87

ВВЕДЕНИЕ

Все известные минералы сгруппированы в определенные классы. В основу современной классификации минералов кладут два основных признака: химический состав и структуру минералов. С изменением состава и структуры минерала меняются его свойства.

Минералы, известные в природе и искусственно получаемые, можно подразделить на природные и искусственные соединения. Все природные образования, составляющие предмет минералогии, необходимо делить, прежде всего, на две большие самостоятельные группы: 1) неорганические минералы (все природные соединения, за исключением органических) и 2) органические минералы, представленные различными соединениями углерода.

Неорганические минералы подразделяются по химическому составу на следующие основные группы и классы, в пределах которых выделяются подклассы по характеру химической связи, составу и структурным особенностям минералов. Приводимая ниже классификация минералов является упрощенной схемой.

Классификация неорганических минералов.

І Самородные элементы

ІІ Сернистые и близкие к ним соединения (сульфиды, селениды, арсениды, антимониды и др.).

ІІІ Галогениды

ІV.Окислы и гидроокислы

V Соли кислородных кислот: 1) нитраты; 2) карбонаты; 3) сульфаты; 4) хроматы; 5) молибдаты и вольфраматы; 6) фосфаты, арсенаты, ванадаты; 7) бораты; 8) силикаты.

В методических указаниях к лабораторным работам приводиться характеристика каждой из выделенных пяти групп и главнейших классов минералов, с учетом минералов характерных для месторождений Восточно-Казахстанского региона. На каждую лабораторную работу предусмотрено два академических часа.

Цель лабораторных работ: изучение минералов по классам, пользуясь коллекцией образцов выданных преподавателем, студенту необходимо научиться определять минералы, их название, происхождение, основные месторождения, характерные для нашей области, кристаллические структуры и их практическое значение. Особое внимание студентам необходимо уделить поисковым признакам изучаемых минералов на различные месторождения полезных ископаемых.

Задание по лабораторным работам: с помощью определителя минералов, визуального изучения физических свойств дать характеристику изучаемому классу минералов, после изучения заполнить предлагаемую таблицу по описанию выданных контрольных образцов минералов и ответить на контрольные вопросы

Форма отчета по лабораторным работам.

Лабораторные работы выполняются на белой бумаге формата А4. Текст должен быть набран в текстовом редакторе Word. шрифт, Times New Roman Cyr,№ 14 с одинарным межстрочным интервалом, выровнен по ширине страницы и распечатан на лазерном принтере. Результаты определения минералов заполняются в таблицу, с краткой характеристикой класса перед их описанием.

Таблица 1-Класс « »

Минерал и его химическая формула	Сингония и формы выделения	вЦветет и цвет черты	лБлеск	ТТвердоость	Спайность, излом	ППлотность	ДДиагносстика	Происхождение и парагенезис	Практи ческое значение и месторождения

1 ЛабоРаторная работа «физические свойсТвА

МИНЕРАЛОВ»

Изучение физических свойств минералов является основой для визуального определения минералов по классам и имеет большое значение для студентов при выполнении всех последующих лабораторных работ.

Физические свойства минералов имеют большое практическое значение (радиоактивность, люминесценция, магнитность, твердость, оптические свойства и др.) и очень важны для их диагностики. Они зависят от химического состава и типа кристаллической структуры. Все минералы обладают определенными физическими свойствами кристаллической решетки. Эти свойства у разных минералов проявляются по-разному.

1. Физические свойства минералов

Облик минералов.

1) Изометрические формы, т.е. формы одинаково развитые во всех трех направлениях в пространстве (например: гранат, магнетит в форме октаэдров;

2) Формы, вытянутые в одном направлении: призматические, столбчатые, шестоватые, игольчатые, волокнистые кристаллы, волокнистые образования (аквамарин, гипс-селенит, турмалин и.др.);

3) Формы, вытянутые в двух направлениях, при сохранении третьего короткого. Это таблитчатые, пластинчатые, листоватые, чешуйчатые кристаллы (гематит, слюды);

4) Габитус кристаллов, т.е. преобладание трех или иных кристаллографических форм в кристаллах данного минерала. Например, кристаллы галенита обычно встречаются в виде кубов, у которых иногда углы притуплены гранями октаэдра, реже кубооктаэдрами. Общая форма для всех из них является изометрической, но габитус кристаллов различен.

Двойники и закономерные сростки. Двойник, это закономерный сросток двух кристаллов одного и того же минерала, в котором индивиды могут быть совмещены друг с другом, либо поворотом вокруг некоторой оси на 180⁰, либо отражением в плоскости симметрии, либо путем инверсии. Это двойники тройники, четверники и т. д.

Образование двойников может происходить: 1) путем срастания зародившихся кристалликов в растворе при их соприкосновении во время роста; 2) в связи с механическими воздействиями при одностороннем внешнем давлении; 3) при полиморфных превращениях кристаллического вещества (двойники гипса, рутила, флюорита и др.).

Структура граней кристаллов. Это дефекты, неровности поверхностей, шероховатость, фигуры травления, зависят от неравномерной скорости роста кристаллов, их частичным растворением в связи с изменением концентрации компонентов в остаточном растворе, колебаниями температур и др.

Штриховатость. Это важный диагностический признак для многих минералов (пирит). Штриховатость граней может быть различного происхождения: 1) комбинационная, обусловленная многократным повторением узких вицинальных граней (алмаз, турмалин); 2) двойниковая, результат полисинтетического сложения кристаллов (сфалерит, плагиоклазы).

Прозрачность. Это свойства вещества пропускать сквозь себя свет. Хотя абсолютно непрозрачных тел не существует, однако многие минералы, особенно металлы (даже в тонких пленках), видимые лучи пропускают в столь малых количествах, что практически кажутся совершенно непрозрачными.

В зависимости от степени прозрачности все минералы, наблюдающиеся в крупных кристаллах, делят на следующие группы: 1) прозрачные - горный хрусталь, исландский шпат, топаз и др.; 2) полупрозрачные - изумруд, сфалерит, киноварь и др.); 3) непрозрачные - пирит, магнетит, графит и др. Многие минералы, кажущиеся в больших кристаллах или обломках непрозрачными, просвечивают в тонких осколках или тонких шлифах (биотит, рутил и др.).

Цвет (окраска) минералов. Окраска минералов невольно обращает на себя внимание при первом же знакомстве с ним. Многие названия минералов даны именно по этому признаку. Примеры: лазурит, азурит («азур» по-французски – лазурь), хлорит («хлорос» по-гречески – зеленый), рубин («рубер» по-латыни – красный) и т.д.

В целом, проблема окраски минералов очень сложна. В природных химических соединениях различают три рода окрасок по происхождению: 1) идиохроматическую, 2) аллохроматическую и 3)псевдохроматическую.

1. Идиохроматизм (греч. «идиос»-свой, собственный). Окраска обусловлена внутренними свойствами минералов. Это вид окраски зависит от наличия в кристаллической решетке минералов ионов-красителей, или хромофоров. Таковы, например черный магнетит (Fe Fe₂O₄), латунно-желтый пирит (FeS₂), карминно-красная киноварь (HgS), зеленые и синие кислородные соли меди (малахит, азурит, бирюза и др.), густо-синий лазурит и т.д. Эти типичные окраски минералов получили название идиохроматических. В различных минералах они обусловлены разными причинами:

а) окраска минерала зависит от их происхождения, т.е. в состав самих соединений входит какой-либо хромофор, т.е. химический элемент, приносящий окраску. К числу их относятся следующие: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, т.е. элементы семейства железа. Наиболее ярким представителем хромофоров является хром (красная-пироп, рубин), яркозеленая (изумруд, уваровит, фуксит).

б) Окраска некоторых прозрачных минералов может быть связана с изменением однородности строения кристаллических решеток, с изменением электростатического состояния ионов, могущих превращаться под влиянием тех или иных причин в нейтральные атомы или в возбужденные атомы. Так, известны случаи окраски каменной соли (NaCl) в красивый синий цвет.

в) Особую, хотя и очень небольшую, группу окрашенных минералов составляют такие соединения, в которых окраска обусловлена не наличием хромофоров и не нарушением электростатической однородности кристаллических решеток, а присутствием ионов или целых групп внутри пустых промежутков решетки (ярко-синий лазурит).

2. Аллохроматизм-это когда один и тот же минерал бывает, окрашен в различные цвета и оттенки. Так, кварц, обычно встречается в виде бесцветных, часто совершено прозрачных кристаллов (горный хрусталь). В то же время он бывает окрашен в красивый фиолетовый цвет (аметист), розовый, желто-бурый (от окислов железа), золотистый (цитрин), серый или дымчатый (раухтопаз), густой черный (морион), наконец молочно-белый цвет.

В большинстве случаев окраска в таких минералах связана с посторонними тонкорассеянными механическими примесями, окрашенные в тот или иной цвет хромофорами (носителями окраски).

3. Псевдохроматизм. В некоторых прозрачных минералах иногда наблюдается «игра цветов», обусловленная интерференцией падающего света в связи с отражением его от внутренних поверхностей трещин спайности, иногда от поверхности каких либо включений (лабрадорит имеет, особенно на полированных плоскостях, красивые сини и зеленые переливы).

Цвет черты. Под этим термином подразумевается цвет тонкого порошка минерала, т.е. способность минерала в порошке давать черту на неглазурованной фарфоровой пластинке (бисквите). Этот признак минералов является более постоянным, и более надежным диагностическим признаком.

Цвет черты или порошка в ряде случаев совпадает с цветом самого минерала. Например, у киновари окраска и цвет порошка красные, у магнетита черные, у лазурита синие и т.д. Для других минералов наблюдается резкое различие между цветом минерала и цветом черты. Например, у гематита цвет минерала стально-серый или черный, черта красная, у пирита цвет минерала латунно-желтый, черта черная.

Большинство прозрачных или полупрозрачных минералов обладают бесцветной или слабоокрашенной чертой.

Блеск. Падающий на минерал световой поток частью отбрасывается назад, причем частота колебаний не претерпевает изменений. Этот отраженный свет и создает впечатление блеска минерала. Интенсивность блеска, т.е. количество отраженного света, тем больше, чем резче разница между скоростями света при переходе его в кристаллическую среду, т.е. чем больше показатель преломлении (N) минерала. Блеск не зависит от окраски минерала.

1 Стеклянный блеск, свойственный минералам с N=1,3-1,9 (кварц, флюорит, кальцит и др.)

2 Алмазный блеск, характерный для минералов с N=1.9-2.6 (циркон, касситерит, сфалерит, алмаз и др.)

3 Полуметаллический блеск прозрачных и полупрозрачных минералов с показателем преломления N=2,6-3,0 (куприт, киноварь, гематит)

4 Металлический блеск минералов с показателем преломления выше 3(пирит, халькопирит, галенит и др.).

Вторым важным фактором (независимо от показателя преломления и поглощения света), влияющим на результат отражения света, является характер поверхности, от которой происходит отражение.

Если минерал в изломе имеет не идеально гладкую, а скрытобугорчатую или ямчатую поверхность, то стеклянные, алмазные блески приобретают чуть тусклый оттенок. В этом случае говорят о жирном, восковом или матовом блеске минералов (нефелин, опал, мел, каолин и др.).

В минералах с параллельноволокнистым строением (асбест, селенит) наблюдается шелковистый блеск. У некоторых минералов, имеющих слоистую кристаллическую структуру с резко выраженной совершенной спайностью, появляется перламутровый блеск (мусковит, тальк, пластинчатый гипс).

Спайность и излом. Спайностью называется способность кристаллов и кристаллических зерен раскалываться или расщепляться в руках или от удара по определенным кристаллографическим направлениям на блестящие параллельные грани. Это свойство минералов связано исключительно с внутренним строением и не зависит от внешней формы кристаллов. Принята следующая градация спайности:

1 Спайность весьма совершенная (слюды, хлориты). Кристалл способен расщепляться на тонкие листочки.

2 Спайность совершенная (в кристаллах кальцита, галенита, каменной соли) При ударе молотком всегда получаются выколки по спайности, внешне очень напоминающие настоящие кристаллы.

3 Спайность средняя (например, в кристаллах полевых шпатов, роговой обманки). На обломках минералов отчетливо наблюдаются плоскости спайности.

4 Спайность несовершенная (например, у апатита, касситерита). Она обнаруживается с трудом, ее приходиться искать на обломке минерала.

5 Спайность весьма несовершенная, т.е. практически отсутствует (например, у корунда, золота, платины, магнетита и др.)

Со спайностью тесно связано такое свойство минералов, как излом. Излом, это способность минерала скалываться от удара. Излом может быть ступенчатый (полевые шпаты), неровный (кварц, пирит), занозистый (актинолит), оолитовый (гематит), раковистый (опал).

Твердость. Способность минералов сопротивляться проникновению в кристаллическую решетку другого минерала или другого вещества. Для оценки твердости принимается шкала Мооса, представленная десятью минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие.

За эталоны этой шкалы приняты следующие минералы в порядке твердости от 1 до 10:

1-Тальк Mg(Si₄O₁₀)(OH)₂ 6-Ортоклаз K(AlSi₃O₈)

2-Гипс CaSO₄ 2H₂O 7-Кварц SiO₂

3-Кальцит CaCO₃ 8-Топаз Al2(SiO₄)(F,OH)

4-Флюорит CaF 9-Корунд Al₂O₃

5-Апатит Ca₅(PO₄)₃F 10-Алмаз C

Определение твердости исследуемого минерала производится путем установления, какой из эталонных минералов он царапает последним. Например, если исследуемый минерал царапает апатит, а сам царапается ортоклазом, то это значит, что его твердость заключается между 5 и 6.

Хрупкость, ковкость, упругость. Эти свойства, при диагностики минералов имеют второстепенное значение. Однако для ряда минералов они весьма характерны.

Хрупкость-свойство минерала крошиться под давлением при проведении острием ножа царапины по его поверхности.

Ковкость-это свойство пластической деформации некоторых минералов (медь, золото, электрум, серебро).

Упругость-свойство вещества изменять свою форму под влиянием деформирующих сил и вновь ее восстанавливать при удалении их (минералы группы асбеста).

Удельный вес. Удельные веса минералов колеблются в широких пределах: от значений меньше 1 до 23,0. Удельные веса минералов определяются в основном двумя способами: 1) методом вытеснения жидкости, т.е. путем взвешивания образца и измерения объема вытесненной им воды в сосуде, 2) путем определения потери в весе минерала, погруженного в воду (абсолютный вес образца делят на потерю им веса в воде). Удельный вес зависит от атомного веса ионов, слагающих кристаллического вещества. По удельному весу все минералы делятся на легкие (от 1 до 3,5), средние (от 3,5 до 4,7) тяжелые (от 4,7 до 23,0) г/см³.

Магнитность. Существует очень немного минералов, которые обладают явно выраженными магнитными свойствами. Минералы с парамагнитными свойствами легко притягиваются магнитом (пирротин) но имеются минералы, которые сами представляют собой магнит, т.е. являются ферромагнитными и притягивают к себе железные опилки, гвозди. Таким свойством обладает магнетит, никелистое железо, некоторые разности ферроплатины. Наконец известны диамагнитные минералы, отталкивающиеся магнитом (самородный висмут). Испытание на магнитность производится при помощи, свободно вращающейся магнитной стрелки, к концам которой подносится испытуемый образец.

Слабыми магнитными свойствами обладает довольно многие минералы. На различии этих слабо выраженных магнитных свойств основано разделение минералов на фракции с помощью электромагнита при исследовании так называемых шлихов, т.е. тяжелой фракции минералов, получающихся при промывании.

Радиоактивность. Радиоактивность минералов определяется по производимой ими ионизации воздуха с помощью электроскопов, ионизационных камер и различных систем счетчиков.

Установлены три ряда последовательных радиоактивных превращений: 1) ряд урана, начинающийся с урана U²³⁸, в котором, в числе промежуточных продуктов распада, образуется и радий с периодом полураспада 1600 лет; 2) ряд актиния, начинающийся с другого изотопа урана-U²³⁵ и включающий в числе промежуточных продуктов превращений актиний, и 3) ряд тория, начинающийся с изотопа Тh²³².

Явлениями радиоактивного распада, протекающего в течение огромных периодом времени, пользуются при определении абсолютного геологического возраста различных пород, в которых в свое время образовались минералы. Это определение возраста, возможно прежде всего потому, что скорость распада каждого радиоактивного вещества не только постоянна, но и не зависит ни от температуры, ни от происходящих химических реакций. Вторым важным обстоятельством является то, что содержание конечных продуктов распада (гелия, и свинца) минерала находится в прямой зависимости от времени, истекшего с момента образования радиоактивных минералов. Радиоактивным минералом является берилл.

Люминесценция. Цвет двойное лучепреломление и поляризация света, блеск минерала связаны с явлениями взаимодействия с ним лучей видимой части спектра электромагнитных колебаний.

Люминесценцией называется способность кристаллов светиться под влиянием разного рода излучений за пределами длин волн видимого света. В зависимости от вида излучения, используемого для возбуждения, различают фотолюминесценцию (возбуждение ультрафиолетовыми лучами), ренгенолюминесценцию (возбуждение ренгеновскими лучами), катодолюминесценцию (возбуждение потоком электродов) и т.д. Наиболее просто люминесценция минералов наблюдается в ультрафиолетовых лучах в темноте. Нелюминесцирующие минералы остаются черными, у других появляется свечение разного цвета и интенсивности. Известны минералы с фиолетовым, синим, голубым, зеленым, желтым, оранжевым, красным свечением в ультрафиолетовых лучах. Цвет и интенсивность свечения одного и того же минерала тоже бывают различной в зависимости от его состава и особенностей его структуры. Для некоторых минералов люминесценция является важным диагностическим признаком. По яркому голубому или желтому свечению легко определяется алмаз. По синему и желтому свечению легко отличается рудный минерал вольфрама шеелит, от кальцита и кварца (у кальцита чаще всего бывает розовое свечение, кварц не люминесцирует), по красному свечению рубин отличают от его имитаций и т.д.

Электрические свойства. 1) Электропроводность. В большинстве своем минералы являются плохими проводниками электричества. Исключением являются самородные минералы: золото, медь, серебро и другие, сульфиды, некоторые окислы (магнетит) и графит, удельное сопротивление которых менее 10 Ом м. Ряд минералов обладает одновременно электронной и ионной проводимостью электричества (марказит, пирит, халькопирит, борнит, сфалерит, и др.). На использовании электрических свойств минералов основаны различные методы электроразведки месторождений полезных ископаемых: методы сопротивлений, естественного электрического поля, заряженного тела, вызванной поляризации и др.

2) Сегнетоэлектричество. Этим свойством обладают минералы с полярными направлениями в их кристаллах. Пироэлектричество также возникает в кристаллах-диэлектриках с полярными направлениями. При нагревании (или охлаждении) разные концы этих полярных направлений получают разноименные электрические заряды. Примером такого минерала является турмалин (ось L₃ в нем – полярная ось).

Некоторые минералы обладают свойством растворимости и вкусовыми качествами (галит NaCl растворяется в воде, соленый вкус), звуковые свойства (минерал церуссит-PbCO₃ при падении издает звук разбитого стекла), запах издают минералы при ударе или разломе их, что указывает на присутствие тех или иных элементов в руде. Например, самородный мышьяк, арсенопирит (FeAsS) и другие арсениды металлов при резком ударе издают характерный чесночный запах-«запах мышьяка».

Некоторые минералы легко узнаются на ощупь, особенно в порошковых массах (тальк на ощупь жирный, ярозит при растирании пальцами дают ощущение жирного и салящего вещества, что отличает его от похожего на него охристого лимонита).

Контрольные вопросы для самопроверки.

1)Чем обусловлена и в чем заключается анизотропия свойств у кристаллов кварца и турмалина?

2)Как меняются свойства изоморфных смесей?

3)Какова роль хромофоров в окраске минералов?

4)Каковы типичные примеры анизотропии в окраске минералов?

5)Каковы примеры окраски, вызванной электронно-дырочными центрами?

6)Как соотносятся значения твердости вдавливания и твердости царапания минералов?

7)Чем спайность отличается от излома и отдельности?

8)Каковы главные типы магнитных структур минералов?

9)Что такое ряд напряжений сульфидов?

Гиперссылка: все физические свойства минералов студенты изучают по коллекции образцов минералов по классам. Для выполнения лабораторной работы студентам преподавателем выдается коллекция образцов, по которым они изучают различные физические свойства, характерные для определенных минералов.