечные формы отлагаются на стенках пустот, выступах горных по­род, например, сталактиты и сталагмиты в карстовых пещерах.

Налеты и примазки представляют собой тонкие пленки некоторых ми­нералов. Типичный пример - тонкие пленки малахита на меди.

Землистые массы - скопления тончайших зерен-пылинок, которые часто невозможно различить невооруженным глазом. Землистые массы жел­того и бурого цвета называют охристыми, черного — сажистыми.

Рис. 2.12. Дендриты в родоните

Все собранные на кафедре образцы минералов и горных пород (более 200 экземпляров) имеют коллекционный номер, написанный на образце чер­ной тушью. Студент получает от преподавателя образцы минералов и записывает их коллекционные номера. Затем отмечает физические свойства дан ного образца, форму кристаллов и характер агрегатов. Данные заносит в таб­лицу 2.1, сравнивает выявленные признаки с описаниями минералов и про­водит диагностику. Сводный определитель дан в Приложении А.

Таблица 2.1 Физические свойства минералов, используемые для визуальной диагностики