Основные свойства минералов

ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ МИНЕРАЛОВ

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее руководство призвано оказать помощь студентам, изучающим краткий курс инженерной геологии, в самостоятельной работе по определению минералов. Определитель составлен в форме таблицы, что упрощает выбор минерала, соответствующего набору определенных студентом свойств. Свойства минералов и характеристика классификационных групп приведены в специальных разделах.

Ключ к определителю рекомендует следующую последовательность работы:

1. Определение блеска минерала.

2. Определение твердости.

3. Определение цвета черты.

4. Выбор подходящих минералов по вертикальным графам определенных свойств пунктов 1, 2, 3.

5. Идентификация посредством определения прочих свойств по горизонтальным строкам определителя.

В конце пособия помещен алфавитный указатель описанных в нем 116 минералов и приведены их формулы.

I. СВОЙСТВА И ГЕНЕЗИС МИНЕРАЛОВ

Основные свойства минералов

Минералы – относительно конкретные и достаточно устойчивые химические соединения и самородные элементы, характеризующиеся строго постоянным внутренним строением. Обычно к минералам относят природные образования, возникшие в результате физико-химических процессов в недрах и на поверхности земной коры. Однако к ним нельзя не отнести и выращиваемые в лабораториях и на заводах драгоценные камни, минеральные образования, получаемые при моделировании геологических процессов, жемчуг, выращиваемый как аквакультура.

На сегодня известно до 4000 минералов. Разумеется, существуют различные их систематики. В пособии использован принцип, базирующийся на выделении классов, подклассов, групп дробных химических классификационных единиц. Деление на основе химической конституции отражает многие свойства минералов, позволяющие их диагностировать. В определителе приведены основные свойства наиболее типичных представителей самородных элементов, сульфидов, сульфатов, галоидов, фторидов, фосфатов, карбонатов, окислов и силикатов.

Основные свойства присущи всем минералам, поэтому диагностика основывается на различиях в характеристиках этих признаков. Кроме того, диагностике помогают дополнительные признаки, отражающие специфические свойства, присущие далеко не всем, и даже единственным в своем роде, минералам, но позволяющие быстро и однозначно идентифицировать их. В определителе учтены как основные (химизм, строение, минеральные агрегаты, твердость, плотность, спайность, излом, цвет, черта, блеск, генезис), так и дополнительные (магнитные и электрические свойства, гигроскопичность, запах, вкус, горючесть, упругость, ковкость, радиоактивность) свойства и приведены сведения относительно практического использования минералов.

Строение минералов. В природе существуют твердые, жидкие и газообразные минеральные образования. Твердые минералы могут быть кристаллическими и аморфными. Кристаллические состоят из множества одинаковых структурных элементов, образующих упорядоченную пространственную (кристаллическую) решетку. Различают атомный, ионный и молекулярный типы решеток, которые определяют анизотропность (различные свойства), изотропность (одинаковые свойства) кристаллов и их способность самоограняться. Кристаллы – как природные, так и искусственные – имеют форму многогранников. Они могут быть изотропными и анизотропными. Аморфные минералы всегда изотропны. Способность веществ при одинаковом химическом составе кристаллизоваться в разных формах называется полиморфизмом (многоформностью). Например: алмаз и графит, пирит и марказит, кальцит и арагонит. Разная структура полиморфных разновидностей объясняет их различные свойства. Некоторые вещества разного химического состава могут образовывать сходные кристаллографические формы. Такие вещества могут создавать смешанные формы, содержащие исходные компоненты в разной пропорции. Это явление называется изоморфизмом, а смеси именуются изоморфными. В качестве примера можно назвать полевые шпаты, изоморфный ряд которых формируется при смешивании альбитовой и анортитовой молекул.

В природных условиях чаще всего вырастают не вполне правильные кристаллические формы, имеющие некоторые дефекты, но при любых изъянах углы между соответствующими гранями кристаллов одного и того же вещества остаются одинаковыми и постоянными. Этот закон постоянства гранных углов дает возможность устанавливать идеальную форму кристаллов и точно диагностировать мельчайшие минеральные зерна.

Разная степень симметрии кристаллов объясняется различными комбина-циями плоскостей, осей центров и симметрии в них. Таких комбинаций может быть 32, и называются они классами (или видами) симметрии. Последние объединяются в 7 систем, или сингоний: кубическую, тетрагональную, гексагональную, ромбическую, тригональную, моноклинную и триклинную. Кубические кристаллы обладают высшей симметрией: их простейший элемент – куб, они изотропны. Кристаллы гексагональной, тетрагональной и тригональной сингоний характеризуются средней симметрией. Они имеют столбчатый, шестоватый, игольчатый, листоватый, таблитчатый, пластинчатый габитус (облик) и шести-, четырех- и трехгранные сечения (соответственно), перпендикулярные длинной оси. Анизотропность выражается в различии основных свойств по длинным и коротким осям. Ромбическая, моноклинная и триклинная сингонии относятся к низшей группе симметрии. Им свойственны весьма разнообразные формы с анизотропными свойствами. У ромбических кристаллов сечение, перпендикулярное длинной оси, имеет форму ромба.

Природные минеральные формы (скопления). Природные скопления минеральных зерен, или кристаллов, принято называть минеральными агрегатами. Они могут быть моно- и полиминеральными, т.е. состоять из одного или нескольких минералов. Форма минеральных агрегатов зависит от их состава и условий формирования.

Группа кристаллов, наросших на общем основании, образует друзу. Друза с ориентированными в одном направлении мелкими сросшимися кристаллами называется щеткой. Эти формы образуются при кристаллизации минералов в пустотах горных пород (кварц, кальцит, гипс). Тот же генезис имеют секреции – минеральные образования, частично или полностью выполняющие полости и растущие от периферии к центру. Секреции могут образовывать как аморфные (халцедон), так и кристаллические (кварц, кальцит) минералы. Крупные секреции именуют жеодами, мелкие – миндалинами.

Желваковые образования, возникшие в рыхлых осадочных образованиях на дне древних и современных водоемов как результат стяжения минерального вещества вокруг инородных центров кристаллизации, именуются конкрециями. Конкреции растут от центра к периферии, по строению могут быть радиально-лучистыми и концентрическими. Их формы и размеры весьма различны. Мельчайшими конкрециями являются оолиты (кальцит, арагонит, фосфорит, кремень, сидерит, железомарганцевые конкреции дна современного океана).

В пустотах, в том числе и в пещерах, широко распространены натечные формы. Они могут иметь самый различный размер и состав (кальцит, малахит, глинистые минералы, лед и т.д.). Это прежде всего сталактиты, сталагмиты и сталагнаты, почковидные и гроздевидные образования пещер.

При быстрой кристаллизации в мелких трещинах и глине солей, выпадающих из подземных вод, образуются тонкие ветвистые древовидные образования – дендриты. Наиболее часто обнаруживаются дендриты самородной меди, железистых и марганцевых соединений и т.п.

Минеральные агрегаты неупорядоченных зерен и кристаллов делят на крупно- (более 3 мм), средне- (1–3 мм) и мелкозернистые (менее 1 мм). Облик их может быть не только зернистый (кристаллический), но и пластинчатый, листоватый, шестоватый, полосчатый, волокнистый, оолитовый и т.д. Именно характер минеральных агрегатов определяет структурно-текстурные признаки горных пород. Агрегаты неразличимых под лупой зерен именуют скрытокристаллическими; мягкие, пачкающие руки, напоминающие рыхлые почвы – землистыми (каолин, боксит, лимонит и т.д.).

Ложные формы, не соответствующие истинному габитусу слагающего их вещества, называются псевдоморфозами. В соответствии с генезисом различают псевдоморфозы превращения, или метаморфозы, как, например, образование лимонита по пириту; вытеснения (халцедона, кремня по кальциту), выполнения (опала, лимонита по дереву).

Физические свойства минералов определяют набор его основных признаков, к которым следует относить: твердость, плотность, спайность, излом, цвет, черту, блеск.

Твердость, или сопротивление разрушению при диагностике определяют царапанием одного минерала другим. Таким способом выясняют, какой минерал тверже, т.е. определяют относительную твердость. Определения производятся по 10-балльной шкале Ф. Мооса, состоящей из 10 минералов, в которой каждый последующий минерал на балл тверже предыдущего и поэтому царапает его. Ниже приведена шкала Ф. Мооса с некоторыми практическими рекомендациями.

1. Тальк (скоблится ногтем).

2. Гипс (царапается ногтем).

3. Кальцит (скоблится ножом).

4. Флюорит (легко царапается ножом).

5. Апатит (трудно царапается ножом).

6. Ортоклаз (трудно царапается стеклом).

7. Кварц, (не царапаются стеклом).

8. Топаз, (оставляет царапину на ноже и стекле).

9. Корунд, (оставляет царапину на ноже и стекле).

10. Алмаз, (оставляет царапину на ноже и стекле).

При определении твердости не следует путать царапину с чертой. С черты пыль породы бесследно стирается пальцем. Надо помнить, что анизотропные минералы имеют разную твердость по различным направлениям, а скрытокристаллические, пористые и порошковатые массы всегда мягче кристаллов с хорошей огранкой (охра гематита – 1, кристалл гематита – 6).

Плотность (удельный вес) – всегда отражает химический состав и структуру минерала. Ее определяют приблизительно, “взвешивая” минерал на ладони. Обычно выделяют три весовые категории: легкие (до 3 г/см³), средние (3–4 г/см³) и тяжелые (более 4 г/см³) минералы. При удельном весе более 10 г/см говорят об очень тяжелых минералах. К ним относят самородные золото, серебро, платину, ртуть. Самый тяжелый минерал, известный на Земле, – осмистый иридий, имеющий плотность 23 г/см³. Большая часть минералов, слагающих земную кору, – это легкие и средние минералы.

Спайность – это способность минералов раскалываться (расщепляться) по параллельным ровным блестящим поверхностям, именуемым плоскостям спайности. Спайность – свойство исключительно кристаллических минералов. Плоскость спайности соответствует грани кристалла. Выделяют следующие виды спайности:

- весьма совершенная – минерал легко расщепляется на листочки, пластинки (слюды, тальк, пластинчатый гипс);

- совершенная – при ударе молотком образуются обломки, ограниченные плоскостями спайности (кальцит, галит);

- средняя – обломки ограничены как плоскими, так и неровными границами (ортоклаз, авгит);

- несовершенная – плоскости спайности обнаруживаются редко (апатит, оливин);

- весьма несовершенная – плоскости спайности практически отсутствуют (кварц, пирит, магнетит).

Излом – поверхности раскола, ориентированные вопреки спайности. Различают раковистый (халцедон, кремень, кварц), занозистый (селенит, асбест), зернистый (горные породы), землистый (боксит, лимонит, ступенчатый (ортоклаз, галенит) и др. поверхности излома.

Цвет нельзя считать основным диагностическим признаком минералов, ибо он переменчив и зависит от многих факторов. Это и структурные особенности, и присутствие красителей (хромофоров), механических примесей, трещин и пустот. Цвет контролируется и такими параметрами среды, как температура, влажность и т.д. Восприятие цвета глазами также не однозначно. Однако ряд минералов имеет постоянную окраску. Например, галенит всегда серый, киноварь – красная, малахит – зеленый, лазурит – синий и т.д. Примеси же, обусловливающие различия в окраске и оттенки, очень часто дают информацию о химическом составе. Например, в группе гранатов магниево-алюминиевый пироп – темно-красный, кальциево-алюминиевый гроссуляр – светло-зеленый, кальциево-железистый андрадит – буровато-зеленый и т.д. (см.: Определитель. “Гранаты”, № 75). Описывая цвет минерала, следует охарактеризовать основной цвет, его глубину и оттенок. Например: темно-серый с голубоватым оттенком (для молибденита). В минералогии зачастую используют нестандартные характеристики цвета типа: “кошенильно-красный”, “фисташковый”, “латунно-желтый”, “соломенно-желтый” и т.д. Однако, несмотря на образность таких определений, лучше применение их свести до минимума.

Черта (цвет черты) – это след, который остается на неглазурованной фарфоровой пластинке (бисквите), если чертить по ней минералом. В ряде случаев он совпадает с цветом минерала в куске (киноварь, магнетит, малахит и т.д.). Но многие минералы характеризуются резкими отличиями в цвете черты и куска (пирит, гематит). Черта – более постоянный, нежели цвет в куске, диагностический признак.

Цвет и черту следует определять в свежем изломе.

Блеск отражает как внутреннее строение, так и характер отражающей поверхности минерала. Легко различаются минералы с металлическим блеском. Минералы с металлическим и металловидным блеском чаще всего имеют черную или очень темную черту (магнетит, галенит, графит); минералы с белой и цветной чертой обычно обладают неметаллическим блеском (гипс, сера, киноварь). В группе минералов с металлическим блеском исключение представляют: самородное золото, медь, серебро, платина, халькопирит и блеклые руды. Имея металлический блеск, они дают цветную черту: золото – зеленоватую, серебро – серебряно-белую, медь – медно-красную, халькопирит – зеленоватую, блеклые руды – темно-бурую. Неметаллический блеск разделяют на: полиметаллический (минерал имеет блеск металла, но черта и порошок у него цветные), алмазный, стеклянный, жирный, шелковистый, перламутровый, матовый и т.д.