Авторы: Лабекина И. А., Гаврилов В. И., Середнев М. А., Никитин А. А.
Физические свойства минералов
Учебное пособие дает представление об основных физических свойствах минералов, таких как спайность, твердость, цвет, плотность и др., необходимых для макроскопического определения минералов. Свойства проиллюстрированы на примере экспонатов геологического музея НГУ.
Физические свойства минералов имеют существенное значение для их макроскопической диагностики. Свойства минерала зависят от его строения и химического состава. Главнейшими физическими свойствами являются цвет, блеск, плотность, твердость, спайность и т. д.
Цвет – способность минерала отражать или пропускать через себя ту или иную часть видимого спектра.
Цвет минерала может быть обусловлен:
- наличием в его структуре элементов-хромофоров (Cu, Fe, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni и др.);
- дефектами кристаллической решетки;
- примесями, как изоморфными, т. е. входящими в структуру минерала, так и механическими.
Элементы-хромофоры могут окрашивать минералы в разные цвета в зависимости от их валентности, концентрации, присутствия других химических элементов и соединений и пр.
Fe3+ – красно-бурый (
сидерит
Fe CO3,
лимонит
Fe2O3 n H2O,
гидрогётит
FeOOH n H2O)
Fe2+ – зеленый (
анапаит
Ca2Fe2+[PO4]2 4H2O)
Mn3+ – розовый (
родонит
Ca Mn4v [Si3O9])
Cr3+ – зеленый (
уваровит
Ca3Cr2[SiO4]3) и красный (
рубин
Al2O3), в зависимости от содержания окиси хрома
Cr6+ – оранжевый (
крокоит
Pb [CrO4])
Cu2+ – зеленый (
малахит
Cu2[CO3]2 OH2) и синий (
азурит
Cu3[CO3]2 OH2), в зависимости от количества кристаллизационной воды
Co2+ – розовый (
эритрин
Co3[AsO4]2 8H2O)
Ni2+ – зеленый и желтый (
гарниерит
Ni [Si4O10] (OH)4 4H2O)
V3+ – зеленый (
смарагдит
Ca2(Mg, Fe2+)5[Si8O22]OHv2)
Ti4+ – синий (
сапфир
Al2O3), в присутствии ионов гидроксила и наличии железа
Дефектами кристаллической структуры обусловлена, например, голубая и синяя окраска
галита
(NaCl), возникающая в результате радиоактивного облучения K40, Rb87.
Примером окраски минерала механической примесью другого вещества может служить зеленый кварц (
празем
), цвет которого обусловлен мельчайшими включениями чешуек зеленого хлорита или иголочек актинолита. Механическая примесь гематита часто вызывает красную или бурую окраску минералов, например
галита
и сильвина,
агатов
.
В отдельных случаях окраска минерала может быть вызвана иризацией и побежалостью.
-
Иризация
– цветной отлив на гранях или плоскостях спайности некоторых минералов (например, лабрадор), обусловленный наличием тонких включений или трещин, вызывающих интерференцию лучей света.
-
Побежалость
– цветная пленка на слегка окислившейся поверхности минерала (халькопирит, борнит).
При описании минералов обычно используется физическая шкала цветов в сочетании с бытовой.
- Физическая шкала: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый; дополнительно: белый, серый, черный, пурпурный, коричневый.
- Бытовая шкала объединяет хорошо знакомые всем цвета: вишневый, яблочный, медовый и пр. Эти цвета часто применяют для уточнения оттенка цвета минерала, например вишнево-красный,
оловянно-белый
,
латунно-жёлтый
,
соломенно-желтый
и т.п.
Цвет черты – цвет минерала в порошке на белом фоне. Для определения цвета черты используют неглазурованную поверхность фарфора (бисквит). По сравнению с окраской минералов цвет черты является более постоянным, вследствие чего имеет важное диагностическое значение.
Минералы с металлическим блеском, как правило, имеют черную черту с разными оттенками, минералы со стеклянным блеском – белую, реже слабоокрашенную. Цвет минерала часто не совпадает с цветом его черты.
Пример:
пирит
– цвет минерала соломенно-желтый, черта черная
халькопирит
– цвет минерала латунно-желтый, черта черная с зеленоватым оттенком
гематит
– цвет минерала стально-серый, черта вишнево-красная
магнетит
– цвет минерала черный, черта черная
актинолит
– цвет минерала зеленый, черта белая
Блеск – способность минерала отражать свет. Интенсивность и характер блеска зависит от показателя преломления (N), отражательной способности (R) и характера поверхности, от которой отражается свет. При условии, что свет отражается от ровной гладкой поверхности (грани, плоскости спайности), выделяют следующие типы блеска по возрастанию яркости:
-
стеклянный
– характерен для прозрачных и полупрозрачных минералов (N = 1,3–1,9; R < 15 %). Большинство минералов имеют именно этот блеск.
-
алмазный
– N = 1,9–2,6; R = 15–19 %, встречается значительно реже (алмаз, сфалерит, киноварь);
-
полуметаллический
– N = 2,6–3,0; R = 19–26 % (магнетит);
-
металлический
– характерен для непрозрачных минералов, N > 3,0; R > 26 %, например, пирит
Кроме основных типов блеска выделяют:
-
жирный
– у минералов со стеклянным и алмазным блеском на скрытобугорчатой поверхности излома (кварц, нефелин);
-
восковый
– у скрытокристаллических масс и твердых гелей (кремни, опал);
-
матовый
– у пористых тонкодисперсных масс (мел, каолин, лимонит).
У минералов, обладающих явно выраженной ориентировкой элементов строения, возникает отлив:
-
шелковистый
– в минералах с параллельно-волокнистым строением (асбест, селенит);
-
перламутровый
– у прозрачных минералов с весьма совершенной спайностью (мусковит, гипс).
Прозрачность – способность минерала пропускать через себя свет. Оценивается на качественном уровне путем просмотра минерала на просвет. По степени прозрачности минералы условно делят на:
-
прозрачные
– хорошо пропускают свет. Видны внутренние дефекты (трещины, включения);
-
полупрозрачные
– просвечивают в тонких осколках или шлифах;
-
непрозрачные
(как правило, минералы с металлическим блеском)
Спайность – способность минерала раскалываться по определенным кристаллографическим направлениям с образованием гладких параллельных поверхностей, называемых плоскостями спайности. Спайность обусловлена внутренней структурой минерала и не зависит от внешней формы кристалла или зерна минерала.
Спайность в минерале проходит по направлениям, параллельным плоским сеткам с максимальной ретикулярной плотностью атомов, но наиболее слабо связанным между собой.
Чтобы охарактеризовать спайность определяют:
- степень ее совершенства;
- простую форму, по которой кристалл раскалывается;
- в некоторых случаях указывают угол между плоскостями спайности.
Степень совершенства спайности определяют по следующей условной шкале:
-
весьма совершенная
– минерал легко раскалывается или расщепляется на тонкие пластинки или листы (минералы со слоистой структурой: слюды, графит и пр.);
-
совершенная
– кристаллы колются на более толстые пластинки, бруски с ровными поверхностями (кальцит, галенит);
-
средняя
– поверхность скола не всегда ровная и блестящая (полевые шпаты);
-
несовершенная
– обнаруживается с трудом, поверхность скола неровная (апатит, нефелин).
Ряд минералов не имеет спайности (магнетит и т. д.).
В зависимости от простой кристаллографической формы кристалл может раскалываться по одному, двум, трем и более направлениям:
Отдельность
– расколы кристаллов по плоскостям их физической неоднородности. Плоскостями отдельности могут быть:
- плоскости срастания двойников (например,
корунд
)
- поверхности зон и секторов роста кристаллов;
- плоскости мельчайших включений других минералов.
В отличие от спайности отдельность проявляется по всему кристаллу, расколы в случае отдельности более грубые и четкие.
Излом – раскол минерала в направлениях, где нет спайности. Различают изломы:
Твердость – степень сопротивления минерала механическому воздействию (давлению, сверлению, царапанию, шлифованию и т.п.) В обычной минералогической практике определяют относительную твердость путем царапанья одного минерала другим. Для этого используют шкалу Мооса, в которой имеется 10 эталонных минералов, пронумерованных в порядке увеличения твердости:
Ступени шкалы Мооса неравномерны. Для точных измерений используют метод вдавливания в минерал алмазной пирамидки, твердость определяют по отношению величины нагрузки к площади полученного отпечатка (кг/мм2), прибор называется склерометр.
Твердость кристаллов иногда неодинакова на разных его гранях или направлениях (анизотропия свойств). Например, у кианита (
дистена
) в направлении удлинения твердость 4,5-5 , а в перпендикулярном удлинению – 6,5-7. При определении абсолютной твердости (кг/мм2) , учитывая анизотропию даже у минералов кубической сингонии, строят «розетки твердости».
Иногда для определения твердости используют подручные «эталоны», хотя они и неточны:
- ноготь – 2,5;
- медная монета – 3;
- железный гвоздь – 4,5-5
- стекло – 5;
- нож – 5,5–6.
Плотность минералов изменяется от 0,8–0,9 (у природных кристаллических углеводородов) до 22,7 г/см3 (у осмистого иридия).
Плотность определяется формулой p = m/V, где m – масса тела (m=F/g), V – объем.
При макроскопическом определении минералов она оценивается приблизительным сравнением в руке, на основании чего минерал можно отнести к одной из условных групп плотности:
Преобладают минералы с плотностью 2,5–4,0 г/см3.
Плотность минералов возрастает:
- с ростом компактности кристаллической структуры;
- с увеличением атомного номера слагающих его химических элементов;
- с уменьшением их ионных радиусов.
Минералы переменного химического состава имеют непостоянную плотность.
Минералы обладают и другими свойствами, такими как магнитность, люминесценция, ковкость, хрупкость, упругость, радиоактивность, растворимость и др.
Форма кристаллов
Облик кристаллов (форма) – это общий вид кристалла. Исходя из того, что любое тело в пространстве имеет три измерения, выделяют следующие основные типы форм кристаллов:
Широко распространены и переходные между этими основными типами формы:
- боченковидные – промежуточная форма между 1 и 2 типом
- досковидные – уплощенные столбчатые кристаллы (
дистен
)
Кроме того, существуют сложные формы кристаллов, например кристаллические дендриты.
Габитус кристаллов – более строгий термин, определяющий облик кристалла по доминирующим на нем граням и соотношению размеров кристалла в трех его измерениях.
|