Спайность и излом

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

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