Предисловие

Для изучения материала по геологии, предусмотренного программой педагогических институтов, большое значение имеют практические занятия по минералогии и петрографии. Цель их — помочь в усвоении лекционного материала и выработать навыки самостоятельной работы.

В соответствии с учебным планом заочного обучения на лабораторные занятия по геологии выделено 30 часов. Задача настоящего пособия — облегчить изучение образцов минералов и горных пород на практических занятиях во время сессии и в межсессионный период. С этой целью в пособии подробно разработаны вопросы генезиса минералов и горных пород. В разделе «Магматические горные породы» большое место отведено структуре и текстуре. Особое внимание уделено осадочным горным породам, так как в своей повседневной практике студенты-заочники чаще сталкиваются именно о. ними.

Пособие включает три части: «Кристаллы», «Минералы», «Горные породы».

Каждая из них содержит краткое изложение основного материала, контрольные вопросы для самопроверки (по каждому раз­делу), задания для самостоятельной работы в межсессионный пе­риод, темы лабораторных занятий и задания для самостоятельной работы на сессии.

В конце пособия помещены список литературы и приложения (1, 2), в которых даны подробные характеристики главнейших минералов и определитель минералов по физическим свойствам. Пользуясь ими, студенты могут самостоятельно определять образцы, как на занятиях, так и в природе.

Настоящее «Руководство...» может быть использовано в качестве пособия для проведения факультативных занятий по геологии в средней школе.

Кристаллы понятие о кристалле

Кристаллография — наука о кристаллах. Она изучает форму, внутреннее строение, происхождение и свойства кристаллических веществ. Слово «кристаллос» у древних греков обозначало «лед». Так же назывался и водяно-прозрачный кварц, считавшийся окаменевшим льдом. Впоследствии этот термин был распространен на все твердые тела, имеющие форму многогранника. Примерами хорошо образованных кристаллов могут служить кубики пирита, двенадцатигранники граната, заостренные на концах призмы горного хрусталя, восьмигранники (октаэдры) важнейшей железной руды — магнетита (рис. 1), многие драгоценные камни: алмаз, рубин, топаз и др. Подобные образования иногда достигают огромных размеров.

В 1958 г. в СССР был найден гигантский кристалл кварца — массой около 70 т, длиной 7,5 м и шириной 1,6 м. У отдельных кристаллов берилла длина достигает 5 м, масса — 18 т. Обычно же встречаются мелкие, чаще всего микроскопические кристаллики.

Большинство твердых тел состоит из кристаллов (горные породы и полезные ископаемые, металлы и различные химические пре­параты, многие продукты, идущие в пищу (сахар, соль), лекарства).

В природных условиях.сплошь и рядом правильная геометрическая форма кристаллов нарушается либо в связи с условиями об­разования (например, при медленном застывании огненно-жидкого расплава — магмы — возникают зерна кварца с криволинейными и неправильными контурами), либо под влиянием разрушения коренных пород и сноса водой их обломков (в песках легко можно увидеть под лупой скатанные кристаллы кварца, граната, магнетита). В результате этих процессов кристаллы могут приобрести уродливые формы, ненормально развитые, обломанные или окатанные грани.

Однако внешняя форма не единственный и не обязательный признак кристалла. Поэтому возникает вопрос об относительно характерных особенностях, присущих, всем без исключения кри­сталлам.

Пространственная решетка. Геометрическая правильность при­суща не только поверхности кристалла, но распространяется и на его внутреннее строение. Частицы (ионы, атомы, молекулы), составляющие кристаллы, не заполняют пространство сплошь, а находятся на некотором расстоянии друг от друга, т.е. располагаются в строго определенном для данного вещества порядке. Пример закономерной ориентировки атомов (ионов) в поваренной соли изображен на рисунке 2.

Геометрический образ строения кристалла мы можем получить, если каждую частицу заменим точкой (как бы отмечая факт ее существования). Тогда строение кристалла представится в виде пространства, заполненного правильно и закономерно расположенными точками. Расстояния между точками обозначим линиями. Получится так называемая пространственная решетка (рис. 3), элементами которой являются узлы, ряды и плоские сетки.

Узлы (см. рис. 3) — точки ре­шетки, соответствующие либо нейтральным атомам, либо заряженным атомам (ионам), либо группам атомов (молекулам) или ионов (радикалам) в кристалле. Строго говоря, с узлами прост­ранственной решетки совмещаются центры тяжести этих частиц.

Ряд (рис. 3а) — совокупность узлов, лежащих вдоль прямой и периодически повторя­ющихся через равные промежутки.

Промежуток, или период, ряда — расстояния между двумя равнозначными узлами. Эти расстояния ничтожны и измеряются ангстремами:

1А= 1 •10^-8 см.

Плоская сетка (рис. 3б) — совокупность узлов и рядов, расположенных в одной плоскости.

Три построенные системы плоских сеток, взаимно пересекаясь, образуют совокупность параллелепипедов, которые принято назы­вать элементарными ячейками пространственной решетки. Форма элементарной ячейки зависит от ее параметров, т. е. от размеров отрезков а, b, с и углов между ними α, β, γ (рис. 3, в).

Для решетки поваренной соли (NаСl) а=b=c и α=β=γ= 90° (см. рис. 2). При таком соотношении параметров форма элементарной ячейки представляет собой куб. Если а=b≠c, а α=β=γ=90°, то форма ячейки представляет собой тетрагональную призму (рис. 4а); при а≠b ≠c и α=β=γ =90° — ромбическую призму (рис. 4б); при а≠b≠c и α=γ=90°, β≠90° – наклонный параллелепипед (рис. 4в); при а≠b≠c и α≠β≠γ≠90° — косоугольный параллелепипед (рис. 4г).

Основная особенность всех кристаллических веществ заключается в том, что их атомы, ионы или молекулы закономерно располагаются в узлах кристаллической решетки. Узлы соответствуют вершинам реальных кристаллов, ряды — ребрам, плоскости — граням.

Предположения о том, что внутреннее строение кристаллов упорядочено, высказывались еще М. В. Ломоносовым и X. Гюйгенсом. В конце XVIII в. французский ученый Р.Ж-Гаюи высказал мысль, что составляющие кристалл молекулы имеют форму параллелепипедов. Впоследствии эти идеи были развиты его соотечественником О.Бравэ.

С исчерпывающей полнотой на основе математического анализа теория расположения атомов в пространстве была разработана в конце прошлого века крупнейшим русским кристаллографом Е.С.Федоровым. Он вывел 230 видов симметрии расположения частиц внутри кристаллов (пространственных групп). Эта теория блестяще, подтвердилась после 1912 г, при изучении кристаллов с помощью рентгеновских лучей.

Однако в природе встречаются и такие твердые тела, в которых частицы (ионы, атомы, молекулы) расположены беспорядочно.

Эти тела называются аморфными («аморфный» в переводе с греческого означает «бесформенный»). Образуются они в условиях быстрого охлаждения, при котором резко уменьшается подвижность частиц, которые не успевают закономерно расположиться относительно друг друга. К аморфным образованиям относятся стекла, пластмассы, смолы, клей и др.

Аморфное вещество не является устойчивым и с течением времени обнаруживает тенденцию к кристаллизации. Это проявляется в процессах закристаллизовывания стекла, в явлении засахари­вания карамели или варенья, в потере каучуком свойства эластичности и т. д.

Кристаллическое состояние твердого тела по сравнению с аморфным более устойчиво.