Betekhtin
.pdf
Глава 2. Конституция и свойства минералов |
81 |
что часть ионов этого соединения, в частности натрия, превратилась в нейтральные атомы, присоединив к себе необходимые для этого электро ны. Это один из случаев так называемой дефектной окраски (активными центрами, вызывающими специфическое поглощение света в некоторых участках спектра, являются дефекты структуры). Такую окраску в про зрачной каменной соли легко вызвать искусственно. Для этого достаточ но пропитать ее парами металлического натрия. Точно такой же резуль тат можно получить, если воздействовать на каменную соль катодными лучами, приносящими с собой свободные электроны.
Следовательно, окраска некоторых прозрачных минералов может быть связана с изменением однородности строения кристаллических структур, с изменением электростатического состояния ионов, могущих превра щаться под влиянием тех или иных причин в нейтральные атомы или в возбужденные (слабо заряженные) атомы. В сущности, окраска минера лов такого происхождения, обусловленная привходящими причинами, не имеющими прямого отношения к конституции минерала, т. е. не прису щая всем его индивидам без исключения, должна быть отнесена к алло хроматической (см. ниже).
3. Особую, хотя и очень небольшую группу окрашенных минералов составляют такие соединения, в которых окраска обусловлена не нали чием хромофоров и не нарушением электростатической однородности кристаллических структур, а присутствием ионов или целых групп их внутри пустых промежутков структуры. Это относится, в частности, к тем силикатам, у которых имеет место «внедрение» таких дополнительных анионов, как Cl1–, [SO4]2– и др. Примером здесь может служить ярко си ний минерал лазурит.
Истинная природа этого явления, получившего название стереохро матизма, еще не разгадана, но ясно то, что окраска таких минералов, не сомненно, связана с группами присоединения или внедрения, которые сами по себе не являются хромофорами. Характерны прочность и стой кость в огне этих окрасок, которые были известны еще за несколько ты сячелетий до нашей эры, когда лазурит применялся в качестве краски.
Аллохроматизм1. Известно немало примеров, когда один и тот же минерал бывает окрашен в различные цвета и оттенки. Так, кварц, обыч но встречающийся в виде бесцветных, часто совершенно прозрачных кри сталлов (горный хрусталь), бывает окрашен в красивый фиолетовый цвет (аметист), розовый, желто бурый (от окислов железа), золотистый (цит рин), серый или дымчатый (раухтопаз), густой черный (морион), нако нец, в молочно белый цвет. Точно так же каменная соль — галит — может обладать белым, серым, желтым, бурым, розовым и иногда синим цветом.
1 Аллос (греч.) — посторонний.
82 |
Общая часть |
В большинстве случаев окраска в таких минералах связана с посто ронними тонкорассеянными механическими примесями, окрашенными в тот или иной цвет хромофорами (носителями окраски). Эти красящие вещества могут быть представлены как неорганическими, так и органи ческими соединениями. Часто бывает достаточно совершенно ничтож ного их количества для того, чтобы вызвать интенсивное окрашивание бесцветных минералов, причем окраска зависит не только от количества, но и от степени дисперсности этих веществ.
Подобные окраски, не зависящие от химической природы самого ми нерала, носят название аллохроматических (т. е. чуждых самим минера лам). Окрашенные таким способом минералы представляют собой не что иное, как кристаллозоли.
Наблюдаются и более грубые дисперсии, т. е. на глаз заметные рассе янные включения тех или иных минералов. Таковы, например, зеленова тые кристаллы кварца с микроскопическими включениями актинолита, черный кальцит, переполненный мельчайшими включениями сульфидов или углеродистого вещества, и др.
Наконец, следует указать на многие аллохроматически окрашенные полупрозрачные и непрозрачные коллоиды (гели) и метаколлоиды. В боль шинстве случаев к числу загрязняющих красящих примесей принадлежат бурые гидроокислы железа, красная окись железа, черные окислы марган ца, органические вещества и др. Очень часто красящий пигмент в них рас пределен неравномерно, иногда концентрическими слоями. Таковы, напри мер, агаты с их замечательно тонкими и разноцветными рисунками.
Псевдохроматизм1. В некоторых прозрачных минералах иногда на блюдается «игра цветов», обусловленная интерференцией падающего света в связи с отражением его от внутренних поверхностей трещин спай ности, иногда от поверхности каких либо включений. Это явление нам хорошо знакомо по иризирующим пленкам керосина, нефти, масла, плы вущим по воде и окрашенным в различные «цвета радуги». Оно объясня ется тем, что здесь интерферируют лучи света, отраженные от передней поверхности прозрачной пленки (ее границы с воздухом) и задней (по верхности раздела с водой).
Подобные явления ложной окраски наблюдаются и в твердых про зрачных минералах. Прекрасным примером может служить поделочный камень, относящийся к группе плагиоклазов из семейства полевых шпа тов — лабрадор, в котором, особенно на полированных плоскостях, при некоторых углах поворота вспыхивают местами красивые синие и зеле ные переливы, обусловленные интерференцией света на параллельно расположенных тончайших пластинах (ламелях) различного по основ
1 Псевдо (греч.) — ложный.
Глава 2. Конституция и свойства минералов |
83 |
ности плагиоклаза. Такая микроструктура образуется при распаде перво начально гомогенного твердого раствора.
Иризирующие пестроокрашенные пленки нередко наблюдаются на почковидной поверхности бурых железняков (гидроокислов железа), кристаллах железного блеска, на слегка окислившейся поверхности бор нита — Cu5FeS4 (в виде фиолетовых и синих отливов) и др. Во всех этих случаях окраска ничего общего не имеет с природой самого минерала. Подобные пленки на минералах называются побежалостями.
О классификации цветов. Необычайное разнообразие оттенков в ок раске минералов не поддается сравнительному описанию не только по тому, что их очень много, но и потому, что наш орган зрения непосред ственно воспринимает лишь грубые различия в цветах минералов. В этом нетрудно убедиться, если сравнить между собой два таких зеленых минера ла, как малахит и гарниерит (никелевый гидросиликат). При рассматрива нии порознь они для неопытного глаза кажутся одинаково окрашенными, но когда мы положим их рядом, то легко заметим существенное различие в оттенках окраски. В процессе постоянной тренировки в восприятии цветовых эффектов постепенно вырабатывается зрительная память на цвета, все больше и больше начинают улавливаться характерные особен ности оттенков. Способность запоминать эти особенности оказывает боль шую услугу в диагностике минералов.
В обычной практике при определении цвета минералов прибегают к срав нительной оценке, сопоставляя его с окраской каких либо хорошо известных предметов или веществ. Поэтому широко пользуются двойными названиями цветов минералов, например: молочно белый, медово желтый, латунно жел тый, карминно красный, изумрудно зеленый, яблочно зеленый (цвет неспе лого яблока), шоколадно бурый, свинцово серый, оловянно белый и т. д. Не смотрянато чтовсеэтиопределениявесьмаотносительны,онивсежеприняты и встречаются во всей мировой литературе по минералогии.
Как бы то ни было, на первых порах мы должны условиться о назва ниях хотя бы основных цветов, прикрепив их к определенным минера лам. За основу можно принять следующие часто употребляемые назва ния цветов, более или менее постоянные для ряда минералов:
1)фиолетовый — аметист;
2)синий — азурит;
3)зеленый — малахит;
4)желтый — аурипигмент;
5)оранжевый — крокоит;
6)красный — киноварь (в порошке);
7)бурый — пористые разности лимонита;
8)желто бурый — охристые разности лимонита;
9)оловянно белый — арсенопирит;
10)свинцово серый — молибденит;
84 |
Общая часть |
11)стально серый — блеклая руда;
12)железно черный — магнетит;
13)индигово синий — ковеллин;
14)медно красный — самородная медь;
15)латунно желтый — халькопирит;
16)металлически золотистый — золото.
В качестве примера ахроматических цветов, возникающих при рав номерном поглощении всего спектра видимого света, приведем следу ющие: бесцветный горный хрусталь, молочно белый кварц, серая камен ная соль и черный пиролюзит.
Цвет черты
Под этим термином подразумевается цвет тонкого порошка минерала. Этот порошок легко получить, если мы будем проводить испытуемым ми нералом черту на матовой (неглазурованной) поверхности фарфоровой пла стинки, называемой бисквитом. Порошок получается в виде следа на плас тинке, окрашенного в тот или иной характерный для данного минерала цвет.
Этот признак в сравнении с окраской минералов является гораздо более постоянным, а следовательно, и более надежным диагностическим признаком.
Цвет черты, или порошка, в ряде случаев совпадает с цветом самого ми нерала. Например, у киновари окраска и цвет порошка красные, у магнети та — черные, у лазурита — синие и т. д. Для других минералов наблюдается довольно резкое различие между цветом минерала и цветом черты. Из чис ла известных в природе минералов такое различие мы наблюдаем, напри мер, у гематита (цвет минерала стально серый или черный, черта — крас ная), у пирита (цвет минерала латунно желтый, черта — черная) и т. д.
Большинство прозрачных или полупрозрачных окрашенных минера лов обладает бесцветной (белой) или слабоокрашенной чертой. Поэтому наибольшее диагностическое значение цвет черты имеет для непрозрач ных или полупрозрачных резко окрашенных соединений.
В природе нередко один и тот же минерал встречается то в плотных, то в порошковатых разностях. Цвета их в ряде случаев сильно отличают ся друг от друга. Примерами могут служить: лимонит (гидроокись желе за) — в плотных массах черный, а порошковатых (в виде охры) — желто бурый; гематит (безродная окись железа) — в кристаллической разновидности почти черный, а в порошковатых разностях — ярко крас ный и т. д. В других случаях цвет минерала в плотных кристаллических массах и в диспергированном состоянии одинаков; например, у малахита он и в том и в другом виде зеленый, у азурита — синий, у киновари — красный, у аурипигмента — ярко желтый и т. д.
Следует упомянуть, что аллохроматическая окраска многих полупроз рачных минералов, вызванная примесями в виде дисперсной фазы тех или иных соединений, в сущности отвечает цвету этих соединений в по
Глава 2. Конституция и свойства минералов |
85 |
рошковатом состоянии. Таковы, например, желто бурые и бурые опалы, окрашенные гидроокислами железа, красные яшмы, густо проникнутые тонкораспыленной безводной окисью железа, и т. д.
Блеск и показатель преломления
Падающий на минерал световой поток частью отбрасывается назад, при чем частота колебаний не претерпевает изменений. Этот отраженный свет и создает впечатление блеска минерала. Интенсивность блеска, т. е. количе ство отраженного света тем больше, чем резче разница между скоростями света при переходе его в кристаллическую среду, т. е. чем больше показатель преломления минерала. Блеск почти не зависит от окраски минералов.
Зная показатели преломления минералов, для подавляющего боль шинства минералов нетрудно вычислить показатель отражения света R по формуле Френеля:
|
N −1 |
2 |
|||
R = |
|
|
|
, |
|
N +1 |
|||||
|
|
|
|||
где R — показатель отражения; N — средний показатель преломления минерала по отношению к воздуху.
Подставляя в эту формулу ряд определенных значений N, легко изоб разить графическим путем — в виде кривой — зависимость показателя отражения (блеска) от показателя преломления (рис. 26). Кривая, как видим, имеет минимум для N = 1, к которому близок показатель прелом ления воздуха. Так как подавляющая масса минералов обладает показа телями преломления выше единицы, то интересующие нас значения по казателя отражения R будут располагаться вправо от этого минимума.
Рис. 26. Зависимость показателя отражения (R) от показателя преломления (N) минералов
86 |
Общая часть |
Давно установленные чисто практическим путем градации интенсив ностей блеска минералов почти точно укладываются в следующую сту пенчатую шкалу.
1.Стеклянный блеск, свойственный минералам с N = 1,3–1,85.
Кним относятся: лед (N = 1,309), криолит (N = 1,34–1,36), флюорит (N = 1,43), кварц (N = 1,544); далее следуют многочисленные галоидные соединения, карбонаты, сульфаты, силикаты и другие кислородные соли; заканчивается этот ряд такими минералами, как шпинель (N = 1,73), ко рунд (N = 1,77) и большинство гранатов (N до 1,85).
2.Алмазный блеск, характерный для минералов с N = 1,85–2,6. В каче стве примеров сюда следует отнести: англезит (N = 1,87–1,89), циркон (N = 1,92–1,96), касситерит (N = 1,99–2,09), самородную серу с алмазным блеском на плоскостях граней (N = 2,04), сфалерит (N = 2,3–2,4), алмаз (N = 2,40–2,46), рутил (N = 2,62), часто обладающий полуметаллическим блеском, свойственным густоокрашенным разностям.
3.Полуметаллический блеск прозрачных и полупрозрачных минера лов с показателями преломления (для Li света) N = 2,6–3,0. Примеры: алабандин (N = 2,70), куприт (N = 2,85), киноварь (N = 2,91).
4.Металлический блеск минералов с показателями преломления выше 3. В порядке возрастающей отражательной способности приведем следую щие примеры: гематит, пиролюзит (кристаллический), молибденит, ан тимонит, галенит, халькопирит, пирит, висмут и др.
Влево от минимума (см. рис. 26) кривая отражательной способности круто поднимается вверх. В эту область с показателями преломления менее единицы попадают лишь некоторые чистые (самородные) метал лы: серебро (N = 0,18), золото (N = 0,36), медь (N = 0,64) и др.
Необходимо указать, что при определении отражательной способно сти непрозрачных минералов помимо показателей преломления нельзя не учитывать также коэффициента поглощения (K) данной среды. Для этих случаев показатель отражения (R) выражается следующей форму лой (для оптически изотропных сечений минералов):
R = |
(N − 1)2 + N 2K 2 |
(N + 1)2 + N 2K 2 . |
Это означает, что для непрозрачных минералов величины показате лей отражения в действительности будут несколько выше, чем это опре деляется по формуле Френеля. Этим легко объясняются кажущиеся ред кие исключения из приведенного выше положения. Например, магнетит обладает показателем преломления 2,42, т. е. должен был бы иметь ал мазный блеск, однако благодаря непрозрачности, т. е. значительному по глощению света, показатель отражения несколько повысится, перейдя на диаграмме (см. рис. 26) в полосу полуметаллических блесков.
Глава 2. Конституция и свойства минералов |
87 |
Если мы зададимся вопросом, какие же блески в минеральном цар стве преобладают, то, распределив все прозрачные и просвечивающие минералы по среднему показателю преломления (рис. 27), увидим отчет ливо выраженный широкий максимум для значений 1,5–1,7. Подсчет показывает, что на долю минералов со стеклянным блеском приходится около 70 % природных соединений с показателями преломления, не пре вышающими 1,9. Другая группа, правда, менее многочисленная, прихо дится на минералы с металлическим блеском. Однако эти металлические блески настолько характерны для целого ряда важных в практическом отношении минералов, что многие из последних раньше носили назва ние (а в немецком языке и до сих пор называются) по этому признаку; например: галенит (свинцовый блеск), халькозин (медный блеск), анти монит (сурьмяный блеск), кобальтин (кобальтовый блеск), гематит (же лезный блеск) и т. д.
Рис. 27. Относительная распространенность минералов с различными показателями преломления
Показатель преломления, как известно, в общем находится в зависи мости от рефракции ионов, химического состава минералов, их удельно го веса и от особенностей кристаллической структуры. Давно уже было подмечено, что в минералах, обладающих одинаковой кристаллической структурой, показатель преломления, как и удельный вес, обычно увеличи вается с увеличением атомного веса катиона. Например, для MgO (уд. в. 3,64) N = 1,73, а для NiO (уд. в. 6,4) N = 2,23; или для Аl2О3 (уд. в. 4,0) N = 1,76, a для Fe2O3 (уд. в. 5,2) N = 3,01 и т. д. Известно также, что вхождение в состав соединений в виде изоморфных примесей высоковалентных ионов — Fe3+, Cr3+, Ti4+, V5+ и др. — значительно повышает показатель пре ломления. В изоструктурных соединениях, например NaCl и КСl, увели чение размеров катиона (Na1+ 0,98 и К1+ 1,33) приводит к менее плотной упаковке размеров и даже к понижению N (для КСl —1,490, тогда как для NaCl — 1,544) в соответствии с понижением удельного веса, несмотря на то что атомный вес К (39,0) выше, чем Na (23,0). Обратная картина для показателя преломления устанавливается в соединениях NaF и NaCl, где анион фтора (ат. вес 19,0) заменяется анионом хлора (ат. вес 35,5): для NaF N = 1,328, а для NaCl N = 1,544, т. е. у первого соединения значительно ниже, чем у второго, хотя удельный вес NaF (2,79) выше, чем NaCl (2,16).
88 |
Общая часть |
Объясняется это очень низкой рефракцией фтора. Само собой разумеет ся также, что изменение координационного числа катиона при перестрой ке кристаллической структуры сказывается, как это указывалось выше (см. полиморфизм), на удельном весе, а следовательно, и на показателе преломления кристаллического вещества.
Вторым важным фактором (независимо от показателей преломления
ипоглощения света), влияющим на результат отражения света, является характер поверхности, от которой происходит отражение.
Выше мы рассмотрели блески минералов, обусловленные зеркально гладкими поверхностями (т. е. гранями кристаллов и плоскостями спай ности). Но если минерал в изломе имеет не идеально гладкую, а скрыто бугорчатую или ямчатую поверхность, то стеклянные, алмазные и дру гие блески приобретают чуть тусклый оттенок. Отраженный свет при этом частично теряет свою упорядоченность, подвергаясь некоторому рассеи ванию. Создается жировой, или, как чаще говорят, жирный блеск. В этом явлении мы можем наглядно убедиться, если проследим за изменением блеска в свежем изломе каменной соли во влажном воздухе. Через не сколько дней блестящие поверхности нам будут казаться как бы покры тыми тончайшей пленкой жира. Особенно это будет заметно в сравнении с плоскостями свежих сколов. Наиболее типичными примерами жирно го блеска могут служить блеск самородной серы в изломе или блеск эле олита (нефелина), подвергшегося едва заметному разложению.
Поверхности с более грубо выраженной неровностью обладают воско' вым блеском. Особенно это характерно для скрытокристаллических масс и твердых светлоокрашенных гелей. Таковы, например, часто встречающиеся блески кремней, колломорфных масс минералов группы галлуазита и др.
Наконец, если тонкодисперсные массы вдобавок обладают тонкой пористостью, то в этом случае падающий свет полностью рассеивается в самых различных направлениях. Микроскопические поры являются сво его рода «ловушками» для света. Поверхности такого рода носят назва ние матовых. Примерами могут служить: мел, каолин (в сухом состоя
нии), различные охры, сажистый пиролюзит MnO2, тонкопористые массы гидроокислов железа и т. д.
Для некоторых минералов, обладающих явно выраженной ориенти ровкой элементов строения в одном или двух измерениях в пространстве, наблюдается своеобразное явление, связанное с блеском, так называемый отлив минерала.
Вминералах с параллельноволокнистым строением (асбест, немалит, селенит и др.) мы всегда наблюдаем типичный шелковистый отлив. Про зрачные минералы, обладающие слоистой кристаллической структурой
ив связи с этим резко выраженной совершенной спайностью, имеют ха рактерный перламутровый отлив (примеры: мусковит, пластинчатый гипс, тальк и др.). В том, что появление перламутрового отлива связано
Глава 2. Конституция и свойства минералов |
89 |
именно со слоистостью, легко убедиться, если сложить в пачку тонкие покровные или оконные стекла и взглянуть на них сверху. Мы действи тельно увидим своеобразный отлив, совершенно похожий на блеск жем чужин.
Спайность и излом
Спайностью называется способность кристаллов и кристаллических зерен раскалываться или расщепляться по определенным кристаллогра фическим плоскостям, параллельным действительным или возможным граням. Это свойство кристаллических сред связано исключительно с внутренним их строением и для одного и того же минерала не зависит от внешней формы кристаллов (например, у ромбоэдрических, скаленоэд рических и призматических кристаллов или даже совершенно неправиль ных кристаллических зерен кальцита наблюдается всегда одна и та же форма спайности по ромбоэдру). Этот признак, являющийся характер ным для каждого данного кристаллического вещества, служит одним из важных диагностических признаков, помогающих определить минерал. Не случайно многие минералы называются шпатами (полевые шпаты, тяжелый шпат, плавиковый шпат, исландский шпат и т. д.)1. Об этом же говорят названия таких минералов, как ортоклаз (спайность под прямым углом), плагиоклаз (под косым углом) и др.
На практике важно различать степень совершенства проявления спай ности. С этой точки зрения принята следующая пятиступенчатая шкала.
1. Спайность весьма совершен' |
|
ная (например, в слюдах и хлори |
|
тах). Кристалл способен расщеп |
|
ляться на тонкие листочки (рис. 28). |
|
Получить излом иначе, чем по спай |
|
ности, весьма трудно. |
|
2. Спайность совершенная (на |
|
пример, в кристаллах кальцита, га |
|
ленита, каменной соли и др.). При |
|
ударе молотком всегда получают |
Рис. 28. Весьма совершенная спайность |
ся выколки по спайности, внешне |
слюды |
очень напоминающие настоящие кристаллы. Например, при разбивании галенита получаются мелкие пра
вильные кубики (рис. 29), при раздроблении кальцита — правильные ромбоэдры и т. п. Получить излом по другим направлениям (не по спай ности) довольно трудно.
1 К шпатам (от греч. спате — пластина) издавна относят те не имеющие металличе ского блеска минералы, которые обладают хорошей спайностью в нескольких направле ниях.
90 |
Общая часть |
|
|
|
3. Спайность средняя (например, |
|
|
в кристаллах полевых шпатов, рого |
|
|
вых обманок и др.). На обломках |
|
|
минералов отчетливо наблюдаются |
|
|
как плоскости спайности, так и не |
|
|
ровные изломы по случайным на |
|
|
правлениям. |
|
|
4. Спайность несовершенная (на |
|
|
пример, у апатита, касситерита, са |
Рис. 29. Совершенная спайность в трех |
мородной серы и др.). Она обнару |
|
|
направлениях и ступенчатый излом |
живается с трудом, ее приходится |
|
галита |
искать на обломке минерала. Изло |
|
|
мы, как правило, представляют со |
|
|
бой неровные поверхности. |
|
|
5. Спайность весьма несовер' |
|
|
шенная, т. е. практически отсут |
|
|
ствует (например, у корунда, золо |
|
|
та, платины, магнетита и др.). Она |
|
|
обнаруживается в исключительных |
|
|
случаях. Такие тела обычно имеют |
|
|
раковистый излом, подобный тому, |
|
|
что наблюдается в изломе шлака |
|
|
или вулканического стекла — обси |
|
|
диана (рис. 30). Мелкораковистый |
|
|
излом характерен для многих суль |
Рис. 30. Раковистый излом обсидиана |
фидов. Для некоторых самородных |
|
|
|
металлов (меди, серебра и др.) ха |
рактерен занозистый, крючковатый излом. |
||
|
В различных минералах, обладающих спайностью, плоскости послед |
|
ней ориентированы неодинаково для различных типов кристаллических структур: в координационных структурах с ионной связью, например га ленита (PbS) и галита (NaCl) — по кубу; у кальцита (Са[СО3]) — по ром боэдру; в силикатах, комплексные анионы которых представлены вытя нутыми в одном направлении цепочками, например в пироксенах и роговых обманках, — по призме; в силикатах, характеризующихся анион ными слоями, например в слюдах и хлоритах, — по пинакоиду и т. д.
Согласно прежним представлениям, развитым Браве, плоскости спай ности проходят параллельно наиболее удаленным друг от друга плоским сеткам пространственной решетки. Г. В. Вульф, основываясь на данных кристаллохимии, показал, что явление спайности в кристаллах с ионной связью обусловлено анизотропией сил сцепления структурных единиц в различных направлениях в кристаллических средах. Так, например, в кри сталлической структуре сфалерита (ZnS) наиболее удаленные друг от друга