• Минералогия изучает свойства слагающих земную кору минералов и разнообразные процессы, приводящие к их образованию. Минералы - природные химические соединения или самородные элементы, возникающие в результате разнообразных физико-химических процессов, происходящих в земной коре и на ее поверхности. • В природе известно более 2000 минералов (по И. Костову, 1971), и только 50 из них наиболее широко распространены и входят в состав многочисленных горных пород. Многие из этих минералов содержатся в почве, оказывают влияние на ее физикохимические свойства, в том числе и на плодородие. Такие минералы называются минералами ПОЧВЕННОГО СКЕЛЕТА, или ПОЧВООБРАЗУЮЩИМИ. Все минералы отличаются друг от друга физическими свойствами и химическим составом. Большинство минералов твердые (кварц, полевой шпат, кальцит и т.д.), но встречаются также жидкие (ртуть, нефть, вода) и газообразные минералы (сероводород , углекислый газ ). Все минералы отличаются друг от друга физическими свойствами и химическим составом. Среди физических свойств наиболее важными для распознавания являются: окраска, блеск, спайность и излом, прозрачность, плотность, а также форма кристаллов. Некоторые минералы имеют специфические (не присущие другим минералам) свойства. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МИНЕРАЛОВ • Большинство встречающихся в природе минералов относят к телам кристаллическим. Кристаллические вещества способны самоограняться, принимать форму многогранников, ограниченных плоскими гранями, способны образовывать кристаллы строго определенной формы, характерной для данного соединения. •Вторая особенность кристаллических тел - анизотропность (неравносвойственность), т.е. свойства (механические, оптические и др.) в кристаллах изменяются в зависимости от направления. • Атомы, ионы и молекулы в кристаллах строго упорядочены и образуют кристаллическую решетку. Различают 3 типа кристаллических решеток: атомную (кальцит), ионную (сильвин), молекулярную (аспирин). • В каждом кристалле различают грани, ребра, и вершины. • Гранями называют плоские ограничения кристаллов. • Линии, разделяющие грани, образуют ребра. • Точка, в которой пересекается несколько граней, представляет собой вершину кристалла. При благоприятных условиях и равномерном притоке вещества кристалл развивается в правильный многогранник. В природе эти условия соблюдаются редко - в результате образуются кристаллы неправильной формы. Флюорит на кварце Эльбаит, с кварцем и альбитом • Кристаллы одного и того же минерала могут иметь разную форму, величину и число граней, но углы между соответствующими гранями всегда постоянны. Эта закономерность позволяет установить истинную форму кристаллов, даже изучая искаженные формы. У идеальных кристаллов наблюдается симметрия (закономерное повторение граней, ребер и вершин). В кристаллах наблюдаются следующие элементы симметрии: • Плоскость симметрии - это воображаемая плоскость, которая делит кристалл на две равные части, расположенные относительно друг друга, как предмет и его зеркальное изображение Центр симметрии (С) воображаемая точка внутри кристалла, в которой пересекаются и делятся пополам линии, соединяющие точки на поверхности кристалла. • Ось симметрии (L) - линия, вокруг которой кристалл при вращении на 360° несколько раз повторяет свое начальное положение в пространстве. Порядок оси симметрии определяется числом совмещений, происходящих при повороте фигуры вокруг оси на 360°. В кристаллах могут присутствовать только оси симметрии второго (L2), третьего (L3), четвертого (L4) и шестого (Le) порядков. Ось симметрии первого порядка во внимание не принимается, т.к. любая фигура при повороте на 360° неизбежно совместится со своим изображением. Ось симметрии третьего порядка Ось симметрии второго порядка По элементов симметрии все многообразие кристаллических форм объединяется в семь сингоний (систем) Таблица 1 Характеристика элементов симметрии в кристаллографических сингониях Категория Сингония Набор элементов симметрии Низшая Ромбическая Несколько осей 2-го пордка и плоскостей симметрии 3 или 6; осей высшего порядка нет Моноклинная Несколько осей 2-го порядка и плоскостей симметрии 1 или 2 , осей высшего порядка нет Триклинная Нет элементов симметрии или есть только центр симметрии, осей высшего порядка нет Основные формы низших сингоний. 1 — ромбическая; 2 — моноклинная; 3 — триклинная Моноклинная сингония малахит Гипс СаСО3 ·2Н2О Триклинная сингония Амазонит, микроклин [К(Аl,Si3O8)] Ромбическая сингония Топаз, ограненный 7,033 карат Топаз, Топаз, с альбитом и кварцем Al2SiO4(F2OH)3 Таблица 1 Характеристика элементов симметрии в кристаллографических сингониях Категория Средняя Сингония Набор элементов симметрии Тригональная Имеется ось третьего порядка L3 и несколько осей L2 Тетрагональная Имеется ось четвертого порядка L4 и несколько осей L2 Гексагональная Имеется ось шестого порядка L6 и несколько осей L2 Наиболее часто встречающиеся формы средних сингоний: 1 —гексагональная призма; 2 — тригональная призма; 3 — ромбоэдр; 4 — тетрагональная призма; 5 — гексагональная дипирамида; 6 — тригональная дипирамида; 7—тетрагональная дипирамида Тригональная сингония Кальцит СаСО3 Формы кристаллов. По строению все кристаллы делятся на 2 группы • Простые формы состоят из одинаковых граней, имеющих симметричное расположение. Число типов простых форм строго ограничено (47). • Второй тип кристаллов представляет собой комбинацию, состоящую из сочетания в одном кристалле нескольких простых форм (гексогональная пирамида). • Простые формы могут быть как замыкающие пространство целиком (закрытые формы), так и открытые, не замыкающие пространство со всех сторон. Очевидно, что простые формы у кристаллов не могут существовать изолированно, а обязательно должны входить в состав более сложных комбинаций. • Для определения числа простых форм, входящих в данную комбинацию, следует установить, сколько различных видов граней имеется у изучаемого кристалла. Наиболее часто встречающиеся формы кубической сингоний: : 1 — куб; 2 — октаэдр; 3 — ромбический додекаэдр; 4 — пентагондодекаэдр; 5 — тетрагонтриоктзэдр; 6 — тетраэдр корунд флюорит пирит Минералы , кристаллизующиеся в кубической сингонии • Кристаллические тела отличаются от аморфных. Аморфное состояние - состояние твердого тела, при котором его частицы (молекулы) расположены беспорядочно. Аморфные вещества изотропны (равновесны), их свойства во всех направлениях одинаковы. Опал ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ Окраска • Окраска бывает обусловлена двумя причинами: за счет хромофоров (идиохроматическая окраска, например, малахит) и за счет механических примесей (аллохроматическая окраска горный хрусталь, аметист, морион, раухтопаз). малахит аметист Кварц (раухтопаз) Розовый кварц • • Для многих минералов цвет является важным диагностическим признаком, и свое название они получили именно благодаря своей окраске: гематит gematicos - кровавый, альбит - albus - белый, рубин - ruber - красный, аурипигмент - auram - золотистый. Некоторые же минералы имеют непостоянный цвет: например, кальцит в зависимости от примесей может иметь белую, желтую, красноватую, зеленую, голубую, фиолетовую и даже черную окраску. Наблюдать окраску необходимо на свежем изломе, так как за счет выветривания на куске минерала появляется тонкая пленка вторичных минералов, которая может отличаться от исходной. кальцит кальцит В зависимости от примесей один минерал может иметь множество окрасок и соответствующих разновидностей Разновидности Разновидности Разновидности кварца кальцита флюорита Разновидности берилла Окраска также бывает неоднородной - пестрой, многоцветной зонарной. турмалин опал малахит Цвет минерала в куске и в порошке может не совпадать. Чтобы узнать окраску в порошке, достаточно определить цвет его черты, т.е. провести куском минерала по неглазурованной фарфоровой пластинке (бисквиту). Черту дают не все минералы, а только минералы мягкие и средней твердости. Твердые минералы черты не дают, но могут царапать бисквит, создавая видимость черты. Можно считать, что минерал дает черту, если она стирается пальцем. Блеск пирит Блеск минерала зависит от количества отраженного света, т.е. от показателя преломления (n). Разделяют МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ и НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ блески. Металлический блеск имеют минералы с показателем преломления более 3. Такие минералы напоминают блеск свежего излома металлов, они непрозрачные и тяжелые. Среди минералов, имеющих металлический блеск, есть самородные элементы, многие сульфиды (пирит FeS, галенит PbS), некоторые оксиды (пиролюзит МпО ). пирит медь золото Полуметаллический, или металловидный, блеск (у минералов с n=2,6-3,0) напоминает блеск потускневшего от времени металла; наблюдается у гематита (Fe2O3). гематит Неметаллический блеск характерен для минералов с показателем преломления n менее 2,6. Различают следующие виды неметаллических блесков: Голубой алмаз • АЛМАЗНЫЙ (п = 2,6-1,9) - сильный лучистый блеск (алмаз, самородная сера, цинковая обманка-сфалерит) Желтый бриллиант 325 бриллиантов в платиновом колье общим весом 131,4 карата (Вашинтон, Смисоньевский музей естествознания) • СТЕКЛЯННЫЙ (п = 1,9-1,3) - напоминает блеск поверхности стекла (галит, кальцит, ортоклаз, большинство окислов, силикатов, карбонатов и галоидов); Вульфенит Гипс, СаСО3 ЖИРНЫЙ блеск - наблюдается у минералов с неровной поверхностью (за счет того, что часть отражаемого света рассеивается) - тальк, нефелин, сера; Родохрозит, MnCO3 опал ВОСКОВОЙ (слабожирный) блеск - образуется за счет очень неровной поверхности – халцедон, опал; опал ПЕРЛАМУТРОВЫЙ блеск - наблюдается у минералов с хорошо выраженной спайностью на плоскостях спайности (за счет интерференции) - кальцит, биотит; опал Жемчуг, разновидность кальцита ШЕЛКОВИСТЫЙ блеск - наблюдается у минералов с параллельно волокнистым строением - селенит (волокнистый гипс), асбест. Минералы, у которых блеск отсутствует, называют МАТОВЫМИ (пиролюзит, каолинит, различные охры) каолинит азурит Прозрачность • • Прозрачность - способность минералов пропускать через себя часть падающего светового потока. Прозрачность зависит от физико-химических свойств вещества. По прозрачности все минералы делят на: ПРОЗРАЧНЫЕ (горный хрусталь, кальцит, аметист, топаз); • ПОЛУПРОЗРАЧНЫЕ (опал, киноварь); Некоторые минералы просвечивают в тонких обломках, они называются ПРОСВЕЧИВАЮЩИМИ ПО ТОНКОМУ КРАЮ (халцедон, биотит, кварц, полевой шпат). Полевой шпат В некоторых минералах (исландский шпат) из-за резкой анизотропности оптических свойств величина преломления зависит от направления световых колебаний, поэтому входящие световые лучи раздваиваются, и мы имеем двойное изображение. Плотность Плотность или удельная масса 1 кубического см минерала Cassiterite, изменяется в широких пределах от 0,9 г/см3 (лед) до 23 г/см3 (группа осмистого плотность 4,3 г/см3 иридия). Большинство минералов имеет Гипс, Микроклин, плотность 2,5-4,0 г/см3, поэтому плотность может служить плотность г/см3 плотность г/см3 диагностическим признаком только для тяжелых минералов, содержащих свинец, вольфрам, барий. Все минералы по плотности делят на три группы: • - ЛЕГКИЕ (плотность менее 2,9 г/см3) - сера, гипс, полевой шпат, кальцит, галит; • - СРЕДНИЕ (плотность 2,9-4,0 г/см3) - кварц, биотит, роговая обманка, апатит, лимонит; • - ТЯЖЕЛЫЕ (плотность более 4,0 г/см3) - сфалерит, пирит, галенит. Непрозрачные минералы с металлическим блеском обычно тяжелые, а прозрачные со стеклянным блеском - сравнительно легкие. • Плотность минерала зависит не только от химического состава, но и от структуры вещества: так, пирит FeS, кристаллизующийся в кубической сингонии, имеет плотность 4,9-5,2 г/см3, а марказит FeS , кристаллизующийся в ромбической сингонии 4,6-4,9 г/см3. • В лабораторных условиях плотность определяют пикнометрическим методом или в тяжелых жидкостях. В полевых условиях надо научиться определять плотность приблизительно (к какой группе относится), взвешивая кусок минерала на левой руке. Спайность Спайностью называется способность минералов распадаться при ударе по определенным кристаллографическим направлениям на куски с образованием зеркальных поверхностей - плоскостей спайности. У минералов различают следующие виды спайности: • • • • ВЕСЬМА СОВЕРШЕННАЯ - минералы легко расщепляются на пластинки, чешуйки, листочки (гипс, слюда, сильвин); СОВЕРШЕННАЯ - минерал раскалывается в определенном направлении (или в нескольких направлениях) с образованием ровных плоскостей. Совершенная спайность в одном направлении наблюдается у гипса, в двух направлениях - у ортоклаза, в трех направлениях -у кальцита, галита, в четырех - у флюорита, в шести - у сфалерита; НЕСОВЕРШЕННАЯ - обнаруживается с трудом на обломках минерала, значительная часть обломков ограничена неправильными поверхностями излома (апатит, берилл, сера); СПАЙНОСТЬ ОТСУТСТВУЕТ, если минерал раскалывается по случайным направлениям и дает неровные поверхности излома (кварц, пирит). Следует отличать плоскости спайности от граней кристаллов, которые у кварца, например, выражены четко. У минералов зернистой структуры спайность наблюдается у каждого зерна в отдельности. Излом Кальцит, Форма поверхности, возникающая ровный при расколе изломминерала, называется изломом. Минералы, обладающие спайностью, дают РОВНЫЙ излом (кальцит, галит). У минералов, не обладающих спайностью, выделяют следующие виды излома: РАКОВИСТЫЙ - похожий на внутреннюю поверхность раковины (опал, халцедон, обсидиан); Опал, раковистый излом • ЗЕРНИСТЫЙ - у минералов, имеющих зернистое строение (кварц, сильвин, кальцит); Кальцит, зернистый излом • НЕРОВНЫЙ - представляет собой неровные поверхности без блестящих спайных участков (лимонит, апатит); • ЗАНОЗИСТЫЙ - присущ минералам волокнистого сложения (асбест, волокнистый гипс-селенит, иногда роговая обманка); ЗЕМЛИСТЫЙ - характерен для глинистых минералов (каолинит, монтмориллонит); КРЮЧКОВАТЫЙ - поверхность излома покрыта мелкими крючочками (самородные медь, золото,серебро). Золото, крючковатый излом Малахит, землистый излом Твердость Твердость - это степень сопротивления, которое оказывает поверхность испытываемого минерала царапанию острия (или степень истирания). Для определения твердости минерала необходимо выбрать гладкую плоскость, без включений других минералов, провести по ней, слегка надавливая, острым углом другого минерала, сдуть порошок и убедиться, что осталась царапина. Твердость измеряется в кг/мм2: например, тальк имеет твердость 2,4 кг/мм2, кварц - 1120 кг/мм2, алмаз - 10060 кг/мм2. Для оценки относительной твердости существует набор минералов - шкала Мооса: • • • • • • • • • • 1-тальк [(Mg3(OH)2(Si4O10)]; 2 - гипс CaSO4 * 2Н2О; 3 - кальцит СаСО3; 4 - флюорит CaF2 - плавиковый шпат; 5 - апатит [Са5(ОН,Р,С1)(РО4)з]; 6 - ортоклаз [К(А1, Si3O8)] - полевой шпат; 7 - кварц SiO2; 8 - топаз Al(SiO2)(F,OH); » 9 - корунд А12О3; 10 - алмаз С. Кроме шкалы Мооса существует ряд легкодоступных предметов, имеющих известную твердость: • ноготь - 2,5; • медная монета - 3; • стекло - 5,0-5,5; • острие железного гвоздя - 4; • острие перочинного ножа - 5,6-6,0; кварц - 7. По твердости все минералы делят на 4 группы: • МЯГКИЕ - ноготь оставляет царапину на минерале, легко крошится ногтем (тальк, графит, гипс): • СРЕДНЕЙ ТВЕРДОСТИ - ноготь не оставляет царапины, а испытуемый минерал не царапает стекло, т.е. твердость составляет 2,5-5 (кальцит, халькопирит); • ТВЕРДЫЕ - оставляют царапину на стекле, но не оставляют на горном хрустале (кварце) - полевой шпат, гематит, халцедон; • ОЧЕНЬ ТВЕРДЫЕ - минерал оставляет царапину на горном хрустале (топаз, корунд, алмаз). Твердость - это векторное свойство, т.е. зависит от направления и кристаллографического значения грани, которая подвергается испытанию. Например, у дистена (трехклинная сингония) в удлиненном направлении твердость 4,5, а в перпендикулярном - 6-7. Аморфные и порошковатые разности многих минералов обладают ложными малыми твердостями (гематит в кристаллах - 6, а в виде красной охры - 1). Специфические свойства Специфические свойства минералов присущи не всем, а только некоторым минералам. Выделяют следующие специфические свойства: • • • • • ВКУС - имеют некоторые растворимые в воде минералы (галит -соленый; сильвин - горько-соленый; мирабилит - холодящий соленый; квасцы - кислый); МАГНЕТИЗМ - свойство отклонять магнитную стрелку компаса или притягиваться к магниту. Магнетизмом обладают минералы, содержащие Fe, Co, Ni (магнетит, пирротин, магнитный колчедан); РАСТВОРИМОСТЬ в кислотах. Одно из важных свойств минералов группы карбонатов - растворимость в соляной кислоте. Малахит, кальцит вскипают от НСl на холоде; доломит (MgCO3, CaCO3) вскипает от НСl в измельченном состоянии; магнезит MgCO3 - при подогревании и кипячении. Сульфаты (внешне очень похожие на карбонаты) от соляной кислоты не вскипают; ЗАПАХ - имеют не все минералы. Фосфориты при трении друг о друга дают запах жженой кости; янтарь, сера - характерный запах спичек; пирит, марказит при выбивании из минерала искры дают запах сероводорода; арсенопирит и другие мышьяковистые минералы -запах чеснока; КОВКОСТЬ и ХРУПКОСТЬ. Ковкие минералы при ударе сплющиваются, при царапании остается блестящий след, порошки не дают. Хрупкие минералы при ударе рассыпаются, а при царапании дают порошок. Формы нахождения минералов • • • Формы нахождения минералов в природе могут помочь распознать минерал. Скопления минералов в виде зерен или кристаллов могут иметь следующие формы: ЗЕМЛИСТЫЕ - напоминают рыхлую почву, растираются между пальцами (каолинит, охра); ПЛОТНЫЕ - нельзя различить контуры отдельных зерен (халцедон, опал); опал амазонит монтмориллонит ЗЕРНИСТЫЕ - мелкие сросшиеся зерна минералов (апатит, оливин); ИГОЛЬЧАТЫЕ (или призматические) - кристаллы удлиненной формы (роговая обманка, волокнистый гипс, асбест); ЛИСТОВАТЫЕ (или пластинчатые) - кристаллы легким усилием расщепляются на листочки, чешуйки (слюды); ДРУЗЫ - сростки кристаллов, прикрепленных к одному основанию (горный хрусталь, гипс, галенит); Друза Друзакварца горного хрусталя Друза аметиста Друза гипса ДЕНДРИТЫ - ветвистые, древовидные агрегаты, получающиеся при быстрой кристаллизации минералов (самородная сера, серебро). Некоторые дендриты получаются при коагуляции коллоидов (оксиды марганца и железа); КОНКРЕЦИИ - агрегаты шарообразной формы (желваки) иногда с радиально-лучистым строением внутри; рост агрегатов осуществляется от центра к периферии (фосфорит, марказит); гематит малахит СЕКРЕЦИИ (или жеоды) - полости и пустоты в горной породе отчасти заполненные минеральным веществом, рост которого происходит от периферии к центру (аметист, кальцит); НАТЕЧНЫЕ формы - возникают в результате выделения минералов из растворов при испарении (кальцит, оксиды железа); Сталагмиты кальцита Сталагмит малахита ООЛИТЫ - небольших размеров шарики, имеющие концентрическискорлуповатое строение. Шарики могут быть сцементированными или находиться в рыхлом состоянии (пиролюзит оолитовый, иногда боксит); НАЛЕТЫ. ПРИМАЗКИ - тонкие пленки минералов гидроокислов железа встречаются на горном хрустале, примазки малахита - на медных породах; ВЫЦВЕТЫ - периодически появляющиеся отложения солей (легко растворимые сульфаты и хлориды) на поверхности сухих почв. Во влажные периоды они исчезают. Отдельные кристаллы эльбаита и турмалина •Photo by Chip Clark Октаэдрический кристалл флюорита на кристалле кварца Photo by Chip Clark
