Окраска за счет избирательного светопоглощения

При светопоглощении электроны переходят из стационарных (основных, энергетически выгодных позиций) в вакантные (энергетически невыгодные, но потенциально возможные) позиции. Светопоглощение происходит за счет поглощения энергии света при его пропускании кристаллом или отражении. Соответственно, цвет минерала характеризуется спектрами пропускания и отражения. Энергия перехода электрона из стационарной позиции в вакантную обозначается как Е_п. Величина перехода электронов у разных минералов разная.

Рассмотрим причины собственных окрасок минералов.

1. Значение величины перехода Е_п. Если величина Е_п больше энергии света, электроны не будут переходить в другие позиции, т. е. свет не взаимодействует с кристаллом, не отдает ему энергии, минерал оказывается прозрачным и бесцветным (например, алмаз). Если энергия перехода очень мала, что характерно для самородных металлов с «электронным газом», то энергия всех лучей достаточна для выбивания электронов в вакантные позиции, поэтому поглощаются все лучи света и минерал становится черным и непрозрачным. Но электроны тут же возвращаются в исходные позиции, испуская световые лучи, что проявляется металлическим блеском. Цветовые оттенки металлов и многих минералов (полупроводников) возникают из-за энергетической неравнозначности переходов электронов. Могут более сильно поглощаться лучи из той или иной области спектра (например, реальгар, аурипигмент, прустит).

2. Элементы-хромофоры. Наиболее типично проявляется избирательность поглощения света как причина окраски у прозрачных минералов – диэлектриков, в составе которых есть элементы–хромофоры («красители»). Наиболее важными из них являются Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu. Все эти ионы имеют частично заполненные электронами уровни (d и f). В кристаллической структуре минералов у этих ионов за счет химической связи с соседями появляются резко различные по энергетическим характеристикам вакантные позиции, в результате энергия перехода Е_п для различных хромофоров и для разных переходов у одного и того же хромофора сильно варьируют. В зависимости от значения Е_п кристаллом поглощаются разные лучи, происходит избирательное светопоглощение. Минерал окрашивается в цвет дополнительный к поглощенному.

Один и тот же хромофор, например ион Cr³⁺, в разном окружении, т.е. в соседстве с разными атомами и в разной структурной позиции может вызывать разные цвета. Например, у корунда с примесью хрома в позициях алюминия она рубиновая, у берилла Be₃Al₂(Si₆O₁₈) с хромом также в позициях алюминия она изумрудная. Однако не все ионы-хромофоры могут быть причиной окраски. Ионы, не имеющие неспаренных электронов: Cr⁶⁺, V⁵⁺, Cu⁺, Ce⁴⁺ и т. д. не могут быть причиной окраски. Здесь вступают в силу другие явления.

3. Явление переноса заряда.Например, минерал крокоит с шестивалентным хромом Pb(CrO₄) не имеет неспаренных электронов – теоретически все вакантные позиции заняты у всех ионов (Cr⁶⁺, Pb²⁺, O²⁺) электронные оболочки заполнены.. Особенностью структуры является наличие комплексного иона (CrO₄)^2–, который и является красителем – хромофором. После расчета энергетических состояний электронов, находящихся на молекулярной орбитали комплексного аниона, заметили, что происходит некоторое смещение одного электрона от кислорода к хрому за счет поглощения энергии, равной энергии синих лучей. При этом крокоит окрашивается в оранжевый цвет. Это явление называется явлением переноса заряда. Такие же электронные переходы (переносы заряда) служат причиной окраски сапфира. Сапфир – это корунд с изоморфной примесью железа и титана. Возникновение окраски объясняется так: в минерале в позициях алюминия вместо двух его атомов располагаются катионы (пары Fe²⁺+Ti⁴⁺). За счет переноса заряда (электрона) от Fe²⁺ к Ti⁴⁺ происходит поглощение лучей с соответствующей длиной волны и образуется пара Fe³⁺ +Ti³⁺, а минерал приобретает синий. Еще один пример переноса заряда – минерал вивианит. Идеально чистый вивианит Fe₃²⁺(PO₄)₂ • 8H₂O бесцветен. При переходе Fe²⁺→ Fe³⁺ за счет поглощения части света появляется синяя окраска. Точно также бесцветны минералы двухвалентного марганца. Окраска возникает при изменении его валентности.

4. Электронно-дырочные центры. Еще одна причина неравномерного светопоглощения некоторых минералов – это наличие в их структуре так называемых электронно-дырочных центров. Они являются точечными дефектами структуры. Классическими примерами такой окраски являются окраски флюорита, аметиста, дымчатого кварца, лазурита, топаза, синего галита. Окраска флюорита часто связана со смещениями анионов F^– из обычной для них позиции. Каждая такая позиция является ловушкой для электронов. В кварце причиной окраски служит компенсация валентности из-за включений ионов Al³⁺ в позиции Si⁴⁺ (в морионе) и Fe³⁺ в аметисте. Для компенсации валентности в свободные места кристаллической решетки внедряются катионы щелочных металлов или водорода.

Под действием облучения (радиация, гамма-излучение) происходит смещение электрона от кислорода к Al³⁺ (Fe³⁺) c поглощением части света; ионы O^– становятся центрами окраски. Поэтому окраска некоторых минералов может быть связана с воздействием радиации на протяжении геологической истории их существования.

Анизотропия окраски

Окраска – это физическое свойство, которое в объеме минерала проявляется неравномерно. Это вызвано анизотропией их пространственной решетки.

В минерале существуют направления, проходя вдоль которых свет поглощается по-разному. Это явление зависит от структуры минерала, и более всего от типа симметрии.

Кристаллы кубической сингонии обладают однородным цветом, который одинаков во всех направлениях, например, гранаты, шпинели, флюорит – это оптически изотропные минералы. В оптически изотропных минералах свет распространяется во все стороны равномерно, как в воздухе.

Кристаллы средних сингоний обладают свойством анизотропии, которая в отношении окраски проявляется как дихроизм. Дихроизм – это изменение окраски в зависимости от направления прохождения через минерал света по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Одно из этих направлений – ось симметрии (третьего, четвертого или шестого порядков), второе – перпендикуляр к оси симметрии. Изменение цвета по этим двум направлениям является максимальным. Во всех других направлениях окраска будет промежуточной.

Кристаллы низших сингоний обладают более сложной картиной и явление изменения окраски в них называется плеохроизм, т. к. в них существует три взаимно перпендикулярных направления (их привязывают к кристаллографическим осям x, y, z), обладающих собственной окраской. Все остальные направления прохождения света через кристалл будут давать промежуточные окраски.

Наиболее четко изменение окраски в зависимости от направления прохождения через него света можно наблюдать в турмалине, который вдоль призмы с осью L₃ будет казаться светлее, а поперек кристалла цвет будет темным. У кордиерита (Mg₂Al₃(AlSi₅O₁₈) с примесью железа – ромбической сингонии) есть три направления, по которым его окраска будет разная. Он темно-синий, если рассматривать его на просвет вдоль оси z, светло-синий, если глядеть через кристалл вдоль оси x, желтовато-серый при взгляде вдоль оси y.

Игра и переливы цвета

Все прозрачные и полупрозрачные минералы обладают таким свойством как дисперсия света, которое проявляется как игра и переливы цвета (или света), идущая как бы изнутри кристалла. Ярким примером этого свойства являются игра цвета у бриллиантов, радужное свечение, идущее из черных кристаллов лабрадора, игра света в благородных опалах и беломоритах. Эти явления связаны с некоторыми явлениями дисперсии, интерференции и дифракции света при прохождении через минерал.

Дисперсия– это зависимость показателя преломления вещества от длины волны, проходящего через него света. Дисперсия четко проявляется при прохождении света через специальные оптические призмы, при этом белый свет разлагается в спектр. Показатель преломления уменьшается с увеличением длины волны (наименьшее преломление испытывает красный, а наибольшее – фиолетовый луч света). Именно дисперсия является причиной «огня» или игры бриллианта. Углы и форма огранки у него рассчитываются так, чтобы красный и фиолетовый лучи разошлись наиболее сильно. Мерой дисперсии является разность между показателями преломления красного и фиолетового лучей. У рутила она составляет 0,250, алмаза – 0,062–0,043, у рубина и сапфира – 0,018, берилла и топаза – 0,014, кварца – 0,013 и флюорита – 0,007.

Интерференцией света называется наложение друг на друга параллельных пучков света, в результате чего, часть лучей ослабляется (гаснет), а часть – усиливается. Окраски из-за интерференции света установлены у кальцита, гипса, слюды (все эти минералы характеризуются совершенной спайностью). Окраска проявляется в бесцветных кристаллах в виде типичных радужных колец Ньютона. Такие же кольца образуются вокруг воздушных зазоров в трещинах кальцита, кварца, гипса, придавая им радужную окраску. Интенсивность цвета при интерференции зависит от толщины воздушного зазора.

Иризация. Разновидностью интерференции является иризация. Наблюдается это явление в полевых шпатах – лабрадоре, олигоклазе и ортоклазе. Кристаллы олигоклаза, например, состоят из тончайших (примерно 100 нм) пластинок, несколько отличающихся по химическому составу, и, следовательно, преломлению. Интерференция отраженных от таких пластинок лучей света приводит к радужному внутреннему сиянию олигоклаза в голубых тонах. Для лабрадора также характерна иризация. Радужные переливы благородного опала объясняются дифракцией (по другим авторам интерференцией) света из-за особого строения опала: он состоит из мельчайших (150–300 нм) глобул SiO₂ с водой в межгранулярном пространстве.

Побежалость. Некоторые минералы вместо присущей им окраски иногда сияют пестрыми, разноцветными отблесками. Яркие радужные цвета не связаны со свойствами самих минералов, а возникают в тонких пленках, образующихся на поверхности. Этот эффект связан с интерференцией света. Световые волны одного и того же луча отражаются от поверхности пленки и проходят сквозь нее, а затем еще раз отражаются уже от ее границы с минералом. Взаимодействуя друг с другом, они в зависимости от толщины пленки и длины волны света либо гасятся, либо усиливаются, что приводит к появлению спектральных чистых окрасок.

Астеризм. Есть минералы, в глубине которых прямой луч света создает звездчатый отблеск. Такой оптический эффект называется астеризмом, от греческого слова «астер» – «звезда». Причина возникновения астеризма – присутствие множества отражающих свет тонких, параллельно расположенных канальцев или включений других минералов. Для того, чтобы возник эффект астеризма в минерале должно быть несколько таких направлений, по которым располагаются включения. В зависимости от структуры минерала звезды могут быть четырех-, шести- и двенадцатилучевыми.

Эффект «кошачьего», «соколиного», «тигрового» и др. глаза. Существуют минералы, на полированной поверхности которых при попадании прямого луча света возникает узкая светлая полоса – «бегущий луч». Такие камни в зависимости от цвета минерала называются кошачьими, тигровыми и др. глазами. Данный эффект возникает из-за отражения света тонкими параллельными волокнами (например, гипс-селенит, кварц с включениями крокидолита и др.).

Опалесценция. Игра света в опалах. Вызвана она внутренним строением благородного опала, который состоит из равномерно уложенных рядами глобул кремнезема, которые выполняют роль своеобразной дифракционной решетки. При этом возникают цветные блики, подобно тем, что можно наблюдать в голографических наклейках.

Чужеродные окраски

Чужеродные окраски могут быть вызваны, прежде всего, вростками пигментирующего вещества. Так, красные и красно-кирпичные цвета минералов часто вызваны тонкодисперсными вростками гематита и лепидокрокита FeOOH, бурые и ржаво-бурые – загрязнение минералов гётитом HFeO₂. Ложная окраска может быть вызвана, кроме того, примазками, цветными налетами, различными вторичными пленками, побежалостью других минералов. Так, на борните – ярко-синяя побежалость медного индиго (ковеллина), на халькопирите часты примазки и налеты медной зелени (малахита) и т. п. На некоторых минералах могут быть тонкие поверхностные пленки влаги и других веществ, проходя которые свет отражается от кристалла и, проходя обратно, интерферирует – на гранях кристалла появляются переливы синих радужных цветов. Они типичны для гематита, галенита, стибнита и др. Налеты, выцветы, побежалость обычно образуются при химических изменениях минерала в поверхностных и других условиях.

Вопросы.1. Какова оптическая причина окраски минералов? 2. Какой, в зависимости от причин, бывает окраска? 3. Каковы причины собственных окрасок минералов (значение величины перехода, элементы-хромофоры, перенос заряда, электронно-дырочные центры)? 4. Приведите примеры минералов, окраска которых вызвана элементами-хромофорами, дефектами структуры, интерференцией света[2]. 5. Назовите причину анизотропии окраски минералов, как анизотропия окраски связана с сингонией минерала? 6. От чего зависит цвет минералов переменного состава и приведите примеры таких минералов? 7. Что такое дисперсия света и как она проявляется в минералах, приведите примеры минералов с сильной и слабой дисперсией? 8. Назовите причины чужеродной окраски минералов и примеры минералов с чужеродной окраской. 9. Каковы причины окраски яшм, хризопраза, сердолика, биотита, турмалина, аметиста, флюорита, мориона?

Лекция 8

Физические свойства минералов. Цвет черты. Люминесценция. Плотность. Твердость. Спайность и излом. Типы спайности. Спайность, излом.

Цвет черты

Под этим термином, как мы уже говорили, подразумевается цвет тонкого порошка минерала. Этот порошок сравнительно легко получить, проводя минералом по матовой (неглазурованной) поверхности фарфоровой пластинки, называемой бисквитом. Порошок получается в виде следа на пластинке, окрашенного в тот или иной характерный для данного минерала цвет.

Этот признак по сравнению с окраской минералов является гораздо более постоянным, а, следовательно, и более надежным признаком.

Цвет черты в ряде случаев совпадает с цветом самого минерала. Например, у киновари окраска и цвет порошка красные, у магнетита – черные, у лазурита – синие, у аурипигмента – желтые и т. д.

Для других минералов наблюдается довольно резкое различие между цветом минерала и цветом черты. Из наиболее распространенных минералов мы это можем наблюдать, например, у гематита (цвет минерала стально-серый или черный, черта красная или буро-красная), у пирита (цвет минерала латунно-желтый, черта черная, у коричневого сфалерита черта светлая и т. д.).

Большинство прозрачных или полупрозрачных окрашенных минералов обладает бесцветной (белой) или слабоокрашенной чертой. Поэтому наибольшее диагностическое значение цвет черты имеет для непрозрачных или полупрозрачных резко окрашенных соединений.

В природе нередко один и тот же минерал встречается то в плотных, то в порошковатых разностях. Цвета их в ряде случаев сильно отличаются друг от друга. Примерами могут служить лимонит – в плотных массах черный, а порошковатых (в виде охры) – желто-бурый; гематит – в кристаллической разновидности почти черный, а в порошковатых разностях – ярко-красный и т. д.

В других случаях цвет минерала в плотных массах и в порошковатых, землистых массах одинаков; например, у малахита он и в том и в другом случае зеленый, у азурита – синий, у киновари – красный, у аурипигмента – ярко-желтый.

Люминесценция

Люминесценцией называется способность минералов светиться под влиянием разного рода излучений за пределами длин волн видимого света. В зависимости от вида излучения различают фотолюминесценцию (ультрафиолетовые лучи), рентгенолюминесценцию, катодолюминесценцию (поток электронов), электролюминисценцию (электрическим полем), термолюминисценцию (нагревание), триболюминесценцию (упругими колебаниями, ударом), флюоресценцию (солнечным светом) и т. д. Наиболее просто люминесценция у минералов наблюдается в ультрафиолетовых лучах в темноте (фотолюминесценция). Нелюминесцирующие минералы остаются черными, у других появляется свечение разного цвета и интенсивности. Иногда свечение продолжается и некоторое время после выключения лампы. Этот вид люминесценции, послесвечение, называется фосфоресценцией.

Принцип появления люминесценции тот же, что и принцип появления окраски в видимых лучах. Возбудителями свечения (люминофорами) чаще всего являются ионы переходных металлов Mn²⁺, Cr³⁺, TR²⁺, TR³⁺, комплексные катионы (UO₂)²⁺, точечные дефекты, центры переноса заряда и т. д.

Известны минералы с фиолетовым, синим, голубым, зеленым, желтым, оранжевым, красным свечением в ультрафиолетовых лучах. Цвет и интенсивность свечения для одного и того же минерала могут меняться и зависят от особенностей его состава и структуры. Для некоторых минералов люминесценция является важным диагностическим признаком. По яркому голубому или желтому свечению легко определяются в массе дробленой руды алмазы на ленте транспортера (на обогатительных фабриках). По синему и желтому свечению легко отличают рудный минерал вольфрама шеелит от кальцита и кварца (у кальцита чаще бывает розовое свечение, кварц не люминесцирует), по красному свечению рубин отличается от его имитаций. Интересным примером геологического использования явления триболюминесценции является способ отличить доломит от магнезита по цвету триболюминесценции, когда по образцам этих минералов резко чиркают молотком в полной темноте. Этот способ с успехом применяют на руднике Килмар в провинции Квебек.

Плотность

Плотность минералов изменяется в очень широких пределах от 0,8–0,9 (у природных кристаллических углеводородов) до 22,7 г/см³ (у осмистого иридия). Плотность возрастает с ростом компактности структуры минерала и увеличением атомной массы, слагающих его химических элементов.

Полиморфные вещества с разной степенью компактности их структуры имеют разную плотность, например, графит (2,1) и алмаз (3,5 г/см³). Минералы переменного химического состава имеют непостоянную плотность. Поэтому по плотности таких минералов можно приблизительно судить о составе членов изоморфного ряда. Так, например, плотность оливина повышается по мере замещения более легких атомов магния более тяжелыми атомами двухвалентного железа (3,22 г/см³ для форстерита и 4,41 г/см³ для фаялита).

В группах изоструктурных соединений плотность прямо пропорциональна массам входящих в них атомов или ионов. Можно проиллюстрировать это для карбонатов, минералов групп арагонита:

Арагонит CaCO₃ – 2,93 (атомный вес катиона – 40,08)

Стронцианит SrCO₃ – CaCO₃ – 3,78 (атомный вес катиона – 87,63)

Витерит BaCO₃ – 4,31 (атомный вес катиона – 137,36)

Церуссит PbCO₃ – 6,58 (атомный вес катиона – 207,21)

Методы определения плотности мы рассмотрим позже. Однако сейчас можно сказать, что наиболее точным является метод тяжелых жидкостей.

Другая область применения метода тяжелых жидкостей – выделение отдельных минералов или их групп из полиминеральной смеси. Очень важен этот метод для петрографии, поскольку так называемые тяжелые минералы, плотность которых больше, чем у кварца, полевых шпатов, кальцита и доломита могут дать ценную информацию о происхождении породы, об условиях осадконакопления, о перспективах данной породы на полезные ископаемые (о металлогенической специализации).

Разделение минералов с различными плотностями играет большую роль также в процессе обогащения руд для получения концентратов некоторых ценных минералов. При этом иногда используются тяжелые жидкости, но обычно не те, которые применяются для исследовательских целей (они слишком дорогие). Еще более распространена методика разделения минеральных смесей на различных механических устройствах, например, на вибрационных столах.

Механические свойства

К механическим свойствам кристаллов относят их твердость, спайность, отдельность и прочность, к которой относят сжимаемость, пластичность, хрупкость, упругость, ковкость и др.

Твердость

Твердость – это сопротивление царапанью, сверлению, давлению, шлифовке. Определенная работа, затраченная на преодоление этого сопротивления, может быть принята за меру твердости. Она характеризует внутреннюю силу сцепления материала. Для некоторых минералов (например, самородной меди) твердость определяется мерой пластической деформации. Для хрупких материалов – величина нагрузки, когда начинается их разрушение.

Абсолютная твердость определяется разными методами, например, методом вдавливания, царапанья, сверления, шлифования. Твердость, установленная разными методами несколько различается.

При определении твердости методом вдавливания используют стандартную по размеру алмазную пирамидку, которая с определенной нагрузкой вдавливается в минерал. Глубину вдавливания (отпечаток) определяют под микроскопом. Зная глубину лунки и величину нагрузки легко рассчитывают значение твердости (в МПа или кг/мм²). Прибор называется микротвердометром. Твердость минералов очень разная – от 2,4 кг/мм² (тальк), до 10 060 кг/мм² (алмаз).

Для практических целей быстрой диагностики используют величину относительной твердости, которая определяется методом, предложенным Ф. Моосом. Шкала твердости Ф. Мооса (1824 г.) состоит из эталонов твердости. В этой шкале каждый последующий минерал своим острым концом царапает предыдущий эталон.

1 – Тальк – Mg₃(Si₄O₁₀) (OH)₂

2 – Гипс – Ca(SO₄) ·2H₂O

3 – Кальцит – CaCO₃

4 – Флюорит – CaF₂

5 – Апатит – Ca₅(PO₄)₃F

6 – Ортоклаз – K(AlSi₃O₈)

7– Кварц – SiO₂

8 – Топаз – Al₂(SiO₄)F₂

9 – Корунд – Al₂O₃

10 – Алмаз – C

Иногда приходится ориентироваться на подручные «эталоны», хотя они и неточны – ноготь (тв. 2,5), стекло (тв. 5), нож (тв. 5,5–6). Результаты определения твердости зависят от характера поверхности, степень хрупкости минерала, степень его изменения – нужно испытывать только свежую поверхность. Начинать лучше всего со стекла – сначала им поцарапать минерал, затем наоборот. В полевой работе геолога стекло, перочинный нож и ноготь – главные «эталоны».

Твердость зависит от типа химической связи: у минералов с металлической связью она меньше, с ковалентной – больше. Твердость также прямо пропорциональна степени плотности структуры. Для минералов одной изоморфной группы изменение твердости подчиняется следующим закономерностям:

1. Твердость тем больше, чем меньше размеры атомов или ионов (так, твердость в ряду кальцит – магнезит увеличивается от 3 до 4 (величина ионных радиусов изменяется от 1,00 Å у Са до 0,57 Å у Mg). Другим хорошим примером служит гематит Fe₂O₃ (6) и корунд Al₂O₃ (9).

2. Твердость увеличивается с увеличением валентности или заряда катионов, входящих в данный минерал. Так, натровая селитра (NaNO₃) и кальцит (СаСО₃) имеют одинаковую структуру, а размеры ионов Ca²⁺ и Na⁺ близки между собой. Однако твердость селитры равна 2, а кальцита 3.

3. Твердость возрастает с увеличением плотности упаковки. Это хорошо демонстрируется на примере различных полиморфных модификаций минералов, например, кальцит (3) и арагонит (4), графит (1) и алмаз (10).

Химический состав минерала также влияет на его твердость. Существуют следующие закономерности, связывающие твердость с химическим составом минералов:

1. Минералы, состоящие из тяжелых металлов, в частности золота, серебра, меди, ртути и свинца, обладают низкой твердостью, редко превышающей 3. Исключение составляют платина (4–4,5) и железо (4,5).

2. Для большинства сульфидов характерна низкая твердость (< 5). Исключениями являются сульфиды железа (пирит), платины (спёррилит), никеля и кобальта (арсенопирит и глаукодит) (6–7).

3. Твердость большинства водных минералов сравнительно невысока (<5)

4. Для большинства оксидов и силикатов характерна высокая твердость (>5,5); исключение составляют оксиды и силикаты тяжелых металлов.

5. Твердость галоидов, карбонатов, сульфатов и фосфатов сравнительно низкая (< 5).

Из общего закона анизотропии свойств следует, что грани различных простых форм могут иметь разную твердость, но и каждая грань неоднородна по твердости. Наиболее резко анизотропия твердости проявлена у кианита – дистена, значения твердости которого на разных гранях изменяются от 4 до 7.

Спайность, излом

Если ударять по кристаллическому зерну или раздавливать его, зерно расколется. Оно раскалывается вдоль плоских поверхностей, закономерно ориентированных по отношению к кристаллической структуре.

Спайность – это способность кристаллов раскалываться параллельно определенным сеткам пространственной решетки с образованием разных поверхностей скола. Раскол происходит между теми плоскими сетками, где действуют самые слабые силы связи. Это очень характерное, диагностическое свойство минерала, т. к. она позволяет, в частности, судить о симметрии минералов. Лучше всего она проявляется в больших кристаллах.

Для того, чтобы определить спайность указывают степень совершенства и простую форму, по которой кристалл раскалывается. Надо научиться отличать плоскости спайности от граней кристалла, на которых всегда есть какие-то углубления, микрорельеф роста.

Качество спайности определяется по следующей условной шкале:

1) спайность весьма совершенная – минерал легко раскалывается или расщепляется на тонкие пластинки или листы (слюды, тальк, гипс);

2) спайность совершенная – кристаллы колются на более толстые пластинки, бруски с ровными поверхностями (кальцит, галенит);

3) спайность средняя (ясная, хорошая) – поверхность скола не всегда ровная и блестящая (флюорит, полевой шпат);

4) спайность плохая (неясная), или несовершенная (берилл).

В зависимости от простой кристаллографической формы кристалл может раскалываться по одному (биотит), двум (пироксен), трем (галенит) и более (сфалерит – по шести) направлениям.

Кристалл колется по следующим направлениям в зависимости от простых кристаллографических форм, по граням которых проходит спайность:

1) спайность по пинакоиду – одно направление (мусковит, биотит),

2) спайность по ромбической или тетрагональной призме – два (пироксен, амфибол),

3) спайность по гексагональной призме – три,

4) спайность по ромбоэдру и кубу – тоже три (галит, галенит),

5) спайность по октаэдру – четыре (флюорит),

6) спайность по ромбододекаэдру – шесть направлений (кальцит, доломит).

Говоря о спайности по нескольким направлениям мы не имеем в виду, что кристалл при ударе должен обязательно расколоться на идеальные многогранники. В зависимости от удара поверхность скола и форма осколков могут быть разными. Минералы с весьма совершенной и совершенной спайностью обычно очень трудно расколоть по другим направлениям (например, тальк, биотит и мусковит). Минералы со средней (ясной) спайностью легко раскалываются по спайности, но их можно расколоть и по другим направлениям (например, полевой шпат). Минералы с плохой (неясной) спайностью раскалываются как по спайности, так и по другим направлениям; в этих случаях спайность трудно обнаружить (например, берилл).

Заслуживают внимания некоторые закономерности, связывающие спайность со структурой минерала.

1. Спайность минералов с металлической связью, если она и наблюдается, обычно не бывает хорошей (самородные металлы, большая часть сульфидов).

2. В минералах с преобладанием ковалентных связей спайность может присутствовать или отсутствовать. Если она присутствует, то проходит по направлениям, характеризующимися наименьшей силой связей на единицу площади (алмаз).

3. Большая часть минералов с ионной связью имеет одно или несколько направлений хорошей спайности (флюорит, гипс, галит и др.).

4. Для силикатов с цепочечной, ленточной или слоистой структурой спайность проходит между цепочками или слоями, никогда не пересекая их (слюды, тальк, пироксен, амфибол и др.). Аморфные минералы лишены спайности (кремний).

Характер спайности легче всего определить в прозрачных шлифах, предназначенных для оптического изучения минералов или горных пород, т. к. при распиливании минерал раскалывается вдоль направлений спайности. Спайность в шлифах проявляется в виде более или менее прямых трещин, густота которых зависит от качества спайности.

При первом изучении минерала и когда нет его больших кристаллов, ограничиваются неполными наблюдениями, отмечая лишь, есть или нет спайность, каково ее качество, как она проходит (вдоль или поперек кристалла), каков угол спайных выколков. Это важно для диагностики минералов.

Часто в кристаллах спайность проходит по граням не по одной, а двух и более кристаллографических форм. Степень совершенства спайности по ним всегда различна. Например, полевые шпаты раскалываются по двум разным пинакоидам, на одних плоскостях блеск сильный, поверхности ровные, на других – блеск слабый, поверхности менее совершенные.

Спайность является чрезвычайно важным свойством с точки зрения технического использования минерала; нередко его применение в промышленности целиком определяется спайностью. Способность мусковита раскалываться по спайности на очень тонкие слои в сочетании с диэлектрическими свойствами этого минерала позволяет использовать его в электротехнике. Карандаш так хорошо пишет по бумаге благодаря совершенной спайности графита, которая приводит к отслоению тонких чешуек этого минерала и их прилипание к бумаге. Смазывающие свойства графита и талька определяются их мягкостью и той легкостью, с которой они раскалываются вдоль поверхностей спайности.

В тех направлениях, где нет спайности, кристаллы раскалываются по сложным поверхностям. Ведут речь об изломе. Различают ровный, ступенчатый, неровный, занозистый, крючковатый и раковистый изломы. Вид излома иногда является характерной особенностью некоторых минералов (раковистый излом у кварца), что помогает в их диагностике.

Если плоскости скола в кристалле непосредственно не определяются кристаллографической структурой минерала, говорят, что он обладает отдельностью, иногда ее называют «ложной спайностью». Отдельность – это расколы кристаллов по плоскостям их физической (фазовой) неоднородности. Плоскостями отдельности могут быть плоскости срастания двойников, поверхности зон и секторов роста кристаллов, плоскости мельчайших включений других минералов. В отличие от спайности отдельность проявляется по всему кристаллу, расколы в случае отдельности более грубые и четкие. Для некоторых минералов грубые разрывы по отдельности являются характерным диагностическим признаком. Например, отдельность кристаллов корунда, она проходит по ромбоэдру и пинакоиду и вызвана мельчайшими пластинчатыми включениями слюды (мусковита) и других минералов.

Вопросы.1. Приведите примеры минералов, обладающих характерным цветом черты. 2. Каковы причины возникновения люминесценции? 3. Назовите минералы, для которых характерна люминесценция. 4. Почему минералы обладают разной плотностью, назовите самые легкие и самые тяжелые из них? 5. Как соотносятся значения фактической твердости минералов в шкале Мооса? 6. Чем спайность отличается от излома и отдельности? 7. Какая бывает спайность и какова причина того, что минералы имеют различную спайность? 8.Как связано качество спайности и количество ее направлений с симметрией кристаллов?

Лекция 9

Прочность минералов. Магнитные свойства. Электрические свойства (пьезоэлектрики, пироэлектрики). Радиоактивные свойства.

Прочность минералов

Прочность, или сопротивляемость разрушению, характеризует сопротивление материала механической деформации или разрушению. Иначе говоря, это сопротивление разрыву связей между атомами или ионами, составляющими материал, при его изгибе, раскалывании, растирании или резании. Наряду с рассмотренными физическими свойствами такими, как спайность, отдельность и излом при описании минералов часто используются такие характеристики их сопротивляемости разрушению, как упругость, пластичность, хрупкость, ковкость, мягкость, гибкость и вязкость. Многие из этих свойств минералов (упругость, т. е. измеряют скорость прохождения упругих волн и др.) используют при геофизических исследованиях, хотя геофизики имеют дело не столько с минералами, столько с горными породами. Особенно хорошо прочностные свойства материалов изучены учеными, занимающимися исследованиями в области металлургии, керамике, физике твердого тела. Поэтому номенклатура этих свойств сильно зависит от области науки. Например, то, что одни называют модулем упругости и несжимаемостью, другие именуют податливостью и жесткостью. Кроме того, для некоторых таких величин разными методами были получены разные значения, поэтому надо быть внимательным при их использовании. Основные прочностные закономерности сводятся к следующему:

1. Как и следовало ожидать, упругость материала зависит от силы связей и кристаллической структуры. Как было определено методом прохождения упругих волн в минерале, упругость наиболее высока при ионной связи. Несколько меньшую, но, тем не менее, высокую упругость имеют соединения с ковалентной связью. При металлической связи упругость низкая, а при вандерваальсовой – очень низкая.

2. Упругие свойства, как правило, анизотропны, в том числе и в материалах, относящихся к кубической сингонии.

3. Пластичность в значительной мере обусловлена микросдвигами, параллельными определенным плоскостям решетки.

4. Ковкость свойственна только веществам с металлической связью (металлам).

5. Было установлено, что хрупкость зависит от присутствия микротрещин (т. е. нарушений сплошности, вызванной повышенной концентрацией дефектов в структуре). Под действием нагрузки трещины разрастаются и минерал разрушается.

6. Вязкость, которую можно определить как величину энергии, которую применяют к материалу до его разрушения, обычно выше у кристаллических агрегатов (в том числе и горных пород), чем у отдельных зерен. Так, например, карбонадо, представляющий собой агрегат мелких зерен алмаза, значительно труднее расколоть, чем монокристалл алмаза. А вязкость нефрита (спутанно-волокнистого агрегата амфибола – тремолита или актинолита) вообще уникальна – он в 5 раз прочнее стали, его крупные куски просто невозможно разбить. В то же время отдельные кристаллы тремолита и актинолита обладают низкой прочностью и легко разрушаются.

7. Прочность непосредственно не связана с твердостью. Так, например, алмаз обладает значительно меньшим сопротивлением разрушению (из-за его легкого раскалывания по спайности), чем жадеит (твердость 6) или нефрит (твердость 5–6), которые образуют чрезвычайно вязкие поликристаллические массы.