Учебники / 2 курс 1 семестр / Русаленко Науки о Земле

Скорость распространения сейсмических волн увеличивается с возрастанием плотности веществ. При резком изменении плотности пород, при их неоднородности скорость распространения сейсмичес- ких волн резко – скачкообразно – меняется, образуются особые раз- делы – поверхности. С помощью сейсмических волн подтверждено мнение о том, что Земля состоит из нескольких концентрических обо- лочек – геосфер.

К геофизическим относят также гравиметрический и магнито- метрический методы. Сущность гравиметрического метода заключа- ется в изучении распределения на поверхности земли силы тяжести, так как значения ускорения свободного падения изменяются в зависи- мости от особенностей геологического строения местности, в частно- сти от изменения плотности горных пород. В основу магнитометричес-

кого метода положены наблюдения над изменением магнитного поля Земли в зависимости от состава и строения земной коры.

Основой реконструкции физико-географических и тектоничес- ких обстановок геологического прошлого служит часто использу- емый в геологии метод актуализма. Актуализм (от лат. actualis – современное, настоящее) – это сравнительно-исторический метод в геологии, согласно которому, изучая современные геологические процессы, можно судить об аналогичных процессах далекого прошло- го. Смысл этого понятия можно выразить более кратко: настоящее есть ключ к прошлому. Как научный принцип актуализм выдвинут в первой половине XIX в. английским геологом Ч. Лайелем (1797– 1875). Метод актуализма является весьма результативным при изу- чении горных пород, условий их образования, перемещения и отло- жения, а также при реконструкции физико-географических условий далекого прошлого.

Сравнение современной фауны морей и океанов, ее обилия, тол- щины и формы раковин с ископаемыми организмами позволяет уста- навливать условия обитания древней фауны. Если организмов много

инаблюдается большое разнообразие их видов, то это свидетельству- ет о нормальной солености воды, ее прогретости, мелководности, т. е. о том, что условия обитания в прошлом были благоприятны для жизни организмов. Организмы, имевшие толстые раковины, жили, как

исейчас, в теплом, мелководном море. Напротив, тонкие раковины сви-

детельствуют о холодном море с дефицитом растворенного карбоната кальция.

Восстановить палеотемпературу древних бассейнов и их соленость помогают геохимические исследования изотопов и соотношения раз- личных химических элементов. Так, соотношение изотопов кислоро- да 18О / 16О в раковинах существующих ныне животных зависит от тем- пературы морской воды. Определяя это отношение в ископаемых раковинах, мы тем самым можем установить и палеотемпературу древ- него морского бассейна.

Поведение железа как химического элемента сильно зависит от содержания кислорода в окружающей среде. В горных породах зем- ной коры оно находится в виде ионов разной валентности (в двух со- стояниях окисления), т. е. Fe2+ и Fe3+, и с другими элементами образует типичные минералы, встречающиеся в обычных породах. В извержен- ных породах, являющихся результатом расплавления пород мантии, ос- новная масса железа находится в низком состоянии окисления, т. е. в виде иона Fe2+. Однако при выветривании этих пород под воздействием дож- девой воды часть железа растворяется, а высокое содержание кисло- рода в атмосфере очень быстро вызывает его окисление до Fe3+. Но железо в виде Fe3+ почти не растворимо в воде и быстро выпадает в осадок красноватого цвета на дне ручьев и водоемов, где оно собирает- ся. В результате этого все природные воды на сегодняшней Земле со- держат очень мало железа в растворенном виде. Если бы содержание кислорода в атмосфере было значительно ниже, то ионы Fe2+ не окисля- лись бы и содержание растворенного железа в воде было бы выше.

Геологическое исследование всегда предполагает определение состава отложений, последовательности их образования и возраста. Это нужно для того, чтобы наиболее точно реконструировать историю гео- логического развития и показать те события, которые отразились в гор- ных породах и которые происходили либо в одно и то же время, либо в разное, и, кроме того, важно знать последовательность событий. Эти задачи решаются стратиграфическим методом исследований.

Стратиграфия (от лат. stratum – слой; греч. grapho – пишу) – раздел геологии, изучающий последовательность формирования гор- ных пород и их первичные пространственные взаимоотношения. Легче всего расчленять мощные толщи отложений на отдельные слои по ли- тологическому признаку, т. е. по составу горных пород. Например, мож- но без особых затруднений выделить слои глин, известняков, песчани- ков и т. д. Для последующего разделения этих слоев на составляющие их части можно использовать цвет, характер слоистости, содержание

ископаемых остатков фауны, флоры и другие признаки, т. е. все более тонкие различия. При этом руководствуются правилом, сформулирован- ным в XVII в. датским анатомом Николаусом Стеноном. Он отметил, что осадки, выпавшие в воде, должны первоначально образовать горизон- тальные слои, независимо от их современной ориентировки, и что каж- дый вышележащий слой моложе подстилающего. Таким образом, Н. Стенон заложил основу для создания геологической шкалы времени.

Для расчленения отложений кроме изложенного выше литологи-

ческого метода применяется и палеонтологический, основанный на выделении слоев по содержанию в них различных комплексов органи- ческих остатков, называемых руководящими. Хотя руководящие ис-

копаемые в большинстве случаев составляют лишь часть от общего количества организмов, встречающихся в данном слое, они характери- зуются четкими особенностями формы, что позволяет быстро и уве- ренно их распознавать.

В геологических исследованиях применяется также спорово-пыль- цевой метод, основанный на изучении остатков спор и зерен пыльцы, которые, разносясь ветром на большие расстояния и попадая в отло- жения горных пород в огромном количестве, чрезвычайно устойчивы и не разрушаются.

Отмеченные особенности этих остатков растительных организмов позволяют весьма успешно использовать их для сопоставления мор- ских, континентальных и других отложений и даже для восстановления палеогеографических условий, так как при изменении условий суще- ствования изменяется растительность и, следовательно, становится иным спорово-пыльцевой видовой состав.

Палеонтологический метод, основанный на использовании иско- паемых остатков организмов, позволил геологам провести относитель- ную датировку горных пород и установить последовательность глав- ных событий, происшедших на Земле в течение фанерозоя. Например, было установлено, что рыбы появились на нашей планете раньше, чем динозавры и млекопитающие, а обширные угольные месторождения образовались в древних болотах до того, как на океаническом дне воз- никли мощные меловые отложения.

Рассмотренные палеонтологические методы геологических иссле- дований применимы лишь к слоистым осадочным отложениям. Одна- ко большие пространства на Земле сложены магматическими и мета- морфическими горными породами, в которых органические остатки

не встречаются. Для исследования таких горных пород применяются другие методы.

Со второй половины XX в. большое значение для возрастного рас- членения отложений горных пород приобрел палеомагнитный метод, основанный на способности горных пород сохранять характер намаг- ниченности того времени, в которое они образовались. По современ- ным представлениям, магнитное поле Земли обусловлено конвектив- ными токами вещества в ядре и мантии, вызывающими процессы, по- добно динамомашине, генерирующей магнитное поле. По неясным пока

причинам магнитное поле Земли через различные интервалы времени меняет свой знак, т. е. испытывает инверсию, и северный полюс меня- ется местами с южным. В настоящее время северный конец стрелки компаса направлен на север, что соответствует нормальной (прямой) полярности. Противоположное направление обозначает обратную (об- ращенную) полярность. Известно, что последняя смена полярности магнитного поля произошла 780 тыс. лет назад. Закрепляясь в горных породах, прямая и обратная полярность составляет сущность магнито- стратиграфического метода расчленения отложений. Фиксируя в гор- ных породах разного происхождения интервалы прямой и обратной на- магниченности, мы получаем возможность провести стратиграфичес- кую корреляцию (сопоставление) отложений в глобальном масштабе.

Палеонтологический метод и до некоторой степени палеомагнит-

ный дают представление об относительном возрасте горных пород и относительном положении геологических событий. При этом не пред- ставляется возможным оценить длительность геологического време- ни (например, как долго на Земле существовали динозавры и сколько лет назад они исчезли), а также установить начало и окончание геоло- гических эпох и периодов и, наконец, определить возраст Земли.

Абсолютная геохронология, т. е. определение возраста в астроно- мических единицах времени – годах, стала возможной после открытия явления радиоактивности. Использование радиоактивности для целей геохронологии предложено французским физиком Пьером Кюри (1859– 1906) и английским физиком Эрнестом Резерфордом (1871–1937) в начале XX в. В основе радиометрического метода определения аб- солютного возраста горных пород лежит физическое явление радио- активного распада некоторых изотопов.

Некоторые химические элементы периодической таблицы Д. И. Менде- леева имеют по несколько изотопов. Радиоактивные изотопы неустойчивы.

К внешним сферам относят атмосферу, гидросферу и биосферу, к внут- ренним – земную кору, мантию и ядро. Концентрическое строение Земли объясняется процессами дифференциации вещества. Основной причиной дифференциации является вращение Земли вокруг своей оси.

3.2.1. Внешние сферы Земли. Детальным изучением внешних сфер Земли занимаются специальные науки: метеорология, гидроло- гия, биология. Однако основные сведения об атмосфере, гидросфере и биосфере необходимы и для изучения курса геологии. Соприкасаясь с поверхностью Земли, внешние сферы оказывают весьма разнооб- разное влияние на ход геологических процессов.

Атмосфера (от греч. atmos – пар; sphaira – шар) – воздушная обо- лочка вокруг Земли, вращающаяся вместе с нею. Нижней ее границей является земная поверхность, верхняя – отчетливо не установлена. Известно, что на высотах от 2 до 20 тыс. км, в так называемой земной короне, в среднем содержится около 1000 ионизированных частиц на каждый 1 см3. В межпланетном же пространстве за пределами короны таких частиц содержится не более 100.

Масса атмосферы около 5,15 · 1015 т. Состав атмосферы у поверхно- сти Земли (процент по объему): азота – 78,08, кислорода – 20,95, аргона – 0,93, углекислого газа – 0,03, а остальная часть (менее 1%) приходится на неон, гелий, криптон и другие газы. На высоте 20–25 км расположен слой озона, который предохраняет живые организмы на Земле от вредного ко- ротковолнового излучения. Важным компонентом атмосферы является углекислый газ. В результате антропогенных воздействий его содержание в атмосфере Земли постепенно возрастает, что усиливает парниковый эф- фект и может привести к глобальным изменениям климата Земли.

В зависимости от распределения температуры атмосфера подраз- деляется на ряд сфер. Для геологии наибольший интерес представляет самая нижняя часть атмосферы – тропосфера, непосредственно сопри-

касающаяся с земной поверхностью и поэтому оказывающая на нее существенное влияние.

Гидросфера (от греч. hydor – вода, влага) – это прерывистая обо- лочка земного шара, представляющая собой совокупность всех вод- ных объектов: океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, под- земных вод, ледников и снежного покрова. В основном гидросфера представлена четырьмя элементами: кислородом (85,89%), водоро- дом (10,80), хлором (1,93) и натрием (1,07%), на долю которых (по массе) приходится 99,69%. Гидросфера активно взаимодействует с

другими геосферами Земли, поэтому в ее водах можно встретить в не- значительных концентрациях все без исключения химические элементы.

Биосфера (от греч. bios – жизнь) – область существования и функци- онирования ныне живущих организмов, охватывающая нижнюю часть ат- мосферы, всю гидросферу, поверхность суши и верхние слои литосферы.

Биосфера представляет собой тончайшую пленку, составляющую всего лишь тысячные доли земного радиуса. Общая толща биосферы оце- нивается в 12–17 км: максимум до 5–6 (как правило, 2–3) км в глубь ли- тосферы, до дна Мирового океана (около 11 км) и до 6–7 км над поверх- ностьюЗемли. Наиболее благоприятныеусловиядляразвития живых орга- низмов складываются на стыке атмосферы с литосферой и гидросферой.

Биосфера – активная оболочка Земли, в которой совокупная дея-

тельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и служит основным средообразующим факто- ром. Биосфера включает в себя как живые организмы, так и среду их обитания. При этом организмы, сложно взаимодействуя друг с другом, составляют единую систему, которая также системно объединяется в единое целое с абиотическими сферами – атмосферой, литосферой и гидросферой, их веществом и пространством.

Человеческая деятельность, в том числе накопление различных загрязнителей, нарушение экологического равновесия, получившее гло- бальный размах, нарушает структуру, организованность и функции био- сферы, грозит ее деструкцией. Следует особо подчеркнуть, что в био- сфере иного эволюционного типа, – не того, в котором возник и разви- вался человек, он существовать не сможет и вымрет, как любой другой биологический вид. Отсюда вытекает необходимость поддержания эко- логического равновесия и проведения природоохранных мероприятий.

3.2.2. Внутренние сферы Земли. Земная кора – верхняя твер-

дая оболочка Земли (рис. 3).

По сравнению с другими оболочками Земли для земной коры ха- рактерно неоднородное строение. Различают континентальную кору, толщина которой изменяется от 35–45 км под равнинами до 70 км в области гор, и океаническую толщиной 5–10 км. В строении континен- тальной коры имеются три слоя: верхний – осадочный, средний, услов- но называемый гранитным, и нижний – базальтовый. В океанической коре гранитный слой отсутствует, а осадочный имеет уменьшенную мощность. В переходной зоне от материка к океану развивается кора промежуточного типа (субконтинентальная или субокеаническая).

Рис. 3. Схема внутреннего строения Земли:

А – земная кора; В – верхняя мантия; C – переходный слой (средняя мантия); D – нижняя мантия; Е – внешнее ядро; G – внутреннее ядро

Осадочный слой преимущественно сложен относительно мягки- ми, иногда и рыхлыми горными породами, которые образовались в

результате осаждения вещества в водных или воздушных условиях на поверхности Земли. Большинство осадочных горных пород име- ют слоистое строение, залегая в виде чередующихся сравнительно тонких слоев с признаком параллельности земной поверхности. Плот- ность их колеблется от 1 до 2,65 г/см3. Мощность осадочного слоя непостоянна: изменяется от нескольких метров до 10–15 км. На по- верхности Земли есть участки, где осадочный слой полностью отсутствует.

Гранитный слой преимущественно сложен магматическими и метаморфическими породами. Полагают, что только самая верхняя часть гранитного слоя представлена гранитами, а в основном в пре- делах его залегают сильнометаморфизированные горные породы – серые гнейсы, сланцы и амфиболиты. Плотность пород в гранитном слое колеблется от 2,65 до 2,8 г/см3. Мощность его непостоянна. Наибольшей мощности (около 50 км) гранитный слой достигает под современными горными образованиями (Гималаи, Памир, Альпы). Сейсмические волны проходят гранитный слой со скоростью 5,5– 6 км/с, скачкообразно возрастающей до 6,5 км/с у нижней его грани- цы. Условная граница, разделяющая гранитный и базальтовый слои

30

земной коры, выявляемая по увеличению скорости прохождения сейсмических волн, названа по имени австрийского геофизика В. Кон- рада. Последующими исследованиями установлено, что поверхность (граница) Конрада далеко не всюду выражена, а фиксируется лишь в отдельных местах.

Базальтовый слой обнаруживается повсеместно и имеет мощность от 5 до 30 км. В отличие от осадочного и гранитного слоев, изученных геологами с помощью прямых методов, базальтовый слой еще не ис- следован. Граница между осадочным и гранитным слоями прослежи- вается четко, а между гранитным и базальтовым – плохо.

По химическому составу и физическим свойствам вещество ба- зальтового слоя приближается к базальтам, т. е. к основным породам, в которых кремнезема содержится гораздо меньше, чем в гранитах. Плотность вещества в базальтовом слое колеблется в пределах 2,9– 3,0 г/см3. Нижнюю границу его принимают за нижнюю границу земной коры, называемую границей Мохоровичича (по имени югославского сейсмолога, который впервые установил ее в 1909 г.). Скорость про- дольных сейсмических волн при переходе поверхности (границы) Мо- хоровичича возрастает скачком с 6,7–7,6 до 7,8–8,2 км/с (рис. 4), а плотность вещества возрастает до 3,5 г/см3.

Мантия Земли располагается между земной корой и ядром Земли, составляя 83% объема Земли (без атмосферы) и 67% ее массы. Верх- няя граница мантии соответствует поверхности Мохоровичича, а ниж- няя проходит на границе с ядром на глубине 2900 км.

В

Рис. 4. Изменение скорости продольных сейсмических волн по глубине Земли

31

По изменению скорости распространения продольных сейсмичес- ких волн в толще мантии выделяют три слоя: верхний В (простирается до глубины 400 км), переходный С (лежит в пределах от 400 до 900 км) и нижний D (расположен на глубинах от 900 до 2900 км). Слои В и С составляют верхнюю мантию, хотя слой С иногда называют средней мантией. В верхней мантии развиваются процессы, с которыми связа- ны тектонические, магматические и метаморфические явления в зем- ной коре. Слой D является нижней мантией.

Верхняя часть слоя В вместе с земной корой образуют литосферу (от греч. lithos – камень), которая является внешней жесткой оболоч- кой Земли (рис. 5).

Под литосферой залегает астеносфера (от греч. asthenes – слабый), представленная веществом пониженной твердости. Именно с этим сло- ем связывают горизонтальные движения литосферных плит. Предпола- гается, что в астеносфере вещество находится в аморфном состоянии, в отличие от остальной части мантии, сложенной твердым кристалличес- ким веществом. Верхняя граница астеносферы находится под материка- ми на глубине около 100 км и под дном океана на глубине около 50 км.

В связи с высокой эндогенной активностью литосферы и верхней мантии введено обобщающее понятие тектоносферы (см. рис. 5). Это

понятие объединяет земную кору и верхнюю мантию до глубин около 700 км (где зафиксированы наиболее глубокие очаги землетрясений).

Слой С, называемый слоем Голицына, характеризуется интенсивным ростом скоростей сейсмических волн (с 8 до 12 км/с). В этом слое дав- ление достигает 24,6 ГПа. Поэтому вещество, входящее в его состав, находится в твердом состоянии и обладает плотностью 4,68 г/см3.

Рис. 5. Схема соотношения литосферы, астеносферы и тектоносферы: I – земная кора; II – скоростной твердый слой верхней мантии (слой В);

III – астеносфера; IV – подастеносферный слой верхней мантии (слой Голицына);

V – литосфера; VI – тектоносфера; К – континент; О – океан

По предположению ученых нижняя, мантия (слой D) имеет одно- родный состав и представлена веществом, богатым оксидами железа, магния и в меньшей степени алюминия и титана. Плотность вещества в нижней мантии колеблется от 5,69 до 9,4 г/см3. Повышенная плотность вещества объясняется высоким давлением, достигающим 136 ГПа. Скорость распространения сейсмических волн в ней продолжает рас- ти, составляя у нижней границы 13,6 км/с.

Ядро Земли является центральной, наиболее глубокой геосферой Земли и имеет средний радиус около 3,5 тыс. км. С переходом от ниж- ней мантии к ядру наблюдается скачкообразное падение скорости про- дольных сейсмических волн от 13,6 до 8,1 км/с. Эта граница названа именем Б. Гутенберга.

По расчетам ученых, плотность ядра Земли должна быть равна плотности железа при соответствующем давлении. Поэтому широ-

кое распространение получила гипотеза о железоникелевом составе ядра, обладающего магнитными свойствами. Такой состав ядра объяс- няют первичной дифференциацией вещества по плотности. В свете современных данных плотность ядра Земли на 10% ниже, чем

у железоникелевого сплава при существующих в ядре давлениях и температурах. Исходя из этого, высказывается мысль о том, что в

ядре помимо никелистого железа должны присутствовать и более легкие элементы, такие как кремний или сера. В настоящее время многие исследователи считают, что ядро Земли состоит из железа с примесью никеля и серы с возможным присутствием и других эле- ментов (кремния или кислорода).

Ядро Земли подразделяют на внешнее (слой E) и внутреннее (слой G). Во внешнем ядре давление составляет около 150 ГПа, а плот- ность вещества – 12 г/см3. Скорость продольных сейсмических волн в пределах внешнего ядра изменяется от 8,1 до 10,4 км/с. Поскольку поперечные сейсмические волны не проходят через внешнее ядро, предполагается, что его вещество находится в жидком состоянии. Во внутреннем ядре давление достигает 350 ГПа, а плотность вещест- ва – 17,9 г/см3. По-видимому, повышение плотности вещества в этой

части ядра связано с разрушением под влиянием больших давлений электронной оболочки у некоторой части атомов и их сближением. В отличие от внешнего внутреннее ядро – твердое. В нем наблюдается

увеличение скорости распространения продольных сейсмических волн

(см. рис. 4).

3.3.Вещественный состав земной коры

3.3.1.Химический состав земной коры. Земная кора по хими-

ческому составу весьма неоднородна, так как состоит из различных минералов, отличающихся друг от друга как по комбинации входящих

вних химических элементов, так и по свойствам. В свою очередь, оп- ределенное сочетание минералов составляет более крупное природ- ное образование – горную породу. Изучая минералы и горные породы, можно судить о строении земной коры, ее формировании и изменении под влиянием различных факторов.

Вычислением среднего химического состава земной коры занима- лись многие исследователи. Полученные при этом данные принципи- альных отличий не имеют. В земной коре больше всего (около 50%) содержится кислорода (табл. 1).

Таблица 1

Химический состав земной коры (по А. А. Ярошевскому, 1988)

Довольно значительная часть земной коры приходится на кремний (около 30%). Указанные элементы с алюминием и железом составля- ют 90%, а вместе с кальцием, калием, натрием и магнием – почти 99% массы земной коры.

3.3.2. Минералы, их строение и свойства. Минералами (от лат. minera – руда) называют природные тела, приблизительно одно- родные по химическому составу и физическим свойствам, образу- ющиеся в результате физико-химических процессов в глубинах и на поверхности Земли. Наука о минералах, их свойствах, особенностях и закономерностях физического строения (структуры), условиях образования, нахождения и изменения в природе называется мине-

ралогией.

34

Большинство минералов – вещества твердые (кварц, полевой шпат и др.), но есть жидкие (ртуть, вода, нефть) и газообразные (угле- кислый газ, сероводород и др.) минералы. В природе твердые минера-

лы встречаются либо в виде кристаллов с более или менее хорошо выраженной формой многогранников, либо в виде неправильных по форме зерен или сплошных масс, имеющих как кристаллическое, так и аморфное строение. Для большинства минералов, слагающих земную кору, характерно кристаллическое строение. На долю аморфных мине- ралов приходится всего лишь около 2% их общего количества.

Для всех минералов, имеющих кристаллическое строение, харак- терно упорядоченное расположение слагающих их мельчайших час- тиц: атомов, ионов и молекул. Эти частицы образуют в пространстве различные кристаллические решетки (рис. 6).

В аморфном веществе те же частицы располагаются беспорядоч- но и какой-либо закономерности в их расположении не наблюдается.

Кристаллические решетки могут быть:

–атомными – в углах решетки находятся атомы (алмаз, графит, сера);

–ионными – в узлах решетки расположены ионы (галит, пирит, гли- нистые минералы);

–молекулярными – в узлах решетки находятся молекулы (лед, са- хароза).

Различия во внутреннем строении кристаллических и аморфных тел обусловливают различия в их свойствах. Аморфные тела – изот- ропны (от греч. isos – равный, одинаковый; tropos – поворот, направ- ление), т. е. их физические свойства остаются неизменными во всех направлениях.

Для кристаллического вещества характерны анизотропия, сим- метричность и способность самоограняться. Анизотропия (от греч. anisos – неравный) – зависимость свойств (механических, оптических, элек- трических и др.) кристаллических веществ от направления.

Рис. 6. Схемы кристаллических решеток галита (а), алмаза (б) и графита (в)

35

Проявление анизотропии можно рассмотреть на примере минерала графита, внутренняя структура которого приведена на рис. 6, в. Рассто- яние между атомами углерода в пределах плоских слоев решетки со- ставляет 1,42Е, между слоями оно больше – 3,39 Е. Этим объясняет- ся способность графита легко расщепляться на тонкие листочки, па- раллельные слоям решетки, и с трудом ломаться по неровным поверх- ностям в других направлениях. Такое же явление наблюдается у крис- таллов слюды. В гипсе теплота вдоль кристалла распространяется бы- стрее, чем поперек. Поэтому при прикосновении острием разогретой иглы к грани гипса, покрытой тонким ровным слоем воска, на грани воз- никает фигура таяния в виде эллипса.

Самоогранение – восстановление при соответствующих услови- ях формы кристаллов, присущей данному кристаллическому веществу. Выточенный из кристалла шарик, помещенный в насыщенный раствор этого же вещества, в условиях свободного роста восстанавливает фор- му правильного многогранника, так как вследствие анизотропности ско- рость роста шарика в различных направлениях неодинакова.

Многие минералы с кристаллическим строением благодаря за- кономерному расположению слагающих их мельчайших частиц об- разуют хорошо выраженные правильные природные многогранни- ки. Кристаллы, как и любые многогранники, имеют грани (плоско- сти, ограничивающие кристалл), ребра (линии пересечения граней), вершины (точки, где сходятся ребра) и углы. Две пересекающиеся плоскости образуют двухгранный угол. Согласно закону постоянства двухгранных углов, в кристаллах одного и того же вещества, неза- висимо от их количества, двухгранные углы в каждом из них будут постоянны. Поэтому важнейшим моментом при изучении кристал- лов и, следовательно, минералов является измерение двухгранных углов, по значению которых можно определить любой минерал. При- боры, используемые при этом, называются гониометрами (от греч. gоnia – угол; metron – мера).

Кристаллическую решетку минералов можно представить в виде ряда элементарных ячеек. Элементарная ячейка кристалла – часть кристаллической решетки, параллельные переносы которой в трех измерениях позволяют построить всю кристаллическую решетку.

В общем случае элементарная ячейка кристалла имеет форму параллелепипеда с ребрами а, b, c и углами между ребрами α, β, γ (рис. 7).

36

та- (пять), гекса- (шесть), окта- (восемь), дека- (десять), додека- (две- надцать) указывает на удвоение, утроение и т. д. числа одинаковых частей (элементов). Например, гексаэдр (куб) имеет шесть одинаковых граней.

По внешнему виду кристаллы делятся на простые (рис. 8) и слож- ные (рис. 9) формы. Всего существует 47 простых форм. Сложные (комбинированные) формы – это совокупность в кристалле двух или нескольких простых форм. Простыми формами являются пирамиды (ромбическая, тригональная, тетрагональная, гексагональная и др.), призмы (ромбическая, тригональная, гексагональная и др.), тетраэдр, ромбоэдр, гексаэдр, моноэдр, гексаоктаэдр и др.

Рис. 8. Простые формы кристаллов:

1 – тетрагональная пирамида; 2 – ромбическая пирамида; 3 – тригональная пирамида; 4 – гексагональная пирамида; 5 – дитригональная пирамида; 6 – тетрагональная дипирамида; 7 – ромбическая дипирамида;

8 – тригональная дипирамида; 9 – куб; 10 – ромбическая призма

37

внутри кристалла, вокруг которой правильно повторяются элементы ограничения (грани, ребра, вершины). Для нахождения центра необхо- димо соединить прямыми линиями одноименные и подобные элемен- ты ограничения, расположенные друг против друга. Несколько таких линий пересекутся в центре симметрии, причем каждая из них будет делиться центром на две равные части (рис. 10). Некоторые кристаллы не имеют центра симметрии.

Ось симметрии (L) – прямая линия, при повороте вокруг которой

на определенный угол фигура кристалла повторяет исходную форму несколько раз. Число таких повторений при вращении на 360° вокруг оси симметрии называют ее порядком. В кристаллах могут быть толь- ко оси симметрии второго (L2), третьего (L3), четвертого (L4) и шесто- го (L6) порядков. В одном и том же кристалле может быть несколько осей симметрии разных порядков (рис. 11).

Оси проводятся: 1) перпендикулярно к граням многогранника, че- рез их середины; 2) через противоположные вершины многогранника, являясь равно наклоненными к его одинаковым граням и ребрам; 3) перпендикулярно к серединам ребер многогранника. Во всех трех случаях оси симметрии проходят внутри многогранника.

38

Рис. 12. Плоскости симметрии кубической формы

Плоскость симметрии (Р) – это воображаемая плоскость, деля- щая кристалл на две равные и противоположно расположенные части, каждая из которых является зеркальным отображением другой. Плос- кости проводятся: 1) перпендикулярно к граням и ребрам, через их се- редины; 2) вдоль ребер, образуя одинаковые углы с равными гранями и ребрами. Кристаллические решетки некоторых минералов не имеют плоскостей симметрии. Наибольшее число (9Р) плоскостей симмет- рии имеет кубическая форма кристаллов (рис. 12).

Физические свойства минералов обусловлены их строением и химическим составом. Физические свойства используются для визу- ального (в большинстве случаев предварительного в полевых услови- ях) определения минералов. В лабораторных условиях с помощью точ- ных методов изучаются оптические, кристаллографические, пьезоэлек- трические и магнитные свойства минералов, а также их люминесцен- ция и радиоактивность.

К главнейшим физическим свойствам минералов относят цвет (окраска), цвет черты, прозрачность, блеск, твердость, спайность, излом, плотность идр.

Цвет. Многие названия минералов даны по цвету, например гема- тит (от греч. haima – кровь), альбит (от лат. albus – белый), рубин (от лат. ruber – красный), аурипигмент (от лат. aurum – золото). Цвет ми- нералов зависит от их структурных особенностей, присутствия в них красящих элементов (хромофор) и механических примесей. Наиболее часто встречаются восемь цветов минералов: белый, черный, серый, синий, зеленый, желтый, красный и бурый. Некоторые минералы окра- шены по-разному. Так, в природе встречаются следующие разновид- ности кварца: горный хрусталь (бесцветный), аметист (фиолетовый),

морион (черный), цитрин (желтый), дымчатый хрусталь (серый) и

молочный хрусталь (белый). Хромофоры в зависимости от химичес- кого состава придают минералам соответствующую окраску (титан – фиолетовую и красную, хром – зеленую и красную, медь – зеленую и синюю и др.).

39