ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ И ИХ ПРИРОДА

Физические свойства минералов имеют большое практическое значение (радиоактивность, люминесценция, магнитность, твердость, оптические свойства и др.) и очень важны для их диагностики.

Плотность. Плотности минералов колеблятся от величин, примерно равных единице, до 23,0 (платинистый иридий). Подавля­ющая масса минералов имеет плотность от 2,5 до 3,5, что и об­условливает плотность земной коры, равную примерно 2,7– 2,8.

Минералы по плотности условно можно разделить на три группы: легкие (плотность до 3,0), средние (плотность от 3,0 до 4,0) и тяжелые (плотность более 4,0).

Некоторые минералы легко узнаются по большой плотности (барит – 4,6, церуссит – 6,5). Как правило, минералы, содержащие тяжелые металлы, имеют большую плотность, а водные мине­ралы – легкие. Наибольшую плотность имеют самородные эле­менты – золото, серебро, минералы группы платины. В кристаллах одного и того же состава плотность определяется характером упаковки атомов в единичной структурной ячейке. Примером могут служить, отмеченные выше алмаз и графит с плотностями соот­ветственно 3,5 и 2,2. Другой пример: плотность кальцита Са(СО_а) 2,6-2,8 и арагонита Са(С0₃) 2,9-3,0, что свидетельствует о более плотной упаковке атомов в арагоните.

Существуют различные методы определения плотности ми­нералов. Определение плотности при помощи весов Вестфаля состоит в следующем: проверив и отрегулировав весы, зернышко минерала взвешивают сначала на воздухе, а затем в стаканчике, наполненном дистиллированной водой. Потеря в массе согласно закону Архимеда даст нам объем минерала.

Плотность определяется по формуле:

р = m/V = m/m-m₁,

где т – масса минерала, т₁ – масса минерала в воде, V – объем минерала.

Для получения более точных результатов, особенно при работе с тяжелыми минералами, воду заменяют бромоформом. Точность опреде­ления при этом ±0,001.

Определение плотности минералов в тяжелых жидкостях наиболее просто и удобно. Для этого необходимо иметь набор тяжелых жидкостей с различной плотностью. Чем меньше интервал между соседними жидкостями, тем более точно можно определить плотность минерала. Зерно минерала погружают в жидкость. Если зерно тонет, то его плотность больше плотности жидкости, если всплывет – его плотность меньше чем у жидкости, если находится во взвешенном состоянии – плотность жидкости и минерала одинаковы.

Для получения более точных результатов пользуются растворами-смесями той или иной жидкости с водой. Например, разбавляя жидкость Клеричи, можно составить шкалу с плотностями от 2,8 до 4,27.

Механические свойства минералов обнаруживаются при механическом воздействии на них: при сжатии, растяжении и ударе. Так же, как и оптические свойства, они различны в разных направлениях и связаны с анизотропностью кристаллов. К числу важнейших механических свойств относятся спайность и твердость.

Спайность – способность кристаллов раскалываться по определенным кристаллографическим плоскостям с образованием блестящих поверхностей. Спайность может проявляться в одном, двух, трех, четырех и шести кристаллографических направлениях.

Кристаллы слюды можно расщепить по спайности на тончайшие листочки – у нее спайность в одном направлении по пинакоиду (001). Ромбоэдрический кристалл кальцита легко раскалывается по трем направлениям (по ромбоэдру), тогда как в других направлениях спайные плоскости не образуются.

Причина спайности заключается в силе сцепления между материальными частицами кристалла, а последняя зависит от расстояния между частицами и от величины ионных зарядов, взаимодействующих между собой. Плоскости спайности должны быть параллельны плоским сеткам пространственной решетки с наибольшими межплоскостными расстояниями.

Для оценки спайности существует следующая шкала:

1. Спайность весьма совершенная – кристалл колется на тончайшие пластинки с зеркальной поверхностью (слюда, гипс).

2. Спайность совершенная – кристалл в любом месте колется по определенным направлениям, образуя ровные поверхности; неправильный излом получается крайне редко (кальцит, галит, галенит).

3. Спайность средняя – при расколе образуются как ровные спайные поверхности, так и неровные поверхности излома (полевые шпаты, роговая обманка).

4. Спайность несовершенная – ровные спайные поверхности редки, при разломе большей частью образуется неправильный излом (берилл, апатит).

5. Спайность весьма несовершенная – практически нет спайности, кристаллы имеют неровные поверхности излома при расколе (кварц, касситерит).

В различных направлениях спайность кристалла может быть одинаковой или разной по степени совершенства.

Минералы, не имеющие спайности или имеющие несовершенную спайность, раскалываются по неровным плоскостям излома.

По характеру этих поверхностей излом в минералах может быть неровный (самородная сера, апатит, касситерит), ступенчатый (полевые шпаты), занозистый (актинолит, тремолит), раковистый (кварц, халцедон, опал), крючковатый (самородные элементы – золото, медь, платина) и других видов.

Твердость. Под твердостью кристалла понимается его сопротивление механическому воздействию более прочного тела. Твердость кристаллов является их важным диагностическим признаком.

Существует, несколько методов определения твердости. В минералогической практике принята шкала Мооса. Эталонами шкалы твердости Мооса являются следующие минералы, расположенные в порядке увеличения твердости.

1. Тальк 6. Полевой шпат (ортоклаз)

2. Гипс 7. Кварц

3. Кальцит 8. Топаз

4. Флюорит 9. Корунд

5. Апатит 10. Алмаз

Необходимо отметить относительность шкалы Мооса: если тальк имеет твердость 1, а гипс твердость 2, то это не означает, что гипс в 2 раза тверже талька. То же самое можно сказать и относительно всех других минералов-эталонов. Твердость их условна и при определении другими методами получены иные значения.

Определение твердости минералов производится методом царапания. Если, например, апатит (твердость 5) царапает исследуемый минерал, а флюорит (твердость 4) не царапает его, то мы определяем твердость исследуемого минерала примерно как 4,5. Эталоны шкалы Мооса могут заменить следующие предметы: лезвие стального ножа – твердость около 5,5, напильник – около 7, простое стекло – 5; минералы, имеющие твердость 2, легко чертятся ногтем.

Точное определение твердости получают с помощью специальных приборов склерометров (твердомеров). В склерометре М. М. Хрущева и Е. С. Берковича твердость определяется по глубине вдавливания алмазной пирамидки квадратного сечения в исследуемый объект, что наблюдается под микроскопом.

Так же, как и спайность, твердость кристаллов обнаруживает анизотропию. Кристаллы алмаза, например, имеют наибольшую ретикулярную плотность на гранях октаэдра (111), меньшую на гранях ромбододекаэдра (110) и еще меньшую на гранях куба (100). В соответствии с этим твердость по граням октаэдра будет большей, чем по граням ромбододекаэдра, а грани куба будут иметь наименьшую твердость.

Очень характерны в этом отношении отмеченные выше кристаллы дистена, твердость которых на плоскости совершенной спайности вдоль удлинения равна 4,5, а поперек 6.

Оптические свойства. В естественном свете колебания электрического и магнитного векторов совершаются в каждый момент в различных направлениях, всегда перпендикулярных направлению распространения световой волны (т. е. перпендикулярно световому лучу). Такой свет носит название неполяризованного, или простого.

При прохождении через оптически анизотропную среду свет становится поляризованным. Колебания поляризованного света происходят лишь в одной плоскости, проходящей через направление движения световой волны. Поляризация света происходит при прохождении через все кристаллы, за исключением кристаллов кубической сингонии; последние в оптическом отношении изотропны. Естественный свет, вступающий в кристалл (кроме кристаллов кубической сингонии), распадается на две световых волны, распространяющиеся с различными скоростями. Обе волны становятся поляризованными, причем плоскости их колебаний взаимно перпендикулярны. Это явление называется двупреломлением, или двойным светопреломлением. Двупреломление было открыто Бартолином в 1669 г. и в дальнейшем изучено X. Гюйгенсом.

Наиболее сильно двупреломление выражается в кристаллах исландского шпата (оптического кальцита). Если положить прозрачный кристалл исландского шпата на бумагу с какой-либо надписью то сквозь него будут отчетливо видны две надписи, одна более четкая, другая более слабая. Чем толще кристалл, тем дальше будет одна надпись от другой.

В кристаллах тригональной, тетрагональной и гексагональной сингоний имеется только одно направление, по которому не происходит двойного светопреломления. Это направление называется оптической осью, оно совпадает с осью симметрии высшего порядка. Поэтому кристаллы средних сингоний называются оптически односными. В кристаллах триклинной, моноклинной и ромбической сингоний имеются два направления, по которым не происходит двойного светопреломления; они в оптическом отношении двуосны.

В изотропной среде и в кристаллах кубической сингоний свет распространяется по всем направлениям с одинаковой скоростью. Поверхность световой волны в этом случае имеет форму шара.

В кристаллах средних сингоний скорость распространения световых волн различна. Световая волна, распространяющаяся с одинаковой скоростью во всех направлениях, называется обыкновенной, а распространяющаяся в различных направлениях с различной скоростью – необыкновенной. Поверхностью первой световой волны является шар, а второй – эллипсоид вращения. Таким образом, поверхность световой волны для кристаллов средних сингоний представляет собой шар, вписанный в эллипсоид, или шар, описанный вокруг эллипсоида. В кристаллах низших сингоний вообще нет обыкновенных волн, все волны здесь распространяются с различными скоростями, а общая поверхность световой волны более сложная.

Оптические свойства кристаллов широко используются в минералогии и петрографии для изучения минералов и горных пород. Оптический метод исследования основывается на изучении оптических свойств кристаллов (двойного светопреломления, показателей преломления и др.) при помощи поляризованного света.

Цвет. Минералы могут иметь самые различные цвета и оттенки. Одни минералы имеют определенный цвет, по которому можно их безошибочно определить, например красная киноварь, золотистый пирит, зеленый малахит, синий лазурит. Другие минералы, такие, как турмалин, берилл, гранат, флюорит, кварц и другие, могут быть различно окрашенными. Турмалин бывает черным, розовым, зеленым, бесцветным. Встречаются и такие турмалины, которые имеют разный цвет в одном и том же кристалле: один конец розовый, середина белая, другой конец зеленый. Это так называемые полихромные (многоцветные) турмалины.

Цвет минералов зависит от их внутренней структуры, от механических примесей и главным образом от присутствия элементов-хромофоров, то есть носителей окраски. Известны многие элементы-хромофоры, таковы Сг, V, Тi, Мп, Fе, Ni, Со, Сu, U, Мо и некоторые другие. Эти элементы могут быть в минерале главными, ведущими, например, Сu в малахите или Мn²⁺ в родоните, они образуют собственную окраску этих минералов, соответственно зеленую и розовую. С другой стороны, элементы-хромофоры могут быть в виде примесей. Примесь хрома, например, вызывает зеленую окраску в изумруде (разновидность берилла) и фуксите (разновидность мусковита), красную окраску в рубине (разновидность корунда) и пиропе (минерал из группы гранатов). Однако для многих минералов причины окраски еще неясны.

Умение правильно определить цвет минерала очень важно для геолога-поисковика. Зеленые и синие примазки малахита и азурита указывают на нахождение медных руд, розовые порошковатые налеты – на руды кобальта, бурые и ржавые окраски гидроокислов железа дают возможность сделать вывод о нахождении зоны окисления рудного месторождения.

Некоторые минералы имеют пеструю или радужную окраску поверхностного слоя – побежалость. Побежалость объясняется появлением тонких поверхностных пленок за счет изменения, например, окисления, минералов. Яркие фиолетовые и синие отливы побежалости характерны для минерала борнита Сu₅FеS₄, называемого также пестрой рудой. Желтая или пестрая побежалость свойственна халькопириту СuFеS₂, а темно-синяя – антимониту SЪ₂S₃.

Цвет черты. Минералы, твердость которых невелика, оставляют черту на неглазурованной фарфоровой пластинке. Цвет черты, или цвет минерала в порошке, может отличаться от цвета самого минерала. Так, черные по внешнему виду гематит, хромит, сфалерит оставляют соответственно вишнево-красную, желтую и темно-коричневую черту. Золотистый пирит и некоторые другие минералы не черного цвета дают черную черту.

Блеск. Различают минералы с металлическим и неметаллическим блеском (иногда выделяют еще металловидный блеск – гематит и др.). Металлический блеск имеют те минералы (независимо от их окраски), которые дают черную черту на неглазурованной фарфоровой пластинке. Неметаллический блеск характерен для минералов, дающих любую цветную или белую черту. Исключением являются только самородные элементы (золото, серебро, медь) и некоторые сульфиды (халькопирит), которые дают цветную черту, хотя относятся к минералам с металлическим блеском.

Среди неметаллических блесков обычно различают: алмазный – алмаз, киноварь, касситерит, рутил, циркон; стеклянный – кварц, флюорит, корунд, шпинель, сфалерит, дистен, гранаты, многие сульфаты и карбонаты; восковый – кремень, халцедон, галлуазит гарниерит; жирный – нефелин, шеелит, сера (в изломе); шелковистый – хризотил-асбест, гипс-селенит, волокнистый малахит, серицит; перламутровый – пластинчатый гипс; смолистый – уранинит, ортит.

Электрические свойства. Большое практическое значение имеют электрические свойства кристаллов (пиро- и пьезоэлектричество).

Пироэлектричество – электричество, возникающее в кристаллах в связи с изменением температуры. Пироэлектрические свойства проявляются только у тех кристаллов, которые не имеют центра симметрии. Наиболее сильно это свойство проявляется у кристаллов турмалина.

Пьезоэлектричество – электричество, возникающее в кристаллах при растяжении или сжатии (прямой пьезоэлектрический эффект). Если сжимать кристалл, на его концах могут возникнуть электрические заряды, при растяжении этого же кристалла на тех же концах также возникнут электрические заряды, но противоположные по знаку.

Пьезоэлектричество возможно лишь в тех кристаллах, которые имеют полярные оси, т. е. такие оси, противоположные концы которых нельзя совместить друг с другом имеющимися на данном кристалле элементами симметрии. Естественно, это будут те виды симметрии которые не имеют центра симметрии.

Хотя возникающие на гранях кристаллов пиро- и пьезоэлектрические заряды очень малы, их величину все же можно замерить. Если к кристаллу, обладающему пьезоэлектрическими свойствами, приложить переменное электрическое поле, то он будет сжиматься и растягиваться (обратный пьезоэлектрический эффект). Последнее свойство имеет особенно большое практическое применение. Оно используется для подводной связи, измерения морских глубин, передачи направленных радиосигналов, стабилизации длины волны радиоустановок, для измерения давления в стволах орудий при выстреле и в цилиндрах двигателей, для получения ультразвука и т. д.

Из природных кристаллов-пьезоэлектриков наибольшее применение находят прозрачные кристаллы горного хрусталя или пьезокварца, а из искусственных – кристаллы сегнетовой соли и некоторых других соединений. Ввиду недостатка природного сырья в настоящее время кристаллы пьезокварца выращивают искусственно.

Магнитностъ. Это свойство характерно для немногих минералов. Наиболее сильными магнитными свойствами обладает магнетит, или магнитный железняк, FеFе₂0₄, меньшими – пирротин. Эти минералы притягивают магнитную стрелку, а магнетит может удерживать небольшие металлические предметы. Некоторые минералы, содержащие железо, приобретают магнитные свойства после прокаливания в восстановительных условиях. Магнитность мелких зерен минерала проверяют притяжением их к магниту.

Люминесценция. Некоторые минералы при воздействии на них ультрафиолетовых, катодных или рентгеновых лучей могут излучать свет («холодное свечение»). Это излучение носит название люминесценции.

Минералы люминесцируют также при растрескивании, расщеплении (триболюминесценция), нагревании (термолюминесценция). По длительности свечения различают: флюоресценцию – свечение, прекращающееся после прекращения действия возбудителя, и фосфоресценцию – свечение, продолжающееся некоторое время после прекращения возбуждения.

Один и тот же минерал может люминесцировать разными цветами и обнаруживать люминесценцию разного рода. Особенно интенсивную люминесценцию минералов можно видеть в ультрафиолетовых лучах. Флюорит в них светится фиолетовым цветом, олунит – зеленым, шеелит – голубым, корунд – малиново-красным, кальцит – оранжево-желтым и т. д.

Люминесценция минералов имеет большое практическое значение для поисковых работ. Облучение забоев, образцов пород и руд, шлихов помогает установить присутствие в них алмаза, урановых минералов, шеелита, циркона и других полезных ископаемых.

Радиоактивность. Радиоактивностью называется превращение не­устойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого с излучением элементарных частиц. Радиоактивностью обладают минералы, содержащие радиоактивные элементы, в первую очередь уран, радий и торий.

Определение радиоактивности производится при помощи различных электроскопов, ионизационных камер и других приборов. Действие их основано на определении ионизации воздуха, вызываемой радиоактивным распадом элементов. Урановые минералы сильно действуют также на фотографическую пластинку. Если на фотопластинку положить на некоторое время штуф с минералами урана, то при проявлении пластинки на ней появятся черные пятна, соответствующие местам, где находились эти минералы.

Радиоактивность находит широкое применение при поисках урановых руд и при определении абсолютного возраста горных пород. Зная количество конечных продуктов распада урана – свинца и гелия – и скорость этого распада, можно достаточно точно вычислить абсолютный возраст горных пород, содержащих урановые минералы.

Из прочих физических свойств минералов можно отметить растворимость в воде и в кислотах, плавкость, хрупкость, ковкость, гибкость, упругость, а в некоторых случаях запах, горючесть, вкус и другие свойства. Некоторые из них интересны для диагностики минералов.

Под хрупкостью в минералогии понимается свойство крошиться под давлением или при ударе. Так, например, самородная сера и алмаз – очень хрупкие минералы, а самородное золото, медь, серебро – очень ковкие минералы. Ковкость их проявляется в том, что они могут быть легко расплющены на тонкие пластинки. Хрупкость у блеклых руд и ковкость у халькозина являются диагностическими признаками этих сульфидов.

Гибкость (свойство изгибаться) характерна для многих минералов. Так, гибкие листочки имеют кристаллы молибденита, хлоритов, талька, гидрослюд, но только у обычных слюд (мусковита, биотита и других) листочки в то же время и упругие, – они восстанавливают первоначальное положение при снятии напряжения. Хризотил-асбест также имеет гибкие волоконца в отличие, например, от хрупкого волокнистого гипса (селенита).

Лекция 5

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: