Диагностические свойства минералов
Все свойства минералов как твердых кристаллических тел зависят от их химического состава и внутреннего строения (кристаллической структуры). Их точная диагностика производится с помощью различных аналитических методов: химического, спектрального, рентгеноструктурного, электронно-микроскопического. Однако в полевой геологической практике часто возникает необходимость визуального определения минералов без использования лабораторных методов исследования. Простейшие свойства, по которым минералы определяются на глаз, называют диагностическими свойствами. Большинство из них являются физическими.
Следует помнить, что любой минерал может быть определен только по комплексу его диагностических свойств. Отдельные свойства могут быть одинаковыми у разных минералов или, наоборот, меняться у одного и того же минерала в зависимости от химического состава, наличия механических примесей, форм выделения. Лишь в редких случаях отдельные свойства бывают настолько характерными, что по ним одним можно диагностировать минерал. Все диагностические свойства минералов можно разделить на три группы: оптические, механические и прочие. Свойства двух первых групп определяются для всех минералов. К группе прочих отнесены свойства, используемые для диагностики только каких-то определенных минералов.
Оптические свойства
Цвет.
Минералы могут иметь самые различные цвета и оттенки. Одни минералы обладают постоянным цветом (лазурит - синий, киноварь - кроваво-красный, магнетит - черный), другие (кварц) могут быть различно окрашенными или бесцветными.
Цвет минералов в куске. Окрас минералов подразделяется на 3 типа:
Идеохроматические окраски (собственные), вызванные содержанием хромофоров или структурными факторами, например дефектами в структуре минералов.
Аллохроматические окраски, вызванные наличием механических примесей, обычно микровключений других минералов. Например, буро-коричневый авантюрин - кварц, содержащий тонко рассеянные чешуйки железной слюдки - гематита Fe3 O4.
Рис.1. Авантюрин
Псевдохроматические окраски, связанные с рассеянием света, интерференцией световых волн (побежалость, иризация, опалесценция).
На поверхности некоторых минералов имеется пестро окрашенная или радужная окраска приповерхностного слоя - побежалость. Она образуется чаще в результате окисления минералов. Пестрая побежалость синевато-голубоватых оттенков свойственна минералам, содержащим в составе медь. Красновато-коричневая, минералам, содержащим в своём составе железо (пирит).
Цвет минерала в порошке. Черта. У некоторых минералов цвет их в порошке отличается от цвета в куске. Например, пирит в куске соломенно-желтый, в порошке - зеленовато-черный. Чтобы получить порошок определяемого минерала, достаточно провести им по шероховатой поверхности фарфоровой пластинки (неглазурованной), на которой минералы, имеющие твердость не более 6 по шкале Мооса (рис. 4), оставляют порошкообразный след в виде черты.
Блеск. Блеск минерала обусловлен отражением от поверхности граней кристалла или излома. Тип и интенсивность блеска зависит, в основном, от характера поверхности и показателя преломления. По блеску минералы делятся на две группы:
1. Минералы с металлическим и металловидным блеском. При этом металлический, напоминает блеск свежего металла, а металловидный - блеск потускневшей поверхности металла. Характерные примеры минералов с металлическим блеском: пирит, галенит. Пример минералов с металловидным блеском: графит, сфалерит. Металлический и металловидный блеск присущ непрозрачным самородным металлам (золото, серебро, медь), многим сернистым соединениям (галенит, халькопирит) и окислам металлов (магнетит, пиролюзит).
2. Минералы с неметаллическим блеском. Неметаллический блеск характерен для светлоокрашенных, зачастую прозрачных минералов. Неметаллический блеск различается:
Алмазный. Самый сильный блеск, характерен для минералов - с высоким показателем преломления. Примеры: алмаз, киноварь.
Стеклянный. Напоминает блеск от поверхности стекла. Неметаллический блеск присущ прозрачным минералам. Характерен для минералов с невысоким показателем преломления. Примеры: кальцит, кварц.
Жирный. Блеск, как от поверхности покрытой пленкой жира. Такой блеск обусловлен взаимным гашением отраженных лучей света от неровной поверхности минерала. Примеры: нефелин, самородная сера.
Перламутровый. Напоминает радужные переливы перламутровой поверхности морской раковины. Характерен для минералов с весьма совершенной и совершенной спайностью. Примеры: слюда, гипс.
Шелковистый. Присущ минералам с волокнистым строением. Примеры: асбест.
Рис.2. Асбест
Матовый или тусклый. Наблюдается и минералов с очень тонко шероховатой поверхностью излома. Примеры: кремень, глина.
У некоторых минералов блеск на гранях кристаллов и на изломе различный. Так, например, у кварца на гранях блеск стеклянный, а на изломе - жирный. Тонкие плёнки на несвежей поверхности и налёты посторонних веществ также резко изменяют блеск минерала.
Физические свойства минералов
Физические свойства минералов имеют большое значение не только для их использования, но и для диагностики (определения). Они зависят от химического состава и типа кристаллической структуры. Физические свойства могут представлять собой скалярную величину, то есть постоянны во всех направлениях кристаллической решетки, или быть векторными. К последним, могут относиться твердость, спайность, оптические свойства.
Плотность. Плотность минералов измеряется в граммах на см3 (г/см3) и в значениях, у разных минералов, колеблется от 1 (жидкие битумы) до 23 (осмистый иридий). Основная масса минералов имеет плотность от 2,5 до 3,5, что определяет среднюю плотность земной коры в 2,7 - 2,8 г/см3. Минералы по плотности условно можно разделить на три группы: легкие, плотность до 3,0 г/см3; средние, от 3,0 до 4 г/см3; тяжелые, плотность более г/см3. Некоторые минералы легко узнаются по большой плотности (барит - 4,5, церрусит - 6,5). Минералы, содержащие тяжелые металлы, имеют большую плотность. Наибольшую плотность в мире минералов имеют самородные элементы - медь, серебро, золото, минералы группы платины.
В минералах одного и того же состава плотность определяется характером упаковки атомов в структурной ячейке кристалла. Наиболее яркие примеры: алмаз (3,5) и графит (2,2) - оба образованы из одного и того же вещества - углерода, но имеют различные кристаллические структуры. Другой пример: кальцит, имеет состав Ca, плотность 2,6 - 2,8 и арагонит, того же состава, но уже плотностью 2,9 - 3.0 г/см3. Для минералов, представляющих изоморфные ряды (структурное замещение атомов), увеличение или уменьшение плотности пропорционально изменению химического состава. Пример: в изоморфном ряду оливинов от форстерита Mg до фаялита Fe плотность увеличивается от 3,20 до 4,35 г/см3.
Удельные веса (плотность) минералов определяются в основном двумя способами:
Методом вытеснения жидкости, то есть путем взвешивания образца и измерения объема вытесненной им воды в сосуде. Так называемый весовой метод.
Путем определения потери в весе минерала, погруженного в воду (абсолютный вес образца делят на потерю им веса в воде), то есть согласно закону Архимеда.
Удельный вес мелких зернышек минерала определяется с помощью так называемого пикнометра или тяжелых жидкостей и весов Вестфаля, описываемых в специальных руководствах.
Спайность. Спайность - способность минерала раскалываться при ударе или другом механическом воздействии по определенным кристаллографическим плоскостям. Спайность связана со структурой кристалла и характером атомных связей. Вдоль плоскостей спайности силы связи оказываются более слабыми, чем вдоль других направлений. Плоскости спайности всегда обладают высокой плотностью атомов и во всех случаях параллельны возможным граням кристалла. Так, спайность пироксенов и амфиболов также непосредственно связана с их структурой, которая содержит цепочки кремнекислородных тетраэдров.
Рис.3. Флюорит
Спайность выявляют, прослеживая регулярные системы трещин в прозрачных минералах, таких как флюорит или кальцит, либо ровные отражающие плоскости, образующиеся при раскалывании кристаллов, что наблюдается у полевых шпатов, пироксенов и слюд. Следы плоскостей спайности играют важную роль определяющих направлений при оптическом изучении ксеноморфных зерен под микроскопом, не имеющих хорошо выраженных граней. Степень совершенства проявления спайности исследуемого минерала определяется путем ее сопоставления с данными следующей 5-ступенчатой шкалы:
Спайность весьма совершенная проявляется в способности кристалла расщепляться на тонкие пластинки. Получить излом иначе, чем по спайности в этих кристаллах чрезвычайно трудно (слюда, молибденит).
Спайность совершенная проявляется при ударе молотком в виде выколов, представляющих собой уменьшенное подобие разбиваемого кристалла. Так, при разбивании галита получают мелкие правильные кубики, при дроблении кальцита - правильные ромбоэдры (топаз, хромдиопсид, флюорит, барит).
Спайность средняя характеризуется тем, что на обломках кристаллов отчетливо наблюдаются как плоскости спайности, так и неровные изломы по случайным направлениям (полевые шпаты, пироксены).
Спайность несовершенная обнаруживается с трудом при тщательном осмотре неровной поверхности скола минерала (апатит, касситерит).
Весьма несовершенная, то есть практически отсутствует.
При раскалывании минералов, лишенных спайности или обладающих плохой спайностью, возникают незакономерные поверхности излома, который по внешнему облику характеризуется как: раковистый (опал); неровный (пирит); ровный (вюртцит); занозистый (актинолит); крючковатый (самородное серебро); шероховатый (диопсид); землистый (лимонит).
При обработке камня наличие спайности облегчает получение плоских поверхностей вдоль ее плоскостей, но затрудняет шлифовку и полировку других плоскостей, поскольку при обработке могут возникать трещины спайности. Кроме того, спайность может стать причиной сколов минералов в процессе их использования.
Твердость. Под твердостью минерала понимается его сопротивление механическому воздействию более прочного тела. Твердость минерала является важным диагностическим признаком. Существует несколько методов определения твердости. В минералогии действует шкала Мооса (рис. 4), построенная на основе эталонных образцов, расположенных в порядке увеличения твердости. Значение шкалы Мооса являются относительными и определены условно, методом царапания. То есть кварц оставляет царапину на полевых шпатах (ортоклаз), но не может поцарапать топаз. Процесс определения твердости минерала по шкале Мооса происходит так: если, например апатит (твердость= 5) царапает исследуемый минерал, а при этом сам образец может царапать флюорит (твердость = 4), то твердость образца определяем = 4,5. Эталоны шкалы Мооса могут заменить следующие предметы: лезвие стального ножа - твердость около 5,5, напильник - около 7, простое стекло - 5.
Рис.4. Шкала Мооса
Точные, научные количественные данные твердости минералов получают с помощью склерометров, и рассчитывают после определения глубины вдавливания алмазной пирамидки в исследуемый образец. Твердость в кристаллах может быть анизотропной (разной в различных направлениях кристаллической решетки). Характерным примером являются кристаллы дистена, твердость которых на плоскости совершенной спайности вдоль удлинения - 4,5, а поперек - 6.
Прочие физические свойства минералов
Некоторые дополнительные физические свойства минералов применяются для их диагностики. Перечислим основные.
Хрупкость. Под хрупкостью понимается свойство минералов крошиться под давлением или при ударе. Например: самородная сера и алмаз - очень хрупкие минералы.
Ковкость. Ковкость минералов в том, что они могут быть легко расплющены на тонкие пластинки. Пример: самородное золото, медь.
Гибкость. 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.
Люминесценция. Некоторые минералы при воздействии на них ультрафиолетовых, катодных или рентгеновских лучей могут излучать свет. Один и тот же минерал может люминесцировать разными цветами и обнаруживать люминесценцию разного рода. После снятия возбудителя, по длительности свечения различают: флюоресценцию (свечение прекращается сразу после снятия) и фосфоресценцию (свечение еще продолжается некоторое время). Особенно интенсивную люминесценцию минералов можно видеть в ультрафиолетовых лучах. Например: флюорит светится - фиолетовым цветом, шеелит - голубым, кальцит - оранжево-желтым. Немногие минералы могут люминесцировать при физическом воздействии на них: при нагревании (термолюминесценция), при раскалывании (триболюминесценция).
Радиоактивность. Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого с излучением элементарных частиц. Радиоактивностью обладают минералы, содержащие радиоактивные элементы, в основном уран, радий и торий. Определяют радиоактивность при помощи электроскопов, ионизационных камер, действие которых основано на определении ионизации воздуха, вызываемой радиоактивным распадом элементов.
Магнитность. Свойство характерно для немногих минералов. Наиболее сильным магнитным свойством обладает магнетит (FeFe2 O4 ), меньшим - пирротин. Минералы, обладающие сильным магнетизмом, называются - ферромагнитными. Другие железосодержащие минералы, обладающие более слабым магнетизмом - называются парамагнитными. Минералы, обладающие слабой отрицательной магнитной восприимчивостью (слабо отталкиваются магнитом) - диамагнитными. Некоторые минералы, содержащие железо, приобретают магнитные свойства только после прокаливания в восстановительных условиях, другие проявляют их лишь под воздействием электрического поля (пирит). Магнитность мелких зерен минерала проверяют притяжением их к магниту.