Диагностические свойства минералов

Физические свойства минералов имеют большое практическое значение (радиоактивность, люминесценция, твердость, магнитные и оптические свойства и другие) и очень важны для диагностики минералов. Каждый минерал характеризуется какими-либо особыми признаками, по которым его можно всегда отличить от других минералов. Очень многие минералы можно достаточно точно определить по комплексу характерных физических свойств, не прибегая к более трудоемким исследованиям, таким как химический анализ, рентгенография и другие. Мы рассмотрим, главным образом, те свойства, которые могут использоваться при визу-альной диагностике минералов. Диагностические признаки - свойства, позволяющие определить основные породообразующие минералы без применения сложных приборов и трудоемких химических анализов. Существуют оптические (цвет, цвет черты, блеск, прозрачность), механи-ческие (твердость, спайность, характер излома, хрупкость), химические (реакции с HCl, растворимость (вкус)) и прочие (магнитность, плотность (удельный вес), формы выделения (облик зерен, кристаллов, характер минеральных агрегатов)) диагностические признаки.

Следует иметь в виду, что некоторые физические свойства могут быть одинаковыми у различных минералов и, наоборот, какие-либо свойства (например, цвет или плотность) могут изменяться у одного и того же минерала. Поэтому при макродиагностике минерала необходимо уста-новить возможно большее число его свойств. Случаи, когда определенное свойство позволяет уверенно диагностировать минерал (например, магнитные свойства магнетита) являются скорее исключением из правил и не могут быть распространены на все многообразие минералов.

Оптические свойства

Кристаллохимическая структура обусловливает оптические свойства минералов. Скорость распространения световых колебаний в кристалле зависит от плотности его структуры. Чем плотнее кристаллохимическая структура, тем медленнее распространяются световые лучи. Так как плотность структуры в разных направлениях в кристалле обычно неодинакова (за исключением кристаллов кубической сингонии), то и скорость света в кристалле будет меняться в разных направлениях.

Отношение между скоростью света в воздухе и в кристалле называется показателем светопреломления. Переход луча света из одной среды в другую с иной плотностью сопровождается отклонением этого луча. Поэтому прозрачные минералы с высокой плотностью структуры характеризуются значительным отклонением световых лучей. Это воспринимается глазом в виде красивой «игры света», характерной для драгоценных камней (топаза, алмаза, сапфира и др.). Преобладают минералы с показателем светопреломления от 1,500 до 1,700.

Прозрачность - способность вещества пропускать свет. В зависимости от степени прозрачности все минералы подразделяются на прозрачные (горный хрусталь, исландский шпат), полупрозрачные (сфалерит, киноварь) и непрозрачные (пирит, галенит). Некоторые непрозрачные минералы, например скрытокристаллическая разновидность кварца, получившая название халцедон, просвечивается в краях - в тонких обломках. Некоторые прозрачные минералы, например исландский шпат, обнаруживают эффект двулучепреломления: просматривающиеся через исландский шпат буквы или штриховые рисунки удваиваются.

Блеск является свойством минерала отражать свет. Это эффект, вызываемый отражением света от поверхности минерала. Блеск минералов зависит от разных факторов, прежде всего от показателя преломления и величины отражательной способности минерала. Чем выше отражательная способность минерала, тем сильнее блеск минерала на его зеркальных поверхностях. Вместе с тем все минералы можно разделить на две боль-шие группы: минералы с металлическим и неметаллическим блеском.

Металлический блеск имеют те минералы, которые (независимо от их окраски) дают черную черту на неглазурованной фарфоровой пластинке. Неметаллический блеск характерен для минералов, дающих цветную черту. Исключением из этого положения являются самородные элементы (золото, серебро, медь) и некоторые сульфиды (халькопирит), которые дают цветную черту, но относятся к минералам с металлическим блеском.

Среди неметаллических блесков выделяют алмазный, стеклянный, матовый, жирный, восковой, шелковистый, смолистый. Так, халцедон имеет восковой блеск, нефелин - жирный, хризотил-асбест - шелковистый. Блеск зависит также от шероховатостей, рельефа граней, от неровностей зернистых, параллельно-волокнистых, пластинчатых и других минераль-ных агрегатов, от степени трещиноватости минерала. Блеск одних и тех же минералов на гранях кристаллов, в их изломе и агрегатах бывает различ-ный. Это важно использовать при визуальной диагностике минералов. Так, гипс имеет стеклянный блеск на гранях кристалла, матовый - в зернистых агрегатах, шелковистый - в волокнистых агрегатах. Самородная сера имеет алмазный блеск на гранях кристалла, а в изломе блеск минерала жирный. В той или иной степени блеск прозрачных минералов зависит от их свето-преломления, т.е. от плотности кристаллохимической структуры. Проз-рачным минералам с величиной светопреломления в пределах 1,3 - 1,8 обычно свойствен стеклянный блеск (полевые шпаты, амфиболы, слюды). Для высокопреломляющих минералов с показателем светопреломления от 1,9 до 2,6 типичен алмазный блеск (касситерит, алмаз). У минералов с высоким светопреломлением (более 2,6) обычно полуметаллический блеск (гематит). Перламутровый блеск возникает за счет интерференции света в тонких пластинах. При параллельно-волокнистом строении агрегатов минералов возникает шелковистый блеск. Некоторые тонкозернистые агрегаты обладают матовым блеском (например, писчий мел).

Цвет минералов обусловлен избирательным поглощением отдель-ных интервалов волн видимой части спектра при отражении или пропус-кании света. Одни минералы имеют определенный цвет, по которому можно практически безошибочно определить минерал: красного цвета - киноварь, золотисто-желтого цвета - пирит, зеленого цвета - малахит и т.д. Другие минералы - турмалин, гранат, флюорит, берилл, кварц - имеют различную окраску. Встречаются и такие минералы, которые имеют разный цвет в одном и том же кристалле: один конец кристалла турмалина может быть окрашен в черный, другой - в зеленый цвет, а середина - бесцветная или розовая. Это полихромные минералы. К таким минералам можно отнести флюорит, кварц, кальцит, топаз и др.

Цвет минералов зависит от их внутренней структуры, от механических примесей и, главным образом, от присутствия элементов-хромофоров, т.е. элементов - носителей окраски. Это Cr, V, Ti, Mn, Fe, Ni, Co, Cu, U, Mo и некоторые другие. Эти элементы могут быть основными элементами минерала (Cu - в малахите; Mn - в родоните), а могут входить в состав минерала лишь в виде примесей. Так, примесь Cr вызывает зеленую окраску в изумруде - разновидности берилла Be₃Al₂[Si₆O₁₈] и красную окраску в рубине - разновидности корунда Al₂O₃.

А.Е.Ферсман выделял следующие цвета (окраски) минералов:

1. Идиохроматическая (собственная) окраска, обусловленная особенностями химического состава, кристаллической структуры, при-сутствием ионов-хромофоров или электронно-дырочных центров окраски.

2. Аллохроматическая, связанная с механическими включениями ярко окрашенных посторонних минералов (например, буро-коричневый авантюрин - кварц, содержащий тонко рассеянные чешуйки гематита Fe₂O₃; розовый ортоклаз за счет механической примеси гематита; зеленый шеелит за счет тонко рассеянной примеси малахита по микротрещинам и др.).

3. Псевдохроматическая окраска, связанная с рассеянием света, интерференцией световых волн (побежалость, иризация, опалесценция). Некоторые минералы, например лабрадор, изменяют свой цвет в зависи-мости от условий освещения, приобретая при этом красивую радужную окраску. Такое свойство минералов получило название иризация (интер-ференция белого света при прохождении сквозь микроскопические парал-лельно ориентированные пластинки или трещины). Иногда на поверхности рудных минералов наблюдается тонкая пестроокрашенная пленка, образование которой связано с протеканием различных химических реакций при выветривании или окислении минерала. Природа окраски этой пленки также связана с интерференцией света, однако в данном случае это явление получило название побежалость (например, яркая фиолетовая и синяя побежалость у борнита Cu₅FeS₄; зеленоватая и красная побежалость у халькопирита CuFeS₂).

Важным приемом определения цвета минерала при его диагностике является определение цвета его порошка или цвета черты, оставленной минералом на шероховатой неглазурованной фарфоровой пластинке (бисквите). Цвет минерала в порошке может отличаться от цвета самого минерала. В тонком порошке часто легче оценить истинную окраску минерала. Однако это возможно лишь для минералов, твердость которых невелика. Часто одинаковые на вид минералы имеют разную черту. Так, черта гематита вишнево-красного цвета, хромита - желто-бурая, сфалерита - темно-коричневая, хотя все эти минералы в образце могут иметь черную окраску. Напротив, золотисто-желтый пирит имеет черного цвета черту. Это различие используется как важный прием в диагностике минералов.

Механические свойства

К числу механических свойств относят твердость, спайность, излом, отдельность, хрупкость, ковкость и другие. Эти свойства обнаруживаются при механическом воздействии на минерал: сжатии, растяжении, ударе. К важнейшим механическим свойствам относят спайность и твердость.

Твердость минерала. Под твердостью подразумевается сопротивле-ние, оказываемое кристаллом механическому воздействию более прочного тела. Она отражает прочность химических связей между атомами и зависит от типа химических связей.

Для быстрой диагностики минералов их твердость определяют методом царапания с помощью простых эталонов твердости, используя шкалу Мооса, предложенную еще в 1824 году. Степень твердости оценивается по десятибалльной шкале - низшая твердость обозначается единицей, а высшая - 10.

Название минерала, формула	Твердость по шкале Мооса
Тальк Mg3[Si4O10](OH)2	1
Гипс CaSO4.2H2O	2
Кальцит CaCO3	3
Флюорит CaF2	4
Апатит Ca5[PO4]3(F,Cl)	5
Ортоклаз K[AlSi3O8]	6
Кварц SiO2	7
Топаз Al2[SiO4](F,ОН)2	8
Корунд Al2O3	9
Алмаз C	10

В этой шкале каждый последующий минерал острым концом царапает предыдущий. Необходимо отметить относительность шкалы Мооса: если тальк имеет твердость 1, а гипс 2, то это не означает, что гипс в 2 раза тверже талька. То же касается всех других минералов - эталонов.

Шкала Мооса, наряду с более сложными современными методами определения твердости, широко используется минералогами до настоящего времени.

В ряде случаев (особенно в полевых условиях) можно использовать подручные эталоны. Это ноготь (твердость 2.5), медная монета (твердость 3), стекло (твердость 5-5.5), стальной нож (твердость 5.5), напильник (твердость около 7). Определение твердости необходимо проводить только на грани или на свежей ровной поверхности, учитывая морфологию минерала. Твердость, измеренная на агрегате, будет заведомо занижена. Она отражает, по существу, прочность сцепления между частицами.

Преобладают минералы с твердостью 3 — 7. Прозрачные минералы с высоким светопреломлением обладают высокой твердостью. Таковы гранаты, твердость их 7.5 — 8; топаз, турмалин и берилл — 8; корунд — 9; алмаз — 10.

Высокая твердость минерала не означает его устойчивости к раздавливанию. Некоторые минералы с высокой твердостью довольно хрупкие, например гранаты. При характеристике механических свойств минералов отмечаются не только твердость и хрупкость, но и другие особенности, свойственные некоторым из них, — упругость, ковкость.

Спайность. Это способность кристаллов раскалываться параллельно определенным кристаллографическим плоскостям с образованием блестящих поверхностей. Плоскость спайности ориентирована параллельно фактическим или возможным граням кристалла. Спайность относится к наиболее характерным диагностическим признакам минералов. Обычно для спайности определяют степень совершенства и простую форму, по которой раскалывается кристалл. Особенно важно практически научиться отличать плоскость спайности от граней кристалла. Качество спайности определяют по следующей условной шкале:

• весьма совершенная - кристалл колется на тончайшие пластинки с зеркальной поверхностью (слюда, гипс);

• совершенная - кристалл колется с образованием ровных поверхностей, неправильный излом получается крайне редко (кальцит, галит, галенит);

• средняя - при расколе кристалла образуются как ровные спайные поверхности, так и неровные поверхности излома (полевые шпаты, роговая обманка);

• несовершенная - при расколе ровные спайные поверхности редки; большей частью образуется неправильный излом (берилл, апатит);

• весьма несовершенная - ровные поверхности практически отсутствуют (кварц, касситерит).

Спайность может проявляться в одном (гипс, слюда), двух, трех (галит, галенит), четырех и шести (флюорит) кристаллографических направлениях.

В тех направлениях, где нет спайности, кристаллы раскалываются по сложным поверхностям излома. Различают ровный, ступенчатый (полевые шпаты), неровный (апатит, касситерит), занозистый (актинолит, тремолит), крючковатый (самородные Au, Ag, Pt) и раковистый (кварц) изломы. Вид излома иногда является характерной особенностью некоторых минералов (раковистый излом кварца), что помогает в их диагностике. Для минералов с совершенной спайностью в нескольких направлениях характерен ступенчатый излом; для минералов волокнистого строения типичен занозистый, а для аморфных минералов — раковистый излом.

Отдельность - это способность кристаллов раскалываться с образованием ровных поверхностей по плоскостям их фазовой неоднородности. Это могут быть плоскости срастания двойников, плоскости мельчайших ориентированных включений других минералов. Так, характерная отдельность корунда обусловлена тончайшими включениями слюды - мусковита.

Интересными для диагностики минералов являются и другие механические свойства.

Хрупкость - это свойство крошиться под давлением или при ударе. Самородная сера - очень хрупкий минерал. Самородное золото, медь, серебро - ковкие минералы. Ковкость их проявляется в том, что они могут быть легко расплющены в тонкую пластинку. Для многих минералов характерна гибкость (молибденит, хлорит, тальк), но только листочки слюды в то же время и упругие, то есть они восстанавливают первоначальное положение при снятии напряжения.

Химические свойства

Растворимость в воде (вкус) - характерна лишь для минералов - галогенидов (хлоридов натрия и калия). Из изучаемых минералов галит (NaCl) имеет соленый вкус; сильвин (KCl) - горько-соленый.

Реакция с разбавленной соляной кислотой (HCl) используется для диагностики минералов класса карбонатов. Реакция протекает по следующей схеме: , где Ме²⁺ - катионы Ca²⁺; Mg²⁺; Fе²⁺. Интенсивность протекания реакции неодинакова для различных карбонатов:

кальцит – бурно «вскипает» в куске с выделением пузырьков углекислого газа;

доломит – «вскипает» в порошке;

магнезит – «вскипает» в порошке при нагревании;

сидерит - выделения углекислого газа не происходит, после высыхания на поверхности минерала образуется зеленовато-бурое пятно хлористого железа.

Прочие свойства

Магнитные свойства. Большинство минералов не магнитны - полевые шпаты, кальцит, кварц и другие. К слабо магнитным относят те минералы, которые приобретают магнитность под действием электрического поля. Это некоторые оксиды железа, железистый сфалерит и другие минералы. Магнитные минералы притягиваются магнитом. Таких минералов немного. Это магнетит (FeFe₂O₄), в меньшей степени пирротин (Fe_1-xS_x), самородное железо (Fe). Из изучаемых минералов магнитностью обладает магнетит (сильно магнитен) и пирротин (слабо магнитен). Наличие магнитных свойств выявляется при помощи стрелки компаса, которая отклоняется при поднесении к ней магнитного минерала.

Плотность минералов. Плотность минералов колеблется от 1,0 до 22,7 г/см³. Условно все минералы можно разделить на легкие (менее 2,9 г/см³), тяжелые (2,9-6,0 г/см³) и очень тяжелые (более 6 г/см³). Подавляющее число минералов имеет плотность от 2,5 до 3,5, что и обусловливает плотность земной коры, равную примерно 2,7-2,8 г/см³. Плотность минералов возрастает с ростом компактности кристаллической структуры вещества, увеличением атомного номера входящих в состав минерала элементов.

Легкие (менее 2,9г/см3)	Тяжелые (2,9-6,0г/см3)	Очень тяжелые (более 6,0г/см3)
Лед 0,9	Биотит 2,8-3,2	Шеелит 6,1
Сера 2,0	Турмалин 3,0	Касситерит 6,8
Графит 2,1	Роговая обманка 3,0	Вольфрамит 7,0
Гипс 2,3	Флюорит 3,1	Галенит 7,4
Полевые шпаты 2,5-2,7	Алмаз 3,5	Киноварь 8,1
Берилл 2,6-2,9	Топаз 3,5	Медь 8,9
Кальцит 2,7	Корунд 4,0	Серебро 10,5
Кварц 2,7	Барит 4,5	Золото 15,0-19,3
	Пирротин 4,6	Платина 14-19
	Пирит 5,0	Осмистый иридий 19,3-22,7
	Магнетит 5,2
	Гематит 5,3

Как правило, минералы, содержащие тяжелые металлы, имеют большую плотность. Чаще всего тяжелыми являются рудные минералы (пирит, гале-нит, сфалерит, халькопирит и др.). Из нерудных минералов высокой плот-ностью обладает барит (4,5 г/см³), что является его важнейшим диагности-ческим свойством.

Полиморфные модификации, имеющие разную степень компактности структуры, имеют разную плотность. Графит - 2,2 г/см³, а алмаз - 3,5 г/см³; кальцит - 2,6 - 2,8 г/см³, а арагонит - 2,9 - 3,0 г/см³, что свидетельствует о более плотной упаковке атомов в структурах алмаза и арагонита соответственно.