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).