Раздел II

минералогия

Глава IV понятие о минерале и методах исследования минералов

Минералогия — наука о минералах. Этот термин про­исходит от старинного слова «минера» — рудный штуф, кусок руды. Появление этого слова относится к глубокой древности и связано с развитием горного промысла.

Минералом называется химический элемент или хи­мическое соединение, возникающие у результате природ­ных процессов и искусственно получаемые в лаборато­риях.

Известно более 2500 природных минералов. Минера­лы могут состоять из одного химического элемента (се­ра, алмаз, графит, золото и др.) либо из нескольких (кварц, кальцит, полевой пшат и др.). Большинство ми­нералов — твёрдые тела. Однако имеются жидкие (вода, ртуть) и газообразные минералы (метан, сернистый и углекислый газы). Здесь будут рассмотрены только твер­дые минералы. Твердые минералы по своему строению бывают двух видов — кристаллические и аморфные. Кри­сталлические минералы преобладают в природе (их 98%). Большинство минералов, которые будут рассмот­рены ниже,— это минералы кристаллического строения.

Минералогия принадлежит к числу геологических на­ук, изучающих минеральный состав Земли и других кос­мических тел. Для диагностики различных минералов минералогия использует ряд методов, позволяющих все­сторонне изучить физические и химические свойства ис­следуемого вещества, определить состав и вывести фор­мулу неизвестного минерала. Большинство методик по определению минералов требует применения точных при­боров, сложного оборудования и нередко специальных лабораторий. В данном пособии, учитывая его специфи­ку, даются только общие и краткие сведения о наиболее распространенных методах исследования и определения минералов и более подробно описывается доступный спо­соб определения — метод определения минералов по внешним признакам. Детальные методы исследования минералов описываются в специальных руководствах. Для определения минералов используются следующие методы.

Определение минералов по внешним признакам (мак­роскопический метод). Это наиболее доступный и прос­той метод. Для определения минералов исследуют их фи­зические свойства: морфологию, цвет, блеск, твердость и др. Метод определения минералов по внешним призна­кам не требует специальной аппаратуры и особых прибо­ров и легко доступен.

Микроскопический (или кристаллооптический) метод использует для определения минералов специальные по­ляризационные микроскопы, которые позволяют иссле­довать минералы в проходящем и отраженном свете. Для исследования применяются особые препараты, называе­мые шлифами и аншлифами. Шлифы представляют со­бой тонкие срезы минералов или горных пород толщиной около 0,02 мм, наклеенные с помощью особого клея — канадского или пихтового бальзама - на предметное стекло и покрытые покровным стеклом.

В шлифах изучают прозрачные минералы с помощью проходящего света под микроскопом. Современные све­товые микроскопы позволяют достигать увеличений до 1000 -1200 и видеть частицы размером 0,2-0,3 микрона (т. е. 2000—3000 А). Под микроскопом определяется ряд оптических свойств минералов в шлифах и при помощи специальных иммерсионных жидкостей (иммерсионный метод). Метод определения оптических констант минера­лов с помощью поляризационного микроскопа достиг большого совершенства после изобретения акад. Федоро­вым универсального теодолитного столика, называемого теперь федоровским столиком. Для исследования мине­ралов данный столик устанавливается на микроскопе.

Непрозрачные минералы изучаются с помощью спе­циального микроскопа в отраженном свете с особым при­способлением — осветителем, называемым опак-иллюми­натором. Здесь объектом изучения служит непрозрач­ный шлиф, или аншлиф. Аншлиф (полированный шлиф) представляет собой кусок руды или минерала с зеркальной плоскостью, получаемый в результате шлифовки и последующей полировки. К объектам, изучаемым с по­мощью такого микроскопа, относятся непрозрачные ми­нералы, слагающие различные рудные полезные ископае­мые или входящие в виде включений в почвообразующие горные породы и почвы (пирит, галенит, халькопирит и др.).

Для определения минералов пользуются также бино­кулярной лупой или стереоскопическим микроскопом (МБС-1, МБС-2 и др.), позволяющими исследовать рас­сматриваемые объекты как в проходящем, так и в от­раженном свете.

Объектами исследования могут быть шлихи кон­центраты из тяжелых минералов, получаемые в процессе промывки рыхлых аллювиальных, делювиальных и дру­гих отложений, а также «искусственные шлихи», образу­ющиеся после промывки измельченных в порошок горных пород и руд. С помощью стереоскопическою микроскопа или бинокулярной лупы можно проводить минералоги­ческие исследования образцов почв, предварительно раз­деленных на ряд фракций, различающихся величиной зерен.

Электронномикроскопический метод используется для определения тонкодисперсных веществ - глинистых ми­нералов и коллоидных систем, для изучения кристалли­ческих решеток и молекул. В электронном микроскопе вместо видимого света для получения изображении ис­пользуется поток ускоренных электронов. Наибольшая разрешающая способность, достигнутая на отдельных современных электронных микроскопах, составляет ве­личину в 4—5 А, что соответствует увеличению порядка одного миллиона. Обычно достигается увеличение поряд­ка 200 тыс., что соответствует разрешающей способности около 10 А.

В минералогии электронный микроскоп используется для изучения формы, особенностей строения и структуры тонкодисперсных минералов — минералов, размеры вы­делений которых лежат за пределами разрешающей спо­собности обычной оптики. Такие глинистые минералы, как каолинит, галлуазит, монтмориллонит, палыгорскит, гидромусковит, ряд вторичных минералов коры выветри­вания и другие успешно исследуются и определяются с помощью электронного микроскопа. Однако электронно-микроскопический метод не универсален, наиболее успешно он может быть использован в сочетании с другими методами исследований — ренттеноструктурным и спек­тральным анализами, дифференциально-термическим и термовесовым анализами, электронографией и химиче­ским анализом.

Рснтгеноструктурный анализ применяется для иссле­дования и определения минералов в рентгеновских лу­чах. С помощью рентгеновских лучей можно исследовать кристаллические, скрытокристаллические и тонкодисперс­ные минералы. Рентгеноструктурный анализ основан на явлении дифракции рентгеновских лучей в кристаллах и законе «отражения» этих лучей в кристаллах от плоских сеток кристаллов. В результате рентгеновской съемки ис­следуемого вещества при облучении его монохроматиче­скими рентгеновскими лучами получаются рентгенограм­мы, которые сравниваются с эталонными рентгенограм­мами известных минералов.

Электронографический метод исследования использу­ется для тонкодисперсных коллоидных масс и тончайших пленок минералов толщиной в несколько миллимикро­нов. Метод основан на способности электронов, прони­кающих в вещество, определенным образом рассеивать­ся при встрече с закономерно расположенными атомами. В отличие от рентгеновских лучей, способных проходить в глубь кристаллического вещества, пучок электронов проникает на глубину до 0,01 микрона (0,00001 мм). В ре­зультате исследования полученных электронограмм про­водится определение вещества.

Термический анализ, введенный акад. Курнаковым, применяется для диагностики и характеристики многих минералов, руд и горных пород. Под названием термиче­ский анализ объединяются два классических метода: дифференциально-термический (ДТА) - получение кри­вых нагревания вещества, и термовесовой (или термогра­виметрический)— получение кривых изменения веса. Наиболее перспективно применение этих методов для ис­следования тонкодисперсных минералов, входящих в со­став глин, бокситов, зоны окисления руд и коры выветри­вания. Особенно успешен термический анализ в сочета­нии с рентгеновским, электронномикроскопическим и кристаллооптичеекпм методами.

Спектральный анализ применяется для определения в исследуемом веществе химических элементов. Метод ос­нован на том, что каждый химический элемент при достаточном нагревании испускает лучи определенных длин воли, которые устанавливаются с помощью спектрогра­фа. Метод очень удобен благодаря своей точности и быст­роте определения содержащихся в минерале катионов металлов, а также и связи с малым количеством иссле­дуемого вещества (несколько миллиграммов), требую­щегося для анализа. Для очень малых объектов (50 — 100 микрон) используются спектральные установки, снабженные лазерами.

Кристаллохимический анализ, разработанный Федо­ровым, применяется для определения состава вещества и его внутреннего строения по внешним формам кристалла. Измеряя утлы между гранями кристалла на специальном приборе — гониометре, определяют сингонию и вид сим­метрии кристаллов, а также состав минерала.

Метод паяльной трубки используется для быстрого качественного химического анализа минералов. Его при­меняют для уточнения предварительных микроскопиче­ских определений минерала. Для данного метода требу­ется незначительное количество исследуемого минерала. Метод паяльной трубки прост и доступен по своему при­менению. Исследование минералов проводится с по­мощью особой паяльной трубки, которая предназначена для вдувания воздуха в пламя свечи, спиртовой или газо­вой горелки. В пламени, обладающем высокой темпера­турой и способностью производить химические реакции окисления и восстановления, осуществляют различные испытания минерала: прокаливание, сплавление с содой, бурой и другими реагентами. Характер реакций, проис­ходящих при этом, позволяет судить о присутствии в ми­нерале различных химических элементов, а с помощью специальных таблиц-определителей производить диагно­стику неизвестного минерала.

Химический анализ — трудоемкий и дорогостоящий метод исследования. Для химического анализа произво­дится отбор чистого минерала, освобожденного от приме­сей под бинокуляром. Отобранный материал подвергает­ся обычно спектральному анализу для предварительного определения химических элементов, содержащихся в ми­нерале. После проведения полного химического анализа получают данные о химических элементах в весовых про­центах. Их пересчитывают на атомные (молекулярные) количества с тем, чтобы можно было вывести химиче­скую формулу минерала.

Итак, рассмотрены наиболее широко применяемые методы исследования минералов ц горных пород. Поми­мо указанных используются и другие методы диагности­ки веществ земной коры, с которыми можно ознакомить­ся в специальных руководствах.

Г Л А В А V

ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ (ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНЕРАЛОВ ПО ВНЕШНИМ ПРИЗНАКАМ)

Морфологические особенности минералов. Значитель­ная часть минералов в природе встречается и виде агре­гатов различного вида. Эти минеральные агрегаты могут быть кристаллического, скрытокристаллического и амор­фного строения. При диагностике минералов их внеш­ний облик является нередко характерным признаком. Облик минералов может быть изометричным, призмати­ческим, столбчатым, игольчатым, волокнистым, таблит­чатым, листоватым, чешуйчатым и др. Здесь будут рас­смотрены наиболее характерные морфологические осо­бенности минералов. Поскольку преобладают минералы кристаллического строения, начнем рассмотрение с мор­фологии кристаллов и кристаллических агрегатов.

Кристаллы и кристаллические агрегаты. В природе многие минералы часто встречаются в ви­де хорошо образованных кристаллов. Формы этих крис­таллов нередко настолько характерны, что по внешнему облику их, или его габитусу (лат. «габитус» « внешность, наружный вид), можно определить название минерала. Выделяют призматический, кубический, дипирамидальный, октаэдрический и другие габитусы кристаллов. Так, минералы галит, пирит, флюорит имеют кубический га­битус кристаллов (см. рис. 6,7). Для минерала гипса также наблюдаются характерные формы кристаллов.

присущие только ему (см. рис. 4). Кристаллы гипса не­редко встречаются в виде сростков, называемых двойни­ками. Двойники гипса образуют форму, напоминающую ласточкин хвост. Кристаллы кальцита встречаются в форме ромбоэдра. Они имеют, как говорят, ромбоэдриче­ский габитус (см. рис. 8). Для кристаллов кварца ха­рактерны образования п виде призм, ограниченных пи­рамидальными гранями (см. рис. 5). Однако следует

Рис. 48. Секреция кристаллов горного хрусталя

Рис. 46. Щетка кристаллов кварца

иметь в виду, что ряд минералов обладает способностью кристаллизоваться в виде различных форм. Например, кальцит может встречаться не только в виде ромбоэдров, но и в форме таблитчатых и других кристаллов (см. рис.9). Минерал кварц в различных природных условиях также мо­жет образовывать кристаллы раз­личной формы (см. рис. 11).

Размеры выделении кристал­лов различных минералов могут быть самыми разнообразными — от долей миллиметра до несколь­ких метров. Встречаются кристал­лы-гиганты. Так, в США, на ме­сторождении Клейстон, найден кристалл сподумена длиной в 14 м. В поперечнике он имеет 1 м и весит 90 т. В Казахстане нашли кристалл кварца высотой с 2-этажный дом, весом 70 т.

Рис. 47. Жеода

В природных условиях крис­таллы редко встречаются в виде одиночных форм. Обычно это группа кристаллов, образующих различные сростки (см. рис. 5, 7, 31). Сросток кристаллов, имеющих общее ос­нование получил название друзы (см. рис. 5, 7). В тех случаях, когда кристаллы плохо развиты, имеют небольшие размеры, друзу называют щёткой (рис. 46). Если кристаллы заполняют какую-либо крупную полость в породах, то образуется жеода. Если рост кристаллов внутри жеоды происходит от стенок к центру и её размеры небольшие (несколько см), такая жеода на­зывается секрецией (рис. 48). При росте кристаллов или заполнении полости веществом от центра к краям поло­сти образуются конкреции (рис. 49).