Химический состав и формулы минералов

Для выяснения химического состава минерала производят его химический анализ и определяют химическую формулу минерала. Формулы могут быть эмпирическими, показывающими только химический состав, и структурными, дающими представление о пространственном расположении атомов в минерале и их связь между собой. Для некоторых минералов структурные формулы ещё не установлены. Но благодаря рентгеновским методам исследования во многих случаях удалось определить взаимоотношения атомов в кристаллических структурах минералов. Этими вопросами связи химизма со строением вещества и его свойствами занимается кристаллохимия.

В минералах важно выявить катионы и анионные комплексы, характеризующие типы кристаллических структур. При написании формул минералов анионные комплексы отделяют от катионов квадратными скобками, например, сидерит Fe[CO₃]. Следует иметь в виду, что эмпирические формулы минералов не отображают особенностей их внутреннего строения и в минералогии они в настоящее время заменены структурными формулами. Так, эмпирическая формула минерала мусковита H₂KAl₃Si₃O₁₂, а структурная KAl₂[AlSi₃O₁₀](OH,F)₂. Последняя показывает, что в структуре мусковита имеется сложный анионный комплекс и что вода в мусковите находится не в виде H₂O, а в виде гидроксила (OH)^- , причём этот гидроксил может быть в свою очередь замещён F^-.

В минералогии нередко различают безводные и водные минералы (сульфаты, фосфаты, карбонаты и др.). К водным относятся те минералы, которые имеют в своём составе электрически нейтральные молекулы воды. Вода в составе минералов может быть связанной и свободной. Связанная, или кристаллизационная, вода входит в кристаллическую решётку минералов, занимая в ней определённые места. Примерами могут быть некоторые карбонаты и сульфаты, например гипс. Свободная вода не участвует в строении кристаллической решётки минералов, количество её может быть различным в зависимости, например, от температуры. Примерами свободной воды является вода цеолитов. И, конечно, вся гигроскопическая вода, удерживающаяся в микроскопических трещинах минералов и пород силами поверхностного натяжения, также является свободной. Она удаляется при нагревании до 110°С. Гидроксилсодержащие минералы в строгом смысле не могут быть названы водными. Между электрически нейтральной молекулой воды H₂O и отрицательно заряженным ионом гидроксила (HO)^- существует принципиальная разница. Гидроксил (HO)^- может замещать в минералах такие ионы как Cl^- и Fe^-, он прочно удерживается в кристаллических решётках, а молекулы воды этими свойствами не обладают.

Задание 3. Изучение форм природных выделений минералов.

Морфология минералов и агрегатов. Двойниковые

Сростки кристаллов

Для некоторых минералов (полевые шпаты, рутил, касситерит, арагонит, киноварь и многие другие) характерно образование не только одиночных кристаллов, но и их двойниковых сростков – двойников. В настоящих, не случайных, сростках, индивиды срастаются по одинаковым плоским сеткам их пространственных решеток. Геометрически индивиды в двойнике можно мысленно совместить друг с другом либо отражением в плоскости симметрии либо поворотом вокруг оси L₂. Двойники могут состоять из пары кристаллов (простые) или из многократно повторяющихся индивидов. Характерной особенностью огранки двойников являются входящие углы между гранями; на одиночных идеально развитых кристаллах таких углов не бывает. Следует различать двойники срастания и двойники прорастания. В первых индивиды разграничены по плоскости, они как бы соприкасаются друг с другом. Во вторых кристаллы как бы обрастают друг друга либо насквозь проникают один в другой, соприкасаясь по сложной извилистой (ступенчатой) поверхности. Двойники образуются по разным причинам. В растворе, когда кристаллы находятся еще в зародышевом состоянии и под действием тех или иных сил разворачиваются относительно друг друга. При переходе одной полиморфной модификации в другую. При механических воздействиях на растущие кристаллы.

Ложные кристаллы–псевдоморфозы

Псевдоморфоза – это кристалл или зерно минерала, замещенного без изменения его формы другим минералом или смесью минералов, отсюда и название фальшивая (псевдо) форма (морфа). У этих образований сохраняются часто даже мельчайшие детали поверхности первоначальных кристаллов и зерен (рис. 27).

Рис. 27. Кварц по прожилкам асбеста:

т.наз. "Тигровый глаз" – жёлтый и "Соколиный глаз" – синий

По псевдоморфозам можно судить о химических реакциях минералообразования, так как виден одновременно и исходный минерал (зерно) и конечный продукт преобразования. Кристаллы пирита в поверхностных условиях замещаются лимонитом – плотной коричневой порошковатой массой, смесью различных гидроксидов Fe³⁺ (рис. 28).

Рис. 28. Псевдоморфоза лимонита по конкреции пирита, 4см,

"Белая Пустыня", Египет

Еще один способ образования псевдоморфоз – полиморфные превращения веществ при изменении температуры и давления, они называются параморфозы. Например, параморфозы альфа-кварца по бета-кварцу (t превращения 575 ⁰С при 100 кПа). Бывают также пустотелые псевдоморфозы отпечатки в горной массе кристаллов растворившихся минералов, место которых осталось незанятым (рис. 29).

Рис. 29. Кварц по Флюориту

Частичное псевдоморфное замещение поверхности с последующим обрастанием замещённых участков кристаллами кварца. Сам флюорит впоследствии был растворён, оставив после себя центральные полости в форме отрицательного куба. Образец 9см, Кадамджай, Кыргызстан.

Минеральные агрегаты

В природе относительно редко встречаются отдельные хорошо ограненные кристаллы, чаще минералы образуют различные скопления – агрегаты. В минералогии их принято подразделять по морфологии: землистые, зернистые, плотные, агрегаты; друзы, щетки, секреции, конкреции, оолиты, сферолиты, натечные агрегаты, дендриты, налеты и примазки.

Землистые агрегаты – мучнистые агрегаты очень тонких минераль­ных зерен. Этот тип агрегатов представлен в земной коре наиболее широко. Зернистые агрегаты это рыхлые или сплошные массы произвольно сросшихся зерен одного (мономинеральные) или нескольких (полиминеральные) минералов. Каждое зерно – не огранившийся, не оформившийся кристалл, выросший в стесненных условиях. В зависимости от размера зерен они разделяются на крупнозернистые (>5 мм), среднезернистые (1–5 мм), мелкозернис­тые (<1 мм ). Характерный пример – полнокристаллические магматические породы (граниты и пр.).

Рис. 30. Среднезернистый агрегат амазонитового гранита

Среди минералов выделяет три группы, обладающие характерным обликом кристаллов:

– изометрические, одинаково развитые по всем трем направлени­ям, – магнетит, пирит, гранат;

– удлиненные в одном направлении, призматические, столбчатые, игольчатые и лучистые, – барит, кварц;

– вытянутые в двух направлениях, таблитчатые, пластинчатые, листоватые и чешуйчатые, – хлорит и др.

В соответствии с обликом кристаллов формируются различные виды минеральных агрегатов: листовые (а), чешуйчатые (б), волокнистые (в) и (г), радиально-лучистые (д), шестоватые (е) (рис. 31).

а б

в г

д е

Рис. 31. Листоватый агрегат - тальк (а), среднечешуйчатый агрегат - парагонит (б), длинноволокнистый агрегат - хризотил асбест (в), радиально-лучистый агрегат - эгирин (г), шестоватый агрегат - кианит (д), волокнитый агрегат – гипс селенит (е )

Параллельно-шестоватые (рис. 31, е) и волокнистые агрегаты (рис. 31 в, г) обычно образуются в трещинах. Это – жилки шелковистого гипса, серпентин-асбеста, шестоватого кальцита. В одних случаях эти агрегаты кристаллизуются в открытых трещинах: сначала на стенках по принципу геометрического отбора нарастают друзы; разрастаясь навстречу друг другу они смыкаются и образуют параллельно-шестоватые или волокнистые агрегаты. В других – такие агрегаты формируются в постепенно приоткрывающихся трещинах, когда скорость приоткрывания меньше или равна скорости роста индивидов. Сначала трещина заполняется зернистым агрегатом минерала в виде сплошной тонкой жилки. Затем, по мере открывания зерна, упираясь друг в друга, могут расти только вслед за раздвигающимися стенками трещины. Они постепенно вытягиваются нормально стенкам, формируя параллельно-шестоватый или волокнистый агрегат.

Натечные агрегаты

Натечные формы минеральных образований возникают за счет коллоидных растворов – гелей. Медленно мигрирующие коллоидные растворы, попадая в пустоты, обволакивают их стенки, постепенно теряют воду и густеют. В результате образуются разные формы агрегатов:

– сталактиты – свисающие под действием силы тяжести с верхних частей пустот;

– сталагмиты – образующиеся в нижних частях пустот за счет падающих капель;

– почковидные агрегаты – наиболее распространенные среди натечных форм, возникают в поверхностных условиях.

Размеры подобных образований различны: от микроскопических до крупных столбообразных натеков в пещерах. В натечных формах могут встречаться самые разные минералы: гидроксиды железа и марганца, опал, малахит, гипс, арагонит, кальцит, и др. Натечные образования в поперечном срезе имеют зонально-концентричес-кое строение.

Друзы (щетки) – группы кристаллов, наросших перпендикулярно или почти перпендикулярно к поверхности трещин, стенки жилы или полости в горной породе. Сначала нарастают одиночные кристаллы, разрастаясь, они соприкасаются друг с другом, упираются друг в друга и сами себе мешают расти. Продолжают расти только те кристаллы, вектор роста которых ориентирован в сторону свободного пространства, т.е. по нормали к поверхности трещины. Образцы друз представлены на рис. 32 а и б.

а б

Рис. 32. Друза кварца (а), щётка кристаллов аметиста (б)

Секреции образуются, когда какая-либо полость в горной породе заполняется минеральным веществом. Часто в центре секреций располагаются друзы. Чаще всего секреции халцедона с друзами кварца внутри, приуроченные к миндалинам в базальте. Секреции с внутренними полостями называются жеоды (рис. 33).

Рис. 33. Темно-бурый халцедоновый агат с кварцевой друзой в центре

Конкреция – шаровидный (иногда как бы сплюснутый, неправильно округленный) минеральный агрегат радиально-лучистого строения (рис. 34). В противоположность секрециям (жеодам) они разрастаются вокруг какого-нибудь центра. В центре конкреции нередко находится зерно, которое служило затравкой при её росте. Чаще всего конкреции образуются в пористых осадочных породах –песках и глинах. Размеры этих образований – от миллиметров до десятков сантиметров, а иногда даже до метра и более. Они разнообразны по форме и строению. Конкреции могут быть плотными кристаллическими (радиально-лучистые или зернистые); скрытокристаллическими (кремень); рыхлыми и землистыми (лимонито-вые, вивианитовые).

В осадочных горных породах часто встречаются конкреции пирита, марказита, кремнезёма (кварцевые, халцедоновые, кремень), карбонатов и фосфоритов. Научный и практический интерес представляют железомарганцевые конкреции, они образуются в огромных количествах на океаническом дне и рассматриваются как перспективный сырьевой ресурс будущего.

Экзотическая разновидность конкреций карбонато-глинистого состава, встречающаяся только в осадочных породах и характеризующаяся наличием многочисленных трещин усыхания внутри, носит название септария (рис. 35).

.

Рис. 34. Конкреция Рис. 35. Септария

Оолиты – шаровидные или эллипсоидальные образования из карбоната кальция, окислов железа и марганца, кремнезёма и пр., обладающие концентрически-скорлуповатым, иногда радиально-лучистым строением (вокруг центрального ядра). Ядром могут быть обломки раковин, песчинки, камешки и пр. В виде оолитов часто встречаются такие минералы как: кальцит, арагонит, пиролюзит.

Оолиты образуются в процессе осадконакопления (во взвешенном состоянии, в воде), при диагенезе и во время других стадий преобразования осадков при циркуляции растворов в пустотах. Наиболее часто оолиты формируются в горячих источниках, в придонных озерных и морских илах.

Они часто встречаются в известняках, железных рудах, бокситах (рис. 36), кремнистых породах и др. Размеры оолитов – от миллиметров до нескольких сантиметров. Оолиты крупнее 2–5 мм называются пизолитами.

Рис. 36. Боксит оолитовый

Сферолиты и почковидные агрегаты названы так по своей морфологии. Сферолиты очень часто имеют почти правильную шаровидную форму и размер от долей до 1–2 см и более. Они как шарики нарастают на другие минералы и на стенки разных пустот в рудах и горных породах. Сферолиты образуются либо как результат расщепленного роста кристаллов, либо в них, как в конкреции, есть ядрышко-зерно, на которое нарастает минерал. Вследствие геометрического отбора или стесненных условий кристаллы могут разрастаться, только расходясь лучами от центра сферолита (рис. 37).

Рис. 37. Сферолит

Почковидные агрегаты состоят из множества соприкасающихся "почек", каждая из которых имеет, подобно сферолиту, радиально-лучистое строение (рис. 38). Особенно типичное строение имеют почковидные агрегаты гётита HFeO₂ H₂O и малахита Cu₂(CO₃)(OH)₂. Их образование происходило на неровной поверхности за счет группового роста и геометрического отбора сферолитов; оставались и разрастались только те сферолиты, которые находились на выпуклостях субстрата. Наиболее часто почковидные агрегаты образуются в различных пустотах в приповерхностных зонах разрушения и выветривания руд и горных пород.

Рис. 38. Почковидный агрегат гематита радиально-лучистого

Дендриты представляют собой фигуры в виде ветвей дерева, образующиеся благодаря быстрому росту кристаллов по некоторым направлениям. Встречаются на поверхности пород вдоль тонких трещин. Дендриты особенно характерны для окислов марганца (рис. 39).

Рис. 39. Дендриты окислов марганца (вернадит) на сиените

Землистые массы представляют собой мягкие мучнистые скрытозернистые образования. Часто наблюдаются в виде корок и скоплений, возникающих чаще всего при химическом выветривании горных пород и руд. В зависимости от цвета землистые массы называют сажистыми (черные массы гидроксидов марганца), охристыми (желто-бурые массы гидроксидов железа).