Механические свойства минералов

Спайность - способность минерала расщепляться или раскалываться при ударе по определенным направлениям с образованием ровных, зеркально-блестящих поверхностей - плоскостей спайности. Спайность свойственна исключительно кристаллическим минералам, обусловлена их внутренней кристаллической структурой и ее плоскости всегда направлены параллельно одной из граней кристалла. Различают пять видов спайности:

1). Весьма совершенная спайность - минерал легко расщепляется на тонкие листочки или пластинки, образуя зеркально-блестящие плоскости спайности (биотит, мусковит, гипс).

2). Совершенная спайность - при ударе минерал раскалывается на обломки, напоминающие кристалл, ограниченные только плоскостями спайности (кальцит, галит). Неровные поверхности (не по плоскостям спайности) получаются очень редко.

3). Средняя спайность - при раскалывании минерала получаются обломки, ограниченные как плоскостями спайности, так и неровными поверхностями по случайным направлениям (поверхности излома) (ортоклаз, роговая обманка).

4). Несовершенная спайность - плоскости спайности обнаруживаются с трудом, преобладают поверхности излома (оливин, апатит).

5). Весьма несовершенная спайность - минерал раскалывается с образованием только поверхностей излома (кварц).

Излом - вид поверхности, получаемой при раскалывании минерала не по плоскостям спайности. Различают следующие виды излома: раковистый - напоминающий поверхность морских раковин (кварц, халцедон, опал); занозистый - поверхность излома покрыта ориентированными в одном направлении занозами, иглами (гипс, роговая обманка, асбест); землистый - с шероховатой матовой поверхностью, как бы покрытой пылью (каолинит, монтмориллонит, лимонит); зернистый - наблюдается у минералов с зернисто-кристаллическим строением и характерен для минеральных агрегатов (магнетит, ангидрит, галит); ступенчатый (ортоклаз); неровный (авгит, альбит).

Твердость - характеризует степень сопротивления минерала внешнему механическому воздействию. Твердость минералов обусловлена внутренним строением их кристаллических решеток. Различают твердость относительную, которая определяется при царапании испытуемого минерала эталонными минералами, а также предметами с известной твердостью, и абсолютную, которая устанавливается по времени истирания слоя минерала определенной толщины, или определяется на специальном приборе - склерометре путем вдавливания в поверхность минерала очень твердого металлического шарика. Для определения относительной твердости минералов принята шкала твердости Мооса (таблица 1), в которой в качестве эталонов используются минералы с известной твердостью. Эталонные минералы в шкале Мооса располагаются в порядке возрастания твердости так, что каждый последующий минерал царапает все предыдущие. Испытания на твердость производят на свежих гранях, изломах и поверхностях спайности, так как выветривание, микротрещиноватость, посторонние налеты искажают результаты. Для определения твердости на испытуемом минерале выбирается ровная площадка, по которой, слегка надавливая, проводят острыми углами эталонных минералов, начиная от более мягких. Получив след от эталона, необходимо убедится, что это действительно царапина, а не оставленная эталоном черта. Для этого пробуют стереть след пальцем и рассматривают его в лупу. Твердость испытуемого минерала будет выше твердости последнего минерала, давшего черту, и ниже твердости первого минерала, оставившего царапину. Так, например, минералы тальк, гипс и кальцит оставляют черту (пишут) на поверхности испытуемого минерала, а минерал флюорит (и все последующие) оставляют царапину. Следовательно, твердость испытуемого минерала больше 3, но меньше 4 и равна примерно 3,5. В полевых условиях для определения относительной твердости применяют различные подручные средства с известной твердостью, например твердость мягкого карандаша - 1, ногтя - 2, медной монеты - 3, железного гвоздя - 4...4,5, стекла - 5, иглы и стального ножа - 6, напильника - 7.

Таблица 1

Шкала твердости минералов

При определении твердости минералов следует знать, что мелкозернистые и волокнистые агрегаты при испытаниях показывают заниженную твердость, так как оставшийся от царапания след вызывается деформацией и выкрошиванием мелких кристаллов.

Оптические свойства минералов

Цвет - окраска минерала в образце. Минералы имеют разнообразный цвет, для многих из них он строго постоянен, например альбит всегда белый, малахит - изумрудно-зеленый. Цвет минералов зависит от внутренней кристаллохимической структуры, содержания красящих элементов (хромофор), наличия механических примесей. Благодаря хромофорным примесям (к ним относятся элементы Fe, Ni, Co, Ti, Cr, Mn, Cu, и др.) цвет одного и того же минерала может быть различным. Например, бесцветный кварц может стать фиолетовым (аметист) или черным (морион). Для точной оценки цвет минерала следует определять на свежем изломе, так как на поверхности минерала цвет может изменяться в результате выветривания.

Некоторые минералы меняют цвет в зависимости от угла падения света, например, лабрадор при изменении угла приобретает красивую радужную - синюю, серую или зеленую окраску. Это явление называется иризацией и возникает у лабрадора за счет интерференции света, отраженного от обеих плоскостей микротрещин спайности, заполненных тончайшими пленочками минерала ильменита.

Цвет черты - цвет минерала в порошке, определяется по черте, оставленной на белой шероховатой фарфоровой пластинке. Цвет черты может совпадать с цветом минерала в куске, например киноварь и в куске и в порошке имеет красный цвет, магнетит - черный, малахит - зеленый. У ряда минералов, маскируемый сильным блеском, цвет кристаллов может не совпадать с цветом черты. Так, соломенно-желтый пирит дает черную черту, а железно-черные кристаллы гематита оставляют вишнево- красную черту. Цвет черты является более постоянным, а следовательно, и более надежным диагностическим признаком, чем цвет минерала в куске. Так, например, минерал гипс в куске, в зависимости от примесей, может быть медово-желтого, розового, серого цвета, но черта у гипса всегда белая. То же наблюдается у минералов галит, кальцит и др. Красный, бурый и магнитный железняк (гематит, лимонит и магнетит) в кусках часто имеют одинаковый цвет и различить их можно только по разному цвету черты - соответственно красному, желтому и черному.

Блеск - способность минерала отражать свет, падающий на его поверхность. Интенсивность блеска, т.е. количество отраженного света, зависит, прежде всего, от показателя преломления света минерала - чем больше показатель преломления, тем интенсивнее блеск. Вторым важным фактором, влияющим на блеск минералов, является характер поверхности, от которой происходит отражение. Поэтому один и тот же минерал приобретает различный блеск в зависимости от того, в каких агрегатах он встречается. По блеску все минералы делятся на три группы: с металлическим, полуметаллическим и неметаллическим блеском.

Минералы с металлическим блеском непрозрачны, дают темноокрашенную черту и блеск их сходен с блеском свежеизломанных или полированных поверхностей металлов. Металлический блеск характерен для самородных металлов (Au, Ag, Cu, Pt) и минералов, являющихся рудами различных металлов.

Полуметаллический блеск характерен для минералов, поверхность которых имеет вид потускневшего со временем металла. Минералы с полуметаллическим блеском (графит, гематит) дают черту более светлую, но интенсивно окрашенную.

Неметаллический блеск наблюдается у минералов прозрачных и просвечивающих в тонких пластинах. Эти минералы дают светлоокрашенную черту или не дают черты совсем. В зависимости от показателя преломления и характера поверхности различают разновидности неметаллического блеска:

а). Стеклянный - поверхность минерала блестит как полированное стекло, характерен для многих прозрачных минералов (кварц, гипс, кальцит);

б). Алмазный - сильный, искрящийся стеклянный блеск (алмаз);

в). Жирный - поверхность минерала кажется как бы намазанной жиром (опал, сера);

г). Перламутровый - минерал блестит как поверхность перламутровой раковины (мусковит, тальк);

д). Шелковистый - напоминающий блеск шелковых нитей наблюдается у минералов с тонковолокнистым строением (асбест, роговая обманка);

е). Матовый - имеют минералы с пористой, неровной землистой поверхностью (каолинит, монтмориллонит).

Прозрачность - способность минералов пропускать свет.

По степени прозрачности минералы делят на прозрачные (горный хрусталь, галит), полупрозрачные (опал, мусковит) и непрозрачные (графит). Некоторые непрозрачные минералы просвечивают в очень тонких пластинках характерным цветом, например, гематит - кроваво-красным.

Физические и химические свойства минералов

Плотность - масса минерала в единице объема, является важным диагностическим признаком. По плотности минералы делятся на три группы: легкие - с плотностью до 2500 кг/м³ (гипс, галит), средней плотности - от 2500 до 4000 кг/м³ (кальцит, кварц) и тяжелые с плотностью свыше 4000 кг/м³ (рудные минералы, самородное серебро, платина, золото, ртуть). Чаще всего встречаются минералы с плотностью от 2000 до 5000 кг/м³.

Магнитные свойства присущи очень немногим минералам и являются их важным диагностическим признаком (магнетит, гематит, платина). Магнитные свойства минералов проявляются в притягивании их магнитами и влиянии на магнитную стрелку, а в крупных массах магнитные минералы могут отклонять стрелку компаса.

Реакция с соляной кислотой. Минералы класса карбонатов (кальцит, доломит) легко опознаются по взаимодействию с HCl. Кальцит бурно вскипает при действии на него 10% HCl, а доломит реагирует с соляной кислотой, будучи растертым в порошок.

Растворимость в воде. Минерал считается растворимым, если его обломок полностью исчезает в воде. По степени растворимости в воде различают легкорастворимые (растворимость более 10г/л – галит, сильвин), среднерастворимые (1 – 10 г/л – ангидрит, гипс), труднорастворимые (менее 1 г/л – кальцит, доломит) и нерастворимые (менее 0.01 г/л – лабрадор, оливин, биотит) минералы.

Вкус. Хорошо растворимые в воде минералы вызывают вкусовые ощущения. Например: галит - соленый, сильвин - горько-соленый.

Запах. При горении, ударе, растирании некоторые минералы издают характерные запахи. Запах удушливого сернистого газа ощущается при горении серы, ароматический - при горении янтаря. Специфический запах сопровождает резкий удар по кремнию (с появлением искры) и трение фосфорита.

Дегидратация. Характерна для гипса (CaSO₄ 2H₂O) и заключается в потере воды (обезвоживании) при нагревании или воздействии на него высоких давлений. Процесс протекает с уменьшением объема до 30%. Обратный процесс - гидратация (присоединение воды) характерна для ангидрита (CaSO₄), при превращении его в гипс, и сопровождается увеличением объема минерала.

Устойчивость к выветриванию. Под выветриванием понимают изменение состава и разрушение минералов и горных пород под воздействием комплекса природных факторов (факторов выветривания), постоянно действующих на поверхности Земли (колебание температур, замерзание воды в трещинах, воздействие ветра, воды, кислот, растений, живых организмов). Различают физическое, химическое и биологическое выветривание.

Физическое выветривание заключается в механическом дроблении минералов и горных пород в результате колебаний температур, замерзания воды в трещинах, при переменном намокании и высушивании и т.д. Наиболее интенсивно разрушение минералов и пород происходит при замерзании воды в микротрещинах, так как вода, увеличиваясь в объеме при замерзании на 9...11%, создает давление на стенки породы до 200 МПа. Происходит расширение и углубление трещин с расчленением минералов и пород на отдельные обломки. Во вновь образовавшиеся трещины вновь попадает вода и процесс повторяется. Давление корневой системы растений усиливает раздробленность трещиноватых участков пород, расщепляя даже очень прочные породы (биологическое выветривание). Значительное разрушительное действие оказывает ветер своей механической силой и обтачивающим действием переносимых песчинок.

Химическое выветривание выражается в разрушении минералов и пород путем изменения их состава и растворения под действием воды, кислорода, углекислоты, органических кислот как продуктов жизнедеятельности и распада организмов и растений. Помимо растворения в минералах и горных породах под воздействием перечисленных факторов протекают реакции обмена, замещения, окисления, гидролиза, гидратации и дегидратации. Одновременно с разрушением первичных минералов формируются новые вторичные образования (минералы). Таким путем образуются многие минералы класса галоидов, сульфатов, карбонатов, а также глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит). Например, процесс гидролиза ортоклаза в присутствии СО₂ протекает по следующей схеме:

K₂OAl₂O₃6SiO₂+CO₂+nH₂O=2Al₂O₃2SiO₂H₂O+SiO₂nH₂O+K₂CO₃

ортоклаз каолинит опал поташ

По степени устойчивости к выветриванию минералы бывают устойчивые (кварц, кремень, каолинит, тальк), среднеустойчивые (ортоклаз, авгит, роговая обманка), и неустойчивые (кальцит, доломит, ангидрид, гипс, галит).