Betekhtin

плоские сетки ионов устанавливаются параллельно граням октаэдра, а сле довательно, согласно правилу Браве, и спайность должна была бы прохо дить по {111}. На самом деле спайность в сфалерите проявляется парал лельно плоскостям ромбического додекаэдра {110}, хотя здесь расстояния между плоскими сетками короче. Дело в том, что в первом случае каждая из удаленных друг от друга плоских сеток сложена одноименными, но раз ными по заряду ионами (либо Zn2+, либо S2–), что и обусловливает хими ческую связь между сетками, тогда как во втором случае каждая сетка со стоит из взаимно компенсирующих ионов цинка и серы и потому, несмотря на более короткое расстояние, эти плоские сетки слабо связаны между со бой. Однако алмаз, обладающий той же кристаллической структурой, что

исфалерит, но состоящий только из атомов углерода, обладает спайнос тью по октаэдру (т. е. согласно правилу Браве).

Нередко различно ориентированные плоскости спайности в одном

итом же минерале имеют различную степень совершенства. Например, у кристаллов гипса, относящихся к моноклинной сингонии, наблюдаются сле дующие спайности: по второму пинакоиду {010} — весьма совершенная, по ромбической призме {111} — средняя и по первому пинакоиду {100} — несо вершенная. Количество направлений спайности в ряде случаев также является важным диагностическим признаком. Например, такие весьма похожие друг на друга по ряду внешних признаков (цвету, твердости, блес

ку и др.) минералы, как сфалерит — ZnS и вольфрамит — (Fe, Mn)WO4, отличаются друг от друга тем, что в кристаллах или зернах сфалерита наблюдается несколько (шесть) плоскостей спайности по {110}, тогда как

увольфрамита совершенную спайность мы всегда находим только в од ной плоскости по {010}, вдоль вытянутости и поперек уплощения крис таллов или зерен.

Кроме спайности, в кристаллах могут наблюдаться также плоскости отдельности, обусловленные, по предположению Н. В. Белова, «про кладками» субмикроскопических веществ иного состава, закономерно ориентированных вдоль плоскостей плотнейшей упаковки. В отличие от спайности, они не являются строго плоскими и обычно ориентиро ваны в одном направлении. Причиной проявления отдельности могут быть также внутренние напряжения в кристаллических индивидах, обус ловленные внешней механической деформацией или связанные с зо нальным распределением изоморфных примесей, вызывающим несораз мерность кристаллических решеток в смежных участках кристаллов.

Отдельность, в отличие от спайности, не относится к числу обязатель ных свойств того или иного минерала, так как не определяется его кон ституцией. Тем не менее для многих минералов отдельность весьма ха рактерна и проявляется в подавляющем большинстве индивидов, а по качеству образуемых поверхностей может конкурировать с плоскостями спайности (моноклинные пироксены).

Твердость

Под твердостью1 подразумевают степень сопротивления, которое спо собен оказать данный минерал какому либо внешнему механическому воздействию, в частности царапанию.

В обычной минералогической практике применяется наиболее про стой способ определения твердости царапанием одного минерала другим, т. е. устанавливается относительная твердость минералов. Для оценки этой твердости принимается шкала Мооса, представленная десятью ми нералами, из которых каждый последующий своим острым концом цара пает все предыдущие.

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

1)тальк — Mg3[Si4O10][OH]2;

2)гипс — Ca(SO4) . 2H2O;

3)кальцит — Са(СО3);

4)флюорит — CaF2;

5)апатит — Са5[PO4]3F;

6)ортоклаз — K[AlSi3O8];

7)кварц — SiO2;

8)топаз —Al2[SiO4](F,OH)2;

9)корунд — Аl2O3;

10)алмаз — С.

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.

Этот простой, хотя и грубый метод определения твердости минера лов вполне удовлетворяет нас при диагностике минералов.

В пределах значений по шкале Мооса у большинства минералов на раз личных гранях и сколах твердость является более или менее постоянной, хотя известны примеры, когда она меняется в зависимости от направления царапания. Например, у минерала кианита Al2[SiO4]O в направлении уд линения твердость равна 4,5, а в перпендикулярном направлении на той же плоскости — 6–7. Поэтому не случайно этот минерал называется также дистеном (от греч. ди — двояко, стенос — сопротивляющийся).

Более точные определения твердости минералов с научно исследова тельской целью производят на специальных приборах — склерометрах —

1 Понятие «твердость тела» до сих пор с определенностью не установлено, несмотря на проводившиеся исследования этого вопроса. Различают твердости царапания, свер ления, давления, шлифования. Результаты исследований всех этих методов показыва ют, что мы, по существу, имеем дело с неодинаковыми по своей природе физическими явлениями.

с помощью алмазного или металлического острия. Мы не будем останав ливаться на рассмотрении этих устройств. Приведем лишь некоторые выводы, полученные при детальном изучении явлений нарушения по верхностей кристаллов методом царапания.

Прежде всего выяснилось, что твердость кристал лических тел обладает векториальными свойствами (анизотропией), т. е. в различных направлениях в кри сталле она не одинакова. Это относится даже к мине ралам кубической сингонии. В качестве примера на рис. 31 приведена «розетка» твердости на грани куба каменной соли.

Если испытываемая плоскость кристалла ориен тирована перпендикулярно плоскости спайности, то в направлении, параллельном следу плоскости спай ности, она обнаруживает наименьшие, а в перпенди

кулярном направлении — наибольшие значения твердости.

С кристаллохимической точки зрения твердость кристаллических тел зависит от типа структуры и прочности связей атомов (ионов). Хотя в этой области мы располагаем еще очень неполными данными, все же некоторые положения установлены с достаточной степенью определенности.

Для ионных кристаллических тел путем сопоставления ряда эмпири ческих данных выявляется, что твердость, в общем, прямо пропорцио нальна плотности кристаллических структур. С увеличением межионных расстояний для данного типа соединений она падает:

Установлено также, что для соединений, кристаллизующихся в оди наковой структуре и с близкими межионными расстояниями, с увеличе нием валентности, т. е. зарядов ионов, твердость возрастает.

Кроме того, как показал акад. В. С. Соболев, большое значение имеет координация катионов в соединениях. В окислах и силикатах наиболь шая твердость принадлежит соединениям тех катионов, для которых от ношение rk : rA отвечает нижнему пределу устойчивости координацион ного числа. Для силикатов, содержащих алюминий в шестерной координации, твердость выше, чем в алюмосиликатах (с четверной коор динацией Аl). Присутствие в составе соединений гидроксильных ионов и воды несколько снижает твердость.

Следует указать, что скрытокристаллические, тонкопористые и порош коватые разности минералов обладают ложными малыми твердостями. На пример, гематит (Fe2O3) в кристаллах имеет твердость 6, а в виде красной

веса атомов или ионов, слагающих кристаллическое вещество. Затем су щественную роль играют размеры ионных радиусов, возрастание кото рых компенсирует увеличение атомного веса, иногда настолько, что удель ный вес даже снижается: например, несмотря на то что атомный вес калия в 1,7 раза больше, чем натрия, удельный вес КСl (1,98) меньше, чем NaCl (2,17) в силу того, что ионный радиус К1+ (1,33) больше ионного радиуса Na1+ (0,98), что сильно сказывается на объеме кристаллического веще ства. Кроме того, как указывалось выше (см. полиморфизм), изменение, в частности увеличение координационного числа в кристаллических струк турах, приводит к уменьшению объема, а следовательно, к увеличению удельного веса. Наконец, уменьшение валентности катиона (или увели чение валентности аниона) при прочих равных условиях, по В. С. Собо леву, должно также сопровождаться увеличением удельного веса.

Удельные веса минералов колеблются в широких пределах: от значе ний меньше 1 (лед, некоторые органические минералы) до 23,0 (некото рые разности минералов группы осмистого иридия).

Главная масса природных органических соединений, окислов и солей легких металлов, расположенных в верхней части менделеевской таблицы, обладает удельными весами в пределах от 1 до 3,5: янтарь, твердые битумы (1,0–1,1), галит — NaCl (2,1–2,5), гипс — CaSO4 . 2H2O (2,3), кварц — SiO2 (2,65), алмаз (3,51) и др. Лишь некоторые относящиеся к этой группе мине ралы имеют больший удельный вес; таковы, например, корунд и его разно видности — Аl2О3 (4,0). Среди сульфатов особо выделяется барит — BaSO4 (4,3–4,7), почему он и получил свое название (от греч. барос — тяжесть).

Соединения типичных тяжелых металлов, занимающих нижнюю часть менделеевской таблицы, характеризуются средними удельными весами от 3,6 до 9. Примеры: сидерит — FeCO3 (3,9), сфалерит — ZnS (4,0), пирит — FeS2 (5,0), магнетит — FeFe2O4 (4,9–5,2), гематит — Fe2O3 (5,0–5,2), англе зит — PbSO4 (6,4), церуссит — РbСО3 (6,5), касситерит — SnO2 (7,0), гале нит — PbS (7,5), киноварь — HgS (8,0), уранинит — UO2 (8–10).

Наибольшие удельные веса имеют самородные тяжелые металлы: медь (8,9), висмут (9,7), серебро (10–11), золото (15–19), минералы группы самородной платины (14–20), минералы группы иридия и осмистого ири дия (17–23).

Удельные веса минералов определяются в основном двумя способа ми: 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 мелких зернышек минера ла определяется с помощью так называемого пикнометра или тяжелых жидкостей и весов Вестфаля, описываемых в специальных руководствах.

Довольно значительные колебания удельного веса, устанавлива емые для одного и того же минерала, наблюдаются сравнительно редко

и, помимо изоморфизма, обычно бывают обусловлены мельчайшими включениями посторонних минералов, в том числе пузырьков газа и жидкостей.

Различие в удельных весах минералов широко используется при обо гащении руд различными гравитационными методами с целью отделе ния нерудных минералов (кварца, кальцита, барита и др.) от рудных ми нералов (галенита, сфалерита, касситерита и др.) При обогащении получаются концентраты с повышенным содержанием полезных мине ралов.

Магнитность

Существует очень немного минералов, которые обладают явно вы раженными магнитными свойствами. Минералы со слабыми парамаг нитными свойствами легко притягиваются магнитом (бедные серой раз ности пирротина). Но имеются и такие минералы, которые сами представляют собой магнит, т. е. являются ферромагнитными и притя гивают к себе железные опилки, булавки, гвозди. Таким свойством об ладают магнетит, никелистое железо, некоторые разности ферроплати ны. Наконец, известны диамагнитные минералы, отталкивающиеся магнитом (самородный висмут).

Так как число минералов, обладающих магнитными свойствами, не велико, то этот признак имеет важное диагностическое значение. Испы тание на магнитность производится c помощью свободно вращающейся магнитной стрелки, к концам которой подносится испытуемый образец. Допускается и употребление магнита, при этом предпочтительно исполь зовать мелкие зерна минерала, а магнит прикрывать бумагой.

Слабыми магнитными свойствами, не устанавливаемыми с помощью магнитной стрелки, обладает довольно большое количество минералов. На различии этих слабо выраженных магнитных свойств основано раз деление минералов на фракции с помощью электромагнита при исследо вании так называемых шлихов, т. е. тяжелой фракции минералов, полу чающейся при промывании.

Радиоактивность

В самом конце периодической системы Менделеева располагается группа радиоактивных элементов урана — радия, представляющих со вершенно особый интерес. Явления радиоактивности были открыты А. Беккерелем еще в 1896 г. Дальнейшее изучение их привело к откры тию общих законов строения атома и к развитию так называемой ядер ной физики.

Как известно, образование ионов, химических соединений и вообще все химические процессы обусловлены почти исключительно строением наружных электронных оболочек атомов и той энергией, которая выделя

ется при перегруппировках электронов; ядра атомов при этом не претер певают никаких изменений. Явления же радиоактивных превращений, наоборот, связаны с превращениями, происходящими в самих ядрах. В связи с этим необходимо напомнить о строении атомных ядер.

Установлено, что в строении атома принимают участие три основных вида частиц: протон и нейтрон — в ядре, электрон — в окружении ядра. Число протонов равно атомному номеру, а число нейтронов — разности между массовым числом (близким к атомному весу) и атомным номером. Рассматривая Периодическую систему элементов (см. табл. 2), легко ви деть, что в первых рядах элементов числа протонов и нейтронов ядра ато ма обычно равны друг другу. По мере перехода к более тяжелым элементам мы замечаем, что число нейтронов по сравнению с протонами постепенно возрастает (так полагается для достижения минимума энергии, а следова тельно, и устойчивости ядра). В последнем ряду устанавливается уже весь ма значительный избыток нейтронов по отношению к протонам. Например, ядро тяжелого урана U238 содержит 92 протона и 146 нейтронов (238 – 92), а ядро изотопа U235 — на три нейтрона меньше (при том же числе протонов).

Эти последние элементы периодической системы обладают не впол не устойчивыми ядрами атомов. Для таких элементов весьма характерны явления так называемого радиоактивного распада, выражающиеся в не' прерывном испускании:

1)α частиц, т. е. ядер атомов гелия, обладающих атомным номером 2

имассовым числом 4; они выбрасываются с громадной скоростью

иионизируют воздух, т. е. делают его проводником электричества; испускание этих частиц приводит к тому, что атом данного эле мента последовательно превращается в атомы более легких эле ментов, причем атомный номер при вылете каждой частицы умень шается на две, а масса — на четыре единицы;

2)β частиц, равнозначных электронам; испускание одной такой час тицы, естественно, приводит к увеличению заряда ядра на единицу (при сохранении массового числа); следовательно и атомный но мер продукта превращения увеличивается на единицу;

3)γ лучей, представляющих собой электромагнитное излучение, по добное рентгеновским лучам.

Это непрерывное превращение атомов, сопровождающееся большим расходом энергии, протекает вне зависимости от температуры и давления. Конечными продуктами, образующимися в результате последовательных испусканий α и β частиц, являются устойчивые изотопы свинца. Скорость распада образующихся промежуточных атомов колеблется в весьма широ ких пределах от долей секунды до миллиардов лет. Время, необходимое для распада половины всего количества атомов данного изотопа, называ ется «периодом полураспада». Оно постоянно для каждого изотопа.

Установлены три ряда последо вательных радиоактивных превра щений: 1) ряд урана, начинающий ся с изотопа урана U238 (рис. 32), где в числе промежуточных про дуктов распада образуется и радий с периодом полураспада 1600 лет; 2) ряд актиния, начинающийся с другого изотопа урана — U235 и включающий в числе промежуточ ных продуктов превращений акти ний; 3) ряд тория, начинающийся с изотопа Th232.

Радиоактивность минералов оп ределяется по производимой ими ионизации воздуха с помощью элек троскопов, ионизационных камер и различных систем счетчиков. Уран содержащие минералы, способные излучать химически активные лучи, оказывают сильное воздействие также на фотографическую плас тинку. Этим пользуются для полу чения так называемых радиогра фий. С этой целью отполированный образец руды в темной комнате или в ящике для проявления кладут на

фотопластинку на определенное время. Активные лучи в светочувствитель ном слое производят обычное химическое действие. После проявления мес та сильного почернения будут указывать на наличие урансодержащих ми нералов. На позитивном изображении радиографии, т. е. на фотобумаге, светлые участки будут отвечать минералам, богатым радиоактивными эле ментами, черные — минералам, не содержащим их.

Явление радиоактивного распада, протекающего в течение огромных периодов времени, используется при определении абсолютного геологи ческого возраста различных пород, в которых в свое время образовались радиоактивные минералы. Такое определение возраста возможно преж де всего потому, что скорость распада каждого радиоактивного вещества не только постоянна, но и не зависит ни от температуры, ни от происхо дящих химических реакций. Вторым важным обстоятельством является то, что содержание конечных продуктов распада (гелия и свинца) мине рала находится в прямой зависимости от времени, истекшего с момента образования радиоактивных минералов.

Прочие свойства минералов

Из многочисленных других свойств минералов (теплопроводность, элек тропроводность, пироэлектрические и пьезоэлектрические свойства, детек торные свойства, плавкость, растворимость и пр.) укажем лишь те, которые имеют наибольшее диагностическое значение, т. е. в ряде случаев помогают определить минерал или проверить сделанное определение. Упомянем так же о тех свойствах, которыми пользуются в своей практике рудокопы.

Такие свойства, как растворимость, плавкость, окрашивание пламени,

перлов буры и др., требуют специальной постановки их исследований. Они подробно рассматриваются в курсе паяльной трубки, и потому здесь мы на них останавливаться не будем. Укажем некоторые другие свойства мине ралов, которыми иногда пользуются поисковики, горнорабочие и старате ли при поисках или разведке месторождений полезных ископаемых.

Запах, издаваемый некоторыми минералами при ударе или разломе, иног да указывает на присутствие тех или иных элементов в руде. Например, са мородный мышьяк, арсенопирит (Fe[AsS]) и другие арсениды металлов при резком ударе издают характерный чесночный «запах мышьяка», особенно сильно чувствующийся при нагревании и прокаливании на огне. Иногда жильный кварц, с которым бывают связаны минералы редких металлов, при раскалывании выделяет своеобразный неприятный запах, что в рудокопной практике в некоторых случаях является руководящим признаком. У ряда полезных ископаемых различают «глинистые запахи» и т. д.

Некоторые минералы, особенно в порошковатых массах, могут легко узнаваться на ощупь. Например, всем известный тальк на ощупь кажется жирным, чем отличается от похожего на него пирофиллита. Точно так же порошковатые разности ярозита — KFe3[SO4]2(OH)6 при растирании меж ду пальцами дают ощущение жирного, салящего вещества, что отличает ярозит от охристых, похожих по цвету масс лимонита HFeO2 . aq, кажу щихся при той же манипуляции жесткими, песчанистыми.

При определении качества некоторых полезных ископаемых, употреб ляемых в пищу, прибегают к вкусовым ощущениям, например, при поис ках и разведке поваренной соли, артезианских питьевых вод и др.

Наконец, некоторую помощь, особенно в рудокопной практике, оказы вают звуковые явления. Забойщики в этом отношении нередко обладают виртуозными способностями. Известно, например, что массы церуссита (Рb[СО3]) при падении на пол издают звук, похожий на звук, производи мый падением стекла. Точно так же звуки, которые издают в забоях различ ные по крепости породы и руды при ударах горными инструментами, отли чаются друг от друга, что можно заметить лишь при большой практике.

Таким образом, как мы видим, в определении минералов в полевой практике могут принимать участие все пять чувств: зрение, осязание, обо няние, вкус и слух. Исключительную роль играют, конечно, зрение и раз вивающаяся при опыте зрительная память.

Глава 3

ОМЕТОДАХ ДЕТАЛЬНЫХ МИНЕРАЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Встуденческой практике, для того чтобы научиться простыми метода ми определять распространенные в земной коре минералы, приходится иметь дело с более или менее крупными кристаллами или же с однородны ми минеральными массами. Для этой цели обычно пользуются внешними диагностическими признаками изучаемых минералов, описанными в гла ве 2. Многие из минералов, особенно те, которые могут содержать ценные для промышленности металлы, требуют дополнительных исследований с

помощью паяльной трубки и элементарных качественных химических реак ций, излагаемых в специально составленных определителях.

Однако более редко встречающиеся или трудно определимые простыми методами минералы, обнаруживаемые при систематических минералогиче ских исследованиях, могут быть достоверно определены лишь при условии применения более совершенных методик. Необходимость этих детальных исследований появляется во всех случаях, когда возникает потребность бо лее полно познать состав природных соединений: 1) при петрографическом изучении горных пород, необходимом для составления геологических карт;

2)при освоении какого либо нового месторождения, в связи с чем ставится задача всестороннего изучения вещественного состава руд с целью решения вопросов о комплексном использовании всех компонентов сырья; 3) при специальных исследованиях в районах, особо интересных в минералогиче ском отношении; 4) при решении вопросов геохимии, требующих углублен ных исследований минерального вещества, и т. д.

При детальном изучении минералов в случае необходимости приме няют обычно следующие методы исследования: кристаллохимический, рентгенометрический, кристаллооптический, термический, химико ана литический совместно со спектральным и рентгеноспектральный элект ронно зондовый анализ. Все эти методы подробно излагаются в специ альных руководствах. Здесь мы лишь укажем, к чему они сводятся и когда применяются.

Кристаллохимический анализ, разработанный Е. С. Федоровым, мо жет быть применен в тех случаях, когда мы имеем дело с кристаллами. Сущ ность этого анализа, помимо измерения углов между гранями, сводится к определению в какой то мере внутреннего строения кристаллов по внеш ним формам, поскольку наиболее развитые и часто встречающиеся грани обычно отвечают плоскостям плотнейшей упаковки структурных единиц.