ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 5 страница
ВНЕШНИЙ ВИД МИНЕРАЛОВ
В настоящем курсе мы будем знакомиться с минералами и горными породами по внешнему виду, определяя их признаки «на глаз». Такой метод получил название макроскопического в отличие от метода микроскопического, при котором порода изучается под микроскопом, и от других специальных, более точных методов, применяемых в минералогии и петрографии, недоступных при экспедиционных исследованиях геолога в поле (химический, спектральный, кристаллографический, рентгенографический и др.).
Твердые минералы встречаются в природе либо в виде кристаллов, имеющих более или менее хорошо выраженную форму многогранников, либо в виде неправильных по форме зерен или сплошных масс, также сложенных кристаллическим веществом, либо, наконец, в виде аморфных (некристаллических) масс.
Кристаллы. Одним из признаков определения минерала является его внешнее кристаллографическое оформление. Форма кристалла зависит от закономерного распределения составляющих минерал частиц — атомов (ионов) и молекул. В аморфном веществе (некристаллическом) те же частицы располагаются в беспорядке. Правильное пространственное расположение частиц в минерале образует структуру кристалла, или его кристаллическую решетку. Кристаллическая решетка геометрически может быть представлена в виде плотно пригнанных друг к другу многогранников (кубов, параллелепипедов, призм, ромбоэдров и т. д.), в вершинах, центрах или серединах граней которых на строго определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы или ионы. Они образуют так называемые узлы кристаллической решетки. Кристаллические структуры очень разнообразны и определенным образом отображаются во внешнем оформлении кристалла. Кристаллические структуры зависят от химического состава минерала, т. е. определенным минералам свойственны и определенные кристаллические формы.
Различают структуры: атомные, когда в узлах решетки находятся атомы; ионные, когда в узлах располагаются атомы, лишенные части наружных электронов, т. е. ионы; радикальные при расположении в узлах радикалов, т. е. групп ионов, например радикала СО3 в случае солей угольной кислоты.
Современная кристаллография изучает кристаллическую структуру путем просвечивания минералов рентгеновскими лучами. Основы учения о строении кристаллов были разработаны в конце XIX в. русским ученым — кристаллографом Е. С. Федоровым. Он впервые вывел 230 законов пространственного расположения частиц в кристаллах. Впоследствии выводы Федорова были подтверждены рентгеновским анализом.
В кристалле различают следующие части: грани, или плоскости, ограничивающие кристаллы, ребра — линии пересечения граней, вершины — точки пересечения ребер. Грани соответствуют плоскостям с наиболее плотным взаимным расположением частиц в виде плоских сеток, из пересечения которых и слагается кристаллическая решетка. В ребрах частицы расположены рядами — по линиям пересечения этих атомных сеток, что хорошо видно на схеме строения кристалла.
Одним из важнейших положений кристаллографии является закон постоянства гранных углов — для всех кристаллов одного и того же вещества углы между соответствующими гранями кристаллов одинаковы и постоянны. Этот закон дает возможность определять минералы путем измерения углов их кристаллов. Закон постоянства гранных углов вытекает из того, что грани кристалла по мере его роста перемещаются параллельно самим себе. При сохранении постоянства гранных углов величина и форма граней разных кристаллов одного и того же минерала могут значительно меняться, хотя внутренняя структура кристаллов при этом остается неизменной.
Это связано с тем, что в зависимости от физико-химической обстановки роста кристалла не все его грани развиваются одинаково. Поэтому внешняя форма кристаллов одного и того же минерала может довольно резко отличаться. Закон постоянства углов помогает определять минералы даже в мелких обломках кристаллов, если только они в какой-то мере сохраняют естественные грани.
Закон постоянства гранных углов позволяет для каждого естественного кристалла вывести его идеальную форму, которую он мог бы приобрести при наиболее благоприятной обстановке роста.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ
Для того чтобы по внешним признакам распознать минералы и определить приблизительно их химический состав, необходимо знать физические свойства каждого минерала. Следует иметь в виду, что отдельные физические свойства могут быть одинаковыми у различных минералов или, наоборот, одно какое-либо свойство (например, цвет и удельный вес) может изменяться у одного и того же минерала. На это будет влиять переменное количество примесей в составе минералов. Поэтому при определении минерала необходимо установить возможно большее число его свойств. Только в отдельных случаях минералы обладают характерными свойствами, по которым уже сразу можно определить минерал. К таким свойствам относятся магнитность, твердость, оптические свойства и др.
Важнейшими физическими свойствами являются цвет, блеск, излом, цвет черты, спайность, твердость, удельный вес и некоторые другие.
Цвет минералов самый разнообразный: белый, желтый, розовый, красный, зеленый, синий, черный, серый, притом всевозможных оттенков. Минералы могут быть бесцветными, стеклянно-прозрачными. Практически цвет минералов определяют на глаз путем сравнения с хорошо знакомыми в быту предметами: молочно-белый, снежно-белый, соломенно-желтый, лимонно-желтый, бутылочно-зеленый, кроваво-красный, кирпично-красный и т. д.
Для обозначения цвета минералов, имеющих металлический блеск, к названию цвета прибавляют название распространенного металла соответствующей окраски: свинцово-серый, латунно-желтый, медно-красный, железно-черный и т. д.
Окраска одного и того же минерала нередко весьма изменчива, что зависит от посторонних примесей. Например, кварц обычно бесцветен, его прозрачная разновидность, представленная хорошо образованными кристаллами, называется горным хрусталем. Но тот же кварц может быть окрашен в желтый цвет, фиолетовый — аметист (примесь марганца), черный — морион (примесь органического вещества).
В группу глинозема входят: корунд — серовато-синий, сапфир— чисто синего цвета (примесь двух- и трехвалентного железа и титана), рубин — красный (примесь хрома) и т. д.
В других случаях окраска минерала настолько характерна и постоянна, что она вошла в название минерала. Например, оливин— оливковый, т. е. желто-зеленый, красный железняк и др. Некоторые минералы (например, Лабрадор) меняют цвет в зависимости от меняющихся условий освещения, приобретая красивую радужную окраску. Это свойство минералов называется иризацией .
Многие минералы в раздробленном или порошкообразном состоянии имеют другой цвет, чем в куске. Порошок можно получить, проведя куском минерала черту на белой шероховатой поверхности фарфора, не покрытой глазурью. Однако этот метод изучения минерала, хотя и очень ценный, ограничен в применении твердостью минерала. Если твердость последнего больше твердости фарфора, то минерал не даст черты, не будет истираться, но образует на фарфоре царапину.
Блеск является свойством минерала отражать свет в той или иной степени. Различают следующие виды блеска.
Металлический блеск — сильный блеск, свойственный металлам. Им обладают минералы непрозрачные, дающие черную черту на фарфоровой пластинке, а также самородные металлы: золото, серебро, платина, не дающие черной черты. Характерный металлический блеск имеют многие минералы, являющиеся соединениями металлов с серой.
Стеклянный блеск очень распространен среди прозрачных минералов (кварц на гранях кристаллов). Перламутровый блеск обусловлен отражением света от внутренних плоскостей минерала. Шелковистый блеск возникает при тонковолокнистом сложении минерала (асбест, волокнистые разности гипса). Некоторые минералы обладают особенно сильным блеском, получившим название алмазного, так как он особенно типичен для алмаза.
Прозрачность есть способность минералов пропускать сквозь себя свет. По прозрачности минералы разделяют на: прозрачные, через которые ясно видны предметы (горный хрусталь, каменная соль); полупрозрачные — видны лишь очертания предметов (опал, халцедон); просвечивающие — свет проходит лишь через очень тонкие пластинки, причем предметы неразличимы; непрозрачные, через которые свет совсем не проходит.
Излом является важным диагностическим признаком для многих минералов. Под изломом понимают вид или характер поверхности, получающейся при разбивании, раскалывании минерала. Этот признак особенно важен при полевых исследованиях. Геолог, откалывая от скалы молотком образец горной породы, всегда наблюдает поверхность породы и составляющих ее минералов в нарушенном изломанном состоянии. Наиболее типичным будет излом раковистый. Он имеет вид вогнутых или выпуклых поверхностей с концентрически-волнистыми полосами, напоминающими поверхность раковин некоторых моллюсков или их отпечатки на породе. Можно указать еще занозистый излом с поверхностью, покрытой ориентированными в одном направлении занозами, землистый излом с матовой шероховатой поверхностью.
Спайность — свойство минералов колоться по плоскостям, строго ориентированным в данном минерале по отношению к его кристаллографическим элементам — осям, граням. При расколе по направлению плоскостей спайности возникают ровные зеркально-блестящие поверхности. В некоторых минералах бывает одно направление спайности, в других два или даже три, взаимно пересекающихся.
Различают спайности: весьма совершенную, когда минерал очень легко расщепляется (например, ногтем) на отдельные тончайшие листочки, образуя зеркально-блестящие плоскости спайности (слюда, графит, гипс); совершенная спайность отличается тем, что минерал раскалывается на пластинки с блестящими плоскостями лишь при слабом ударе молотка (каменная соль, кальцит); несовершенная спайность обнаруживается у некоторых минералов, имеющих два направления спайности: по одному из них возникают ровные блестящие плоскости, по другому — поверхности излома шероховаты, хотя и имеют определенную ориентировку.
Некоторые минералы совсем не обладают спайностью, поверхности излома возникают, у них незакономерно-
Твердость минерала представляет собой один из важнейших диагностических признаков. Под твердостью понимают степень сопротивления вещества минерала царапанию острием, давлению или истиранию. Разные минералы обладают присущей им твердостью. Твердость в минералогии устанавливается обычно путем царапания минералов предметами, твердость которых является известной (стандартной) .
Для определения твердости принята шкала, предложенная Моосом, в которой используются минералы с известной и постоянной твердостью. Степень твердости оценена по десятибалльной системе —
Шкала твердости Мооса
Тальк Mg3[Si4О10] [ОН]2 - 1
Гипс CaSO42H2O - 2
Кальцит СаСОз - 3
Флюорит CaF2 - 4
Апатит Ca5(F, С1)[РО4]з - 5
Ортоклаз KAlSiO2 - 6
Кварц SiO2 - 7
Топаз Al(F, ОН) 2[Si02] - 8
Корунд А12О3 - 9
Алмаз С -10
Низшая твердость обозначена единицей, а высшая — десятью баллами.
При определении твердости минерала с помощью шкалы царапают по его свежей поверхности, слегка надавливая кусочком минерала с известной твердостью. Допустим, для примера определяется твердость гематита. Из эталонных минералов его царапают все наиболее твердые до ортоклаза включительно, т. е. минералы с твердостью от 10 до 6. Следовательно, гематит имеет твердость меньше 6. Следующий по шкале минерал апатит не царапает гематит, но последний оставляет на апатите царапину. Следовательно, твердость гематита меньше 6, но больше 5 и определяется как 5,5.
При полевых исследованиях не всегда может оказаться под рукой нужный набор минералов шкалы твердости. В таком случае можно использовать для ориентировочного определения твердости испытуемого минерала подручные средства, на которые можно составить следующую упрощенную шкалу:
Мягкий карандаш 1
Ноготь 2—2,5
Бронзовая монета 3,5—4
Стекло 5
Перочинный стальной нож 6
Напильник 7
Удельный вес, так же как и твердость, имеет большое значение в определении минералов. Этот показатель колеблется у минералов в пределах от 0,6 до 21. Точно удельный вес минералов определяется путем взвешивания на гидростатических весах и посредством других специальных приспособлений. На практике определяется удельный вес лишь приблизительно, взвешиванием на руке с оценкой — тяжелый, средний, легкий. К легким относятся минералы, имеющие удельный вес 0,6—2,5: нефть, уголь, сера, гипс, каменная соль. Средние имеют удельный вес до 4 — кальцит, кварц и др. К тяжелым минералам относятся: барит, руды железа (кроме среднего по весу лимонита), меди, серебра, свинец, самородные металлы.
Другие свойства. Важно уже в полевой обстановке определить в минерале и особенно в породе наличие карбонатов, т. е. солей угольной кислоты (Н2СО3). Для этого используется реакция со слабым (10%) водным раствором соляной кислоты. На породу (минерал) капают этим раствором. Наличие карбонатов обнаруживается явлением вскипания, выделением пузырьков углекислого газа (СО2) в результате следующей реакции:
CaCO2 + 2НС1 = СаС12 + Н2О + СО2.
Определяются и такие свойства минералов, как их магнитность, двойное лучепреломление, вкус. Эти особенности свойственны лишь некоторым минералам и позволяют распознавать сравнительно небольшой круг минералов.
При определении магнитности используют магнитную стрелку горного компаса, которая будет притягиваться или отталкиваться минералом, обладающим магнитными свойствами (магнетит).
Двойное лучепреломление свойственно многим минералам, но особенно отчетливо проявляется у разновидностей кальцита. Если прозрачный кристалл кальцита (исландский шпат) положить на шрифт книги, то возникнет двойное его изображение.
На вкус определяются лишь немногие легко растворимые минералы. Каменная и поваренная соли определяются благодаря их отчетливому соленому вкусу. Сильвин (калийная соль) имеет горько-соленый вкус и слегка щиплет язык.
КЛАССИФИКАЦИЯ МИНЕРАЛОВ
Современная классификация минералов основана на их химическом составе. Все известные минералы группируются в несколько классов, из которых главнейшими являются: 1) самородные элементы, 2) сульфиды, 3) окислы, 4) галоидные соединения, 5) соли кислородных кислот и 6) органические соединения.
В пределах классов минералов выделяют подклассы, а внутри последних — группы минералов.
Самородные элементы
К группе самородных элементов относятся: алмаз, графит, сера, медь и др. Минералы этой группы весьма важны в практическом отношении и в то же время простые по своему составу. Каждый минерал этой группы состоит из одного химического элемента. Способы образования минералов этой группы очень разнообразны.
Графит — С. Твердость 1, уд. вес 2,2, цвет стально-серый до черного. Жирный на ощупь и пачкает руки. Чаще всего графит образует листоватые, чешуйчатые и плотные массы, иногда выделяется в кристаллах в виде пластинок с металлическим блеском и совершенной спайностью в одном направлении. Нередко графит неправильными включениями выделяется в изверженных породах, иногда образуя большие залежи; возникает также среди метаморфических пород. Возможно, что здесь он является продуктом преобразования органических остатков, попавших в эти породы.
Лучшие сорта графита идут для производства карандашей. Большая масса графита употребляется для изготовления плавильных тиглей, электродов для электрометаллургии, для графитной смазки и для атомных реакторов.
Алмаз — С. Твердость 10, уд. вес 3,5; сингония кубическая. Кристаллы большей частью прозрачны, бесцветны или желтоваты, с сильным блеском. Является самым дорогим из драгоценных камней. В порошке и в виде мелких кристаллов применяется при шлифовке металлических изделий в машиностроении и при бурении скважин в твердых породах.
Сера — S. Твердость 2, уд. вес 2; сингония ромбическая; цвет желтый; излом раковистый с жирным блеском. Плавится при температуре 112,8°. Сера встречается в виде включений, порошкообразных масс, часто в хороших кристаллах. Самородная сера образуется при распадении гипса и других сернокислых соединений, в присутствии органических веществ. Кроме того, сера выделяется в кратерах вулканов из возгоняющихся паров и сероводорода.
Сульфиды
Очень важную роль в народном хозяйстве играют сульфиды, или сернистые соединения тяжелых металлов. В группу сульфидов входит значительное количество минералов (до 250 минералов, т. е. около 10% всех существующих). Сульфиды представляют особый интерес как руды цветных металлов и часто как носители золота. Большинство сульфидов образуется из горячих водных растворов различных температур. Иногда сульфиды кристаллизуются непосредственно из магмы и ее летучих возгонов, но многие из них имеют и осадочное происхождение. Наиболее широко распространены в земной коре из сернистых минералов пирит, халькопирит, галенит и др.
Пирит (серный или железный колчедан) —FeS2. Твердость 6—6,5; уд. вес. 5; сингония кубическая; цвет соломенно-желтый; блеск металлический. По своей окраске и блеску напоминает несколько золото. Встречается в виде плотных и мелкозернистых масс, в виде вкрапленников и хорошо образованных кристаллов кубической формы. Пирит — самый распространенный минерал группы сульфидов и встречается во всех зонах земной коры. Он выделяется в магматических породах, часто встречается в осадочных породах. Пирит служит основным материалом для получения серной кислоты.
Галенит (свинцовый блеск) — PbS. Часто содержит серебро. Твердость 2,5; уд. вес 7,4—7,6; сингония кубическая; цвет свинцово-серый; блеск металлический. Встречается в виде зернистых плотных масс и кристаллов. Галенит образуется из горячих водных растворов, восходящих от магматического очага по трещинам горных пород, и очень редко встречается в осадочных породах. Является важнейшей свинцовой рудой.
Сфалерит (цинковая обманка) — ZnS. Получил название от греческого слова «сфалерос» — обманчивый, так как по внешним признакам не похож на обычные сульфиды металлов. Наблюдаются в нем примеси меди и свинца, присутствует до 20% железо. Цвет бурый или коричневый, часто черный, реже желтый, красный, зеленоватый.
Твердость 3,5—4. Происхождение гидротермальное. Используется как главная руда цинка, а также при изготовлении цинковых белил.
Окислы
Минералы группы окислов очень широко распространены в природе и играют большую роль в сложении земной коры.
В химическом отношении минералы этой группы представляют соединения элементов с кислородом. Делятся на два подкласса: простые окислы и водные окислы, т. е. окислы, содержащие воду.
Простые окислы
Кварц — SiО2— один из самых распространенных минералов; составляет около 12% всей массы земной коры.
Твердость 7; уд. вес 2,65; температура плавления кварца 1713°. При застывании расплава легко образуется кварцевое стекло. Блеск граней кристалла стеклянный, на изломе жирный; сингония тригональная; спайности нет, излом раковистый. Кристаллы кварца обычно удлиненные, призматические, часто с горизонтальной штриховкой на гранях призмы, очень часто встречаются в виде различных сростков и друз.
Различают следующие важнейшие разновидности кристаллического кварца: горный хрусталь — бесцветный, прозрачный, в виде хорошо развитых кристаллов; аметист — фиолетовый; дымчатый горный хрусталь — желтоватый, золотистый и бурый разных оттенков, морион — черный почти непрозрачный.
Скрытокристаллическая (непрозрачная) разновидность кварца волокнистого строения носит название халцедон. В отличие от кварца последний чаще бывает окрашен в различные цвета и оттенки: молочно-серый, синевато-черный, желтый, красный, коричневый, бурый, зеленый. Широко известен кремень — загрязненный халцедон (с примесью окислов железа и глинистых веществ), часто встречающийся в виде стяжений и желваков среди осадочных пород, главным образом мергелей «и известняков.
Кварц является породообразующим минералом кислых, изверженных, метаморфических и осадочных пород. Месторождения кварца весьма распространены. Прозрачные разновидности горного хрусталя и морион применяются в оптическом производстве, радиотехнике, ювелирном деле.
Важное значение в технике имеют пьезокварцевые пластинки, выпиленные из кристаллов горного хрусталя перпендикулярно к оси второго порядка L2 кристалла. Такие пластинки употребляются в качестве фильтра радиоволн и для других целей в радиотехнике, акустике и физике. Массивный кварц широко применяется в металлургии, фарфоровой и стекольной промышленности.