
- •Раздел I кристаллография
- •Глава I
- •Глава II геометрическая кристаллография
- •И форме ромбоэдра
- •Кристаллы шпата: крайний справа — двойник
- •Глава III начальные сведения о кристаллохимии
- •Раздел II
- •Глава IV понятие о минерале и методах исследования минералов
- •Рис, 49. Коикрснии марказита
- •Глава VI
- •Пересчет данных химического анализа и установление формулы минерала
- •Раздел III
- •Классификация минералов
- •Самородные элементы
- •Сернистые соединения (сульфиды)
- •Сложные сульфиды
- •Галогениды
- •Раздел IV процессы минералообразования общие понятия о генезисе минералов
- •(По д.С. Белянкину и в.П. Петрову)
- •Пегматитовое минералообразование
- •Послемагматическое минералообразование
- •Минерллообразование при гипергинезе и осадочном процессе
- •Минералообразование при метаморфизме
- •Понятие о парагенезисе минералов
- •Полезные ископаемые
- •Раздел I. Кристаллография ..…………………………………... 15
- •Глава I. Понятие о кристалле и кристаллическом веществе…………………………….. 15
- •Глава II. Геометрическая кристаллография ……………………………………….. 21
В. П. БОНДАРЕВ
ОСНОВЫ МИНЕРАЛОГИИ
и
КРИСТАЛЛОГРАФИИ
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1978
Допущено Министерством просвещения СССР в качестве учебного пособия для студентов химических и биологических специальностей педагогических институтов
ВВЕДЕНИЕ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МИНЕРАЛОГИИ, КРИСТАЛЛОГРАФИИ И ДРУГИХ СМЕЖНЫХ РАЗДЕЛАХ НАУКИ ГЕОЛОГИИ,
Наружная оболочка земного шара — земная кора — изучается различными науками, объединенными под общим названием геология. В состав геологии входит ряд разделов, превратившихся в настоящее время в самостоятельные отрасли знаний. Главнейшие науки, изучающие Землю: минералогия — паука о природных химических соединениях— минералах; кристаллография — наука о кристаллах и кристаллическом состоянии вещества; петрография и литология — науки о горных породах, слагающих земную кору; геохимия — наука о химическом составе Земли и законах распределения, сочетания и движения химических элементов (атомов) в земной коре при различных природных процессах; геофизика— наука о физических явлениях и процессах, протекающих в различных оболочках земного шара: геоморфология— наука об образовании и развитии форм земной поверхности (рельефа); гидрогеология—наука о подземных водах, их происхождении, распределении в земной коре, химической и механической деятельности в недрах Земли; геология четвертичных отложений, изучающая новейшие геологические образования, возникшие сравнительно недавно и залегающие в поверхностных слоях Земли; учение о полезных ископаемых и ряд других наук, тесно связанных с указанными выше, взаимно дополняют друг друга и в целом составляют науку геологию.
Существует ряд других разделов геологии, которые имеют большое значение в познании строения и развития Земли и земном коры, в восстановлении физико-географических условий древних геологических эпох. Это геотектоника наука о структурах земной коры. Их про- исхождении и развитии, О закономерностях тектонических движений; палеогеография, рассматривающая древние физико-географические условия; стратиграфия—на- ука о последовательности накопления осадочных толщ горных пород: палеонтология-— наука о древних вымерших животных и растительных организмах, населявших Землю в прошедшие геологические эпохи; вулканология, изучающая процессы вулканизма. Данные стратиграфии, палеогеографии и других наук используются в процессе преподавания
исторической геологии.
Земная кора состоит из различных горных пород, каждая горная порода слагается одним или несколькими минералами. В повседневной жизни мы встречаемся с самыми разнообразными минералами и горными породами, используемими в различных отраслях народного хозяйкин: в промышленности и строительстве, ,в ювелирном ремесле и сельском хозяйстве.
Даже не изучая геологию, не зная названия минералов, нельзя не любоваться красивыми узорами и оттенками декоративных камней, применяемых при облицовке различных строений. В оформлении метрополитена можно увидеть белоснежный и сургучно-краснын мрамор, исстроцветные уральские яшмы, красивые красные и серые крупнозернистые граниты, изумрудно-зеленые змеевики и листвениты, ярко-зеленый малахит с кружевными узорами, вишнево-розовый орлец, или родонит, медово-желтые ониксы и другие поделочные и облицовочные камни.
Многие из этих камней известны только в нашей стране, как, например, родонит. Нигде, кроме Советскою Союза, пет сказочного камня малахита, густого по топу темно-зеленого нефрита и пестроцнетных яшм
Всем таком красивый серый камень лабрадорит с яркими синими иногда сине-зелеными и голубыми мерцающими переливами, из которого высечена плита над входом ііі Мавзолей В. и. Ленина на Красной площади.
Разнообразные камин используются в ювелирной промышленности: алмазы, рубины, сапфиры, гранаты и др. Прекрасны но своей окраске нежно-голубой аквамарин, ярко-зеленый изумруд и кроваво-красный рубин.
Некоторые драгоценные камни имеют различную окраску при дневном и электрическом освещении. Так, александрит при естественном солнечном свете темно-зеленый, при искусственном — малиново-красный с фиолетовым оттенком.
Роль минералов и горных пород в практической жизни человека огромна. Велико значение разнообразных полезных ископаемых: угля, нефти, торфа, руд ценных Металлов — свинца, цинка, молибдена, вольфрама, олова и др. Незаменимы апатит и фосфориты, калийные соли —это камни плодородия, без которых не может успешно развиваться сельское хозяйство.
В природе известно более 2500 минералов. Они разнообразны по своим свойствам, строению и происхождению. Одни минералы твердые и непрозрачные, как сталь, другие легкие и пропускают свет, как стекло, а третьи легко ломаются и царапаются ногтем. Для того чтобы распознавать минералы и уверенно их определять, мы познакомимся с минералогией — наукой о минералах, кристаллографией— наукой о кристаллах и кристаллическом состоянии вещества, так как большинство природных минералов имеет кристаллическое строение. -
Раздел I кристаллография
Глава I
ПОНЯТИЯ О КРИСТАЛЛЕ И КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ ВЕЩЕСТВЕ
Распространенность кристаллического вещества. Кристаллическая решетка. Свойства кристаллического вещества
Окружающий нас мир состоит из кристаллов. Мы живем в мире кристаллов. Жилые здания и промышленные сооружения, самолеты и ракеты, теплоходы и тепловозы, горные породы и минералы слагаются из разнообразных кристаллов. Из кристаллов состоят и такие вещества, как каучук, сажа, шерсть, шелк, целлюлоза, кости и многие другие предметы. Мы едим кристаллы, лечимся ими и частично сами состоим из кристаллов.
Изучением кристаллического строения минералов и других веществ занимается наука кристаллография. Кристаллография подразделяется па три вида: геометрическую, занимающуюся описанием различных форм встречающихся кристаллов, физическую кристаллографию, или кристаллофизику (включая кристаллооптику), и химическую кристаллографию, или кристаллохимию.
Физическая кристаллография и кристаллохимия изучают зависимость физических и химических свойств особенностей кристаллического строения минералов. Кристаллооптика изучает оптические свойства кристаллов.
Среди природных минералов преобладают минералы кристаллического строения. Их 98%. В связи с этим изучению минералогии всегда предшествует знакомство с основными понятиями но кристаллографии.
Минералы, характеризующиеся кристаллическим строением, имеют упорядоченное расположение слагающих их мельчайших частиц: атомов, ионов и молекул. Упорядоченное, закономерное расположение этих частиц образует так называемую кристаллическую, или пространственную, решетку. В качестве примеров можно привести кристаллические решетки каменной соли графита и алмаза (рис. 2). Минералами кристаллического строения являются также кварц, кальцит, полевой шпат и др.
Минералы аморфного строения характеризуются беспорядочным, хаотическим расположением мельчайших частиц внутри минерала. Аморфным минералом является, например, опал.
Для кристаллических минералов существуют три Типа кристаллических решеток: 1) атомная, где в узлах кристаллической решетки находятся атомы (например, алмаз, графит) 2)ионная, где в узлах решетки шири мор, каменная соль, узлах решетки находятся мслеку-
рис. 2. Кристаллические решетки графита (слева) и алмаза (справа)
лы (сахар, аспирин, ряд других органических соединений).
Различие во внутреннем строении кристаллических и аморфных минералов сказывается и в различии их свойств. Для кристаллических тел характерна анизотропность (векториальность). Она выражается в том, что большинство физических свойств минералов (твердость, спайность, цвет, магнитность, электропроводность и др.) являются одинаковыми по параллельным направлениям и различаются по непараллельным. Иными словами, у кристаллических тел свойства постоянны в любых параллельных направлениях и могут меняться в непараллельных. Кристаллические тела, как правило, анизотропны.
рис.
3.
В некоторых кристаллических веществах может проявляться и изотропность. Например, распространение света в кристаллах кубической сингонии происходит с одинаковой скоростью в разных направлениях. Можно сказать, что такие кристаллы оптически изотропны.
У аморфных тел никакой закономерности в распределении свойств не существует. Аморфные тела характеризуются одинаковыми физическими свойствами в различных направлениях. Такая особенность веществ называется изотропностью, а тела, обладающие, называются изотропными.
Легко убедиться в различии свойств изотропных и анизотропных тел, проделав следующий опыт. Возьмем пластинку стекла и кристалл кварца. Покроем поверхность стекла и одну из граней кристалла кварца тонким слоем парафина или воска. Прикоснемся к поверхностям, покрытым парафином, нагретой стеклянной палочкой. Теплота, распространяясь по пластинке и кристаллу, растопит парафин. На пластинке стекла и на грани кристалла появятся фигуры таяния: на стекле — в форме круга, на кварце — в виде эллипса (рис. 3). Этот пример показывает, что в стекле, представляющем аморфное изотропное тело, теплота распространяется равномерно во все стороны, а в кварце — кристаллическом анизотропном минерале — распространение теплоты идет
характеризуются одинаковыми физическими свойствами в различных направлениях. Такая особенность веществ называется изотропностью, а тела, обладающие ею, называются изотропными. Легко убедиться в различии свойств изотропных и анизотропных тел, кристалла кварца проделав следующий опыт. Возьмем пластинку стекла и кристалл кварца. Покроем поверхность стекла и одну из граней кристалла кварца тонким слоем .парафина или воска. Прикоснемся к поверхностям, покрытым парафином, нагретой стеклянной палочкой. Теплота, распространяясь по пластинке и кристаллу, растопит парафин. На пластинке стекла и на грани кристалла появятся фигуры таяния: на стекле — в форме круга, на кварце —в виде эллипса (рис. 3). Этот пример показывает, что в стекле, представляющем аморфное изотропное тело, теплота распространяется равномерно во все стороны, а в кварце — кристаллическом анизотропном минерале — распространение теплоты идет быстрее вдоль кристалла, нежели поперек.
Закономерное расположение элементарных частиц в кристаллических минералах, т. е. наличие пространственном' решетки, обуславливает и другие особые свойства кристаллов их однородность и способность самоограняться. Однородность кристаллического вещества выражение в том. что любые участки кристалла одинаковой формы одинаково ориентированные, характеризуются одними и теми же свойствами. Способность самоогра-нки выражается в образовании правильных многогранных кристаллов при благоприятных условиях рост, когда кристаллы не встречают механических процессов.
Элементы ограничения кристаллов. Морфология кристаллов
Благодаря закономерному расположению атомов с минералах с кристаллическим строением, многие минералы образуют хорошо выраженные правильные, природные многогранники. Комбинации этих многогранников дают кристаллы. Таким образом, кристаллы отражают кристаллическое строение вещества, т. е. закономерное, упорядоченное расположение мельчайших частиц материи (атомов, ионов, молекул).
Некоторые формы кристаллов при первоначальном знакомстве с ними производят впечатление прихотливой игры природы (рис. 4—7).
Однако в настоящее время .в строении, свойствах и процессах образования кристаллов открыты строгие закономерности, изучением которых и занимается один из разделов геологии — кристаллография.
Как и в любом многограннике, в природном кристаллическом многограннике различают элементы ограничения: грани, ребра, углы. Грани — это плоскости, ограничивающие многогранник, ребра — линии пересечения граней. Две пересекающиеся плоскости образуют двугранный угол .
Различные минералы характеризуются разнообразными формами кристаллов. Для некоторых минералов Рис. 4. Формы кристаллов гипса:
она настолько характерна, что минерал легко распознается по внешней форме кристаллов. Так, например, часто кристаллы гипса встречаются в форме ласточкина хвоста (рис. 4). Для минерала кальцита свойственны кристаллы в форме ромбоэдров (рис. 8). Кристаллы горного хрусталя, прозрачной разновидности кварца, тоже весьма характерны и имеют вид шестигранных призм в сочетании с динирамидой пли ромбоэдром (рис. 3,5). Кристаллы каменной соли, пирита и флюорита часто встречаются в виде хорошо развитых кубических форм (рис. 6, 7).
слева — простой одиночный кристалл, последующие — сростки кристаллов » виде двойников
Рис. 5. Друза кристаллов горного хрусталя
Законы построения кристаллов теоретически вывели русский кристаллограф Федоров и немецкий кристаллограф А. Шенфлис, причем, Федоров сделал это за 27 лет до практического подтверждения своих выводов с помощью рентгеновских лучей.
При изучении свойств и особенностей строения кристаллических многогранников выяснено, что ряд минералов обладает способностью кристаллизоваться в виде различных форм. Так, например, минерал кальцит может кристаллизоваться в виде, ромбоэдров, скаленоэдров, таблитчатых кристаллов (рис. 9).