Булах А.Г. Общая минералогия

Подождите немного. Документ загружается.

Таблица

27.

Образец таблицы минералов

(форма конспекта свойств минералов)

Название

минерала,

химичес-

кая форму-

ла,

глав-

ные при-

меси

Тип струк-

туры,

син-

гония, фор-

ма кристал-

лов

агре-

гатов

(ри-

сунки)

Спайность

(степень

совершен-

ства, число

направле-

ний,

углы)

Излом

Твер-

дость

Блеск Цвет

Черта

Прочие

свойства

(магнит-

ность, рас-

творимость,

плавкость

др.)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Продолжение

Условия

нахождения

Минералы-

спутники

Сходные минералы

и отличительные

признаки

Практическое значение Примеры

месторождений

13 14

сводка формул

кратких сведений

всех минеральных видах дана

"Минералогиче-

ской энциклопедии"

(Л., 1985) и в

"Словаре минеральных видов" М.Флейшера

(М.,

1990). В

"Минералогический словарь" Г.Штрюбеля

З.Х.Циммера

(М., 1987)

вклю-

чено

10000

названий,

в том

числе старых, случайных

излишних—это полезный сло-

варь

при

чтении научной литературы. Интересны словари Р.С.Митчелла "Названия

минералов;

что они

означают?"

(М., 1982) и

П.Дж.Рида "Геммологический словарь;

драгоценные

ювелирные камни,

их

синтетические аналоги

имитации"

(Л., 1986).

Полная сводка кратких сведений

минералах дана

Б. И.

Семеновым

справочнике

"Систематика минералов"

(М., 1991).

Всеобъемлющее описание минералов дается

многотомном справочнике "Минералы", издаваемом

АН

СССР

с I960 г., в

монографи-

ческих трудах

А.

Г. Бетехтина "Минералогия"

(М., 1950) и А

.А. Годовикова "Минера-

логия"

(М., 1975, 1-е изд.; 1983, 2-е изд.) и

переводных изданиях—сводке И.Костова

"Минералогия"

(М., 1971),

пятитомнике У. А.Дира, Р.А.Хауи, Дж.Зусмана "Породо-

образующие минералы"

(М., 1965.

Т.

1-3; 1966. Т.4, 5).

Характеристику наиболее

распространенных минералов можно найти также

"Геологическом словаре"

(М.,

1973,

1-е изд.; 1979, 2-е

изд.). Структуры минералов описаны

изображены

кни-

гах У.Л.Брэгга

Г.

Ф.

Кларингбулла "Структура минералов"

(М., 1967),

Н.В.Белова

"Очерки

по

структурной минералогии"

(М., 1976), Д. Ю.

Пущаровского "Структурная

минералогия силикатов

и их

синтетических аналогов"

(М., 1986) и Ф.

Либау "Струк-

турная химия силикатов"

(М., 1988).

Контрольные вопросы

1. В чем

разница понятий "минерал"

"минеральный вид"?

Каковы условные границы раздела минеральных видов

по их

химическому составу?

Каково общее число минеральных видов

и от

каких факторов зависит распространенность

минералов?

Глава

ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

МИНЕРАЛАХ

К этому типу минералов относятся, во-первых, элементарные вещества

(как

гово-

рят, самородные элементы), например графит

С,

алмаз

С,

медь

Си,

висмут

Bi, их

твердые растворы друг

друге, например минералы состава

(Au, Ag), (Аи, Си), (Pt,

Fe), (Os, Ir)

(табл.

28).

Во-вторых,

этому

же

типу относятся особые химические

соединения

—

интерметаллиды

PtaSn, Pt2FeNi, Cu7Hg

и др. (в них

каждый металл

занимает свои строго определенные позиции

кристаллической решетке минерала).

Интересно

этом отношении сравнить минерал

(интерметаллид)

минерал

(Pt,

Fe)

(твердый раствор).

первом расселение атомов платины

железа строго законо-

мерно, минерал имеет свою особую структуру;

второго структура такая

же, как у

платины, лишь часть

ее

атомов неупорядоченно замещена железом.

Вот примеры интерметаллидов: аваруит

FeNi2-3,

уайрауит

FeCo,

изоферроплатина

(куб.

синг.)

PtaFe,

тетраферроплатина (тетр. синг.)

PtFe,

туламинит

FeCu, фер-

роникельплатина

Pt2NiFe,

хонгшит

PtCu,

рустенбургит

Sn,

атокит

(куб.

синг.)

PdsSn,

таймырит (ромб, синг.)

Sn,

паоловит

Pc^Sn,

соболевскит

PdBi,

фрудит

PdBi2,

купроаурит

Au2,

шахнерит

AgHg.

Все простые вещества

—

очень редкие минералы, суммарно

они

слагают

не

более

0,02%

массы земной коры. Однако именно

виде таких минералов образуют промы-

шленные концентрации некоторые особо ценные металлы

—

золото, платина, осмий,

иридий, серебро. Значительная доля промышленных запасов серы

как

химического

сырья сосредоточена

виде химически чистого элемента—самородной серы. Некото-

рые самородные элементы сами

по

себе являются ценным техническим материалом,

например алмаз

С и

графит

из-за своих особых свойств—твердости (алмаз), элек-

тропроводности

тугоплавкости (графит).

Ранее считалось,

что

самородное состояние возможно

природе только

для

некото-

рых химических элементов

силу

их

инертности. Современные исследования привели

к открытию самородного цинка, алюминия, кадмия, кремния

многих других ранее

уникальных минералов,

но, как

оказалось,

они,

во-первых, образуются действительно

в уникальных условиях

и,

во-вторых,

ничтожно-, исчезающе-малых количествах

мельчайших зернах. Такие

же

открытия постоянно делаются среди интерметаллидов

и минералов—твердых растворов металлов. Каждый

год

приносит около четырех-

пяти открытий подобных минералов.

Они

привели

обнаружению новых форм кон-

центрации

рудах важных металлов (платины, никеля, золота)

и,

наоборот, форм

рассеяния

этих рудах легирующих

вредных примесей микроэлементов.

142

Таблица 28. Минералы — простые вещества

и твердые растворы металлов

Класс Группа Минерал

Сингония Твердость

Металлы и Меди Медь Си

Куб.

полуметаллы

Золото

(Au,Ag,

Си)

» 2,5

Серебро

(Ag.Au)

Железа

Феррит

o>Fe

Куб.

Тенит "y-Fe » 5

Платины

Платина Pt

Куб.

Осмий Os

Геке.

Иридий 1г

Куб.

Осмирид (Ir, Os) »

Родий Rh

Палладий Pd

4,5

Алюминия

Алюминий А1

Куб.

—

Пинка Пинк Zn

Геке.

Свинца

Свинец РЬ

Куб.

1,5

Висмута Висмут Bi Триг. 2

Мышьяка Мышьяк As » 3,5

Неметаллы Серы

Сера S

Ромб.

1,5

Углерода Графит С Геке. 1,5

Алмаз С

Куб.

Лонсдейлит С Геке.

Чаоит С »

КРИСТАЛЛОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

Кристаллические структуры минералов простых веществ относительно просты, при-

чем эта простота особо характерна для самородных металлов. Большинство самород-

ных металлов и твердые растворы металлов друг в друге имеют структуру, отвеча-

ющую плотнейшим упаковкам — кубической или гексагональной. Таковы структуры

природного золота, меди, серебра, алюминия (все они кубические), цинка, рутения,

осмия (гексагональные). Но чем сильнее характер связей в веществе отличается от

металлической, тем более структура минерала отличается от идеальной плотнейшей

упаковки и тем она сложнее. Особо показательны в этом отношении структуры само-

родной серы, алмаза и графита.

Структура серы является молекулярной. В каждой молекуле объединено в виде

кольца по восемь атомов, соединенных ковалентными связями, полностью взаимно

компенсирующимися, а суммарный заряд такого восьмерного кольца равен нулю.

Кольца (рис. 101) "накладываются" друг на друга в виде колонок, по-разному ори-

ентированных в пространстве, кольца и колонки связаны между собой остаточными

(вандерваальсовыми) связями. Как будет показано ниже, все эти особенности хими-

ческой связи и структуры минералов проявляются во внешней симметрии и огранке

кристаллов и в их физических свойствах.

Отдельно охарактеризуем структуры природных полиморфов углерода—алмаза,

графита и фулеренов. В первом атомы углерода располагаются равномерно во всех

трех измерениях кристалла по всему его объему, каждый атом окружен четырьмя со-

седними (рис. 102), между ними осуществляются ковалентные связи. Структура вто-

рого полиморфа слоистая (рис. 103), внутри слоя атомы связаны смешанными ионно-

143

Рис. 101. Пространственная решетка се-

ры,

состоящая из кольцевых молекул,

скрепленных между собой остаточными

связями

(Battney,

1975).

Рис. 102. Элементарный углеродный те-

траэдр в кристаллической решетке ал-

маза.

Рис. 103. Структуры графита и алмаза, поля их устойчивости.

144

Рис. 104- Структура фулерена.

ковал ентными, между слоями

—

су-

щественно металлическими связями.

фулеренах имеются сферические

по

форме многоатомные группировки угле-

рода

(рис. 104), в них

связь ковалент-

ная,

между ними

—

остаточная молеку-

лярная. Такое состояние углерода

вы-

явлено, например,

шунгитах

—

сланце-

подобных породах

составе протерозой-

ских метаморфических комплексов.

МОРФОЛОГИЯ КРИСТАЛЛОВ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Облик кристаллов

—

внешняя симметрия

огранка

—

тесно связаны

с их

струк-

турой

условиями роста. Первая зависимость хорошо иллюстрируется

на

примере

большинства самородных металлов:

соответствии

с тем, что их

структура проста

образована

по

принципу идеальной плотнейшей кубической

или

гексагональной упа-

ковки, внешняя симметрия кристаллов кубическая

огранкой

виде куба, октаэдра,

ромбододекаэдра

и их

комбинаций (таковы кристаллы золота, меди, серебра)

или

гек-

сагональная (тригональная)

огранкой кристаллов

виде призм

дипирамид, усе-

ченных сверху

снизу гранями пинакоида (таковы кристаллы иридия).

самородных

элементов-неметаллов разнообразие кристаллов

сложность

их

огранки гораздо более

выражены,

и они

относятся

разным сингониям. Сера кристаллизуется

ромбиче-

ской сингонии

форме многогранников дипирамидального облика

гранями призмы

и пинакоида. Кристаллы графита—это,

как

правило, тонкие пластинки (комбинация

пинакоида

тончайшими почти незаметными наклонными гранями), алмаз образует

октаэдры, ромбододекаэдры, реже—кубы.

Так

же

ярко проявляются структура

и тип

связей

физических свойствах мине-

ралов—простых веществ. Самородные золото, серебро, медь, железо

другие

ме-

таллы имеют типичный

для

металлов блеск, высокие значения электропроводности

теплопроводности, ковки

разной степени

и не

имеют спайности. Сера

с ее

молеку-

лярной структурой

—

хрупка, имеет малую плотность

(2,05-2,08

г/см

)

невысокую

твердость (около

3),

легко воспламеняется

и при

этом плавится. Графит

результате

резкой анизотропии строения кристаллической решетки имеет весьма совершенную

спайность

по

уплощению кристаллов

(по

пинакоиду)

высоко электропроводен из-за

существенно металлических связей между слоями углерода

в его

структуре. Наконец,

алмаз обладает высокой плотностью

(3,5-3,6

г/см

)

твердостью

(10)

из-за необычай-

ной компактности своей структуры

ковалентных связей между атомами углерода.

ОСОБЕННОСТИ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ

Первое условие образования минералов—простых веществ—это прежде всего

инертность, малая активность химических элементов, таких,

как

платина, осмий, ири-

дий, отчасти золото.

Второе важное

часто независимое условие

—

малая химическая активность

ки-

слорода

среде минерал ©образования. Иногда

оно

выполняется

ходе формирования

некоторых горных пород мантийного происхождения. Полагают,

что так

образуются

в ультраосновных горных породах самородные металлы платиновой группы

алмазы

145

в глубинных (мантийных) горных породах. Бывают и экзотические геологические

явления, при которых резко понижается активность кислорода в кристаллизующемся

расплаве, например при прорыве базальтов через угленосные толщи осадочных гор-

ных пород. Возникающая восстановительная обстановка приводит к тому, что железо

кристаллизуется не только в виде своих обычных для базальтов минералов — разных

силикатов и оксидов, но и в виде самородных выделений. К числу таких же экзоти-

ческих явлений относится образование самородной меди, как промежуточного и очень

неустойчивого продукта многоступенчатых процессов приповерхностного окисления

рудных минералов меди — халькопирита

CuFeS2

и др.

Особый тип процессов образования самородных элементов — биохимические реак-

ции. Так, за счет жизнедеятельности некоторых бактерий могут формироваться круп-

ные месторождения самородной серы в осадочных горных породах.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О МИНЕРАЛАХ

Медь Си. Химические примеси редки. Обычно это Ag, Au, Fe. Сингония ку-

бическая. Встречается в виде желваков, одиночных неправильных зерен, проволоч-

ных, пластинчатых выделений в трещинах, в виде дендритов (рис. 105, 106). Цвет

медно-красный, часто медь покрыта черными, зелеными, синими налетами оксидов и

гидрокарбонатов меди. Блеск в свежем сколе металлический. Твердость невелика

(2,5-3),

плотность

8,4-8,9

г/см

. Встречается вместе с купритом, теноритом, малахи-

том, хризоколлой в зоне окисления сульфидных руд и вместе с цеолитами в пустотах

лав (США). Является рудой на медь.

Рис. 106. Лендрит меди в мраморе.

146

Узнается

по

частой ассоциации

купритом, теноритом, малахитом, хризоколлой,

по

цвету

блеску

изломе,

по

большой плотности, ковкости,

по

крючковатому излому.

Золото

Аи.

Химические примеси

Ag, Pd, Rh, Cu, Fe, Bi.

Сингония кубическая.

Встречается

виде мельчайших пластинок (золотин), неправильных выделений

вкраплений

кварце

сульфидах (пирите, арсенопирите, блеклых рудах); правиль-

ные кристаллы очень редки, относительно чаще наблюдаются скелетные кристаллы

(рис.

107),

дендриты золота

(рис. 108). В

осадочных породах (россыпях) золото имеет

облик самородков разных форм

размеров (массой

от

долей грамма

до

нескольких

десятков килограммов). Цвет золотистый, блеск металлический, твердость

2-3,

плот-

ность около

16-18

г/см

чистого золота

19,3

г/см

Рис.

107.

Скелетный кристалл золота.

Длина ребра

8 мм.

Рис.

108.

Дендрит золота.

Размер

4x8 мм.

Главнейшие промышленные месторождения

—

это, во-первых, среднетемператур-

ные (реже

—

низкотемпературные) гидротермальные жилы, во-вторых, речные рос-

сыпи

конгломераты (современные

древние).

Узнается

по

цвету, блеску, мягкости, большой плотности

частой ассоциации

кварцем.

Добыча золота известна

глубокой древности.

более близкие

к нам

времена круп-

ные исторически значимые месторождения

золотоносные регионы были открыты

1471 г. в

Гане,

в 1500 г. в

Мексике,

в 1532 г. в

Перу

Чили,

в 1577 г. в

Бразилии,

1745 г. в

России

(на

Урале),

в 1823 г. в

Канаде,

в 1842 г. в США (в

Калифорнии),

1852 г. в

Австралии,

в 1884 г. в

Южной Африке.

А вот

приблизительные цифры дина-

мики добычи золота,

тоннах: XVI

век —760,

XVII

—910,

XVIII—1890,

XIX

—11610,

—около

55000.

Серебро (Ag, Аи). Редкий минерал. Наблюдается

виде тонких пластин, листоч-

ков

трещинах

руд и

пород,

также

виде проволочных кристаллов

(рис. 109) и

их агрегатов

(рис. 110) в

пустотах

руд. Как

уникальные явления описаны самородки

массой

1,5; 5; 40 т.

Цвет серебряно-белый, блеск металлический. Излом крючковатый.

147

Рис.

109.

Проволочное серебро.

Рис.

110.

Волосовидное серебро.

Образуется

среднетемпературных гидротермальных (полиметаллических)

других

месторождениях

и в

зоне окисления рудных месторождений.

Железо

Fe. В

природе встречается

двух полиморфных модификациях кубиче-

ской сингоний—феррит

(a-Fe) и

тэнит

(7-Fe). В

первой содержится никеля

от 0,2

до

5-8%, во

второй—до

70%. Обе

модификации—крайне редкие минералы. Фер-

рит встречается

виде вкраплений

(рис. 111) и

крупных масс металла

некоторых

земных

лунных базальтах,

а в

последние годы обнаружены мельчайшие каплевид-

ные включения феррита (химически чистого железа)

минералах различных горных

пород

(от

ультраосновных

до ки-

слых),

алмазе

оливине ким-

берлитов. Обе модификации

же-

леза являются главными состав-

ными частями железных

и же-

лезокаменных метеоритов.

Их

агрегаты

метеоритах имеют

на

полированной

протравленной

азотной кислотой поверхности

штриховой узор, известный

под

названием фигур Видманштет-

тена.

таких агрегатах феррит

максимально обогащен никелем

(в литературе

по

планетологии

и астрономии

его

называют

ка-

Рис.

111.

Вкрапления самородного железа.

148

маситом), имеет форму пластинок,

пространство между ферритовыми пластинками

заполнено тэнитом.

Эти

агрегаты являются, видимо, результатом распада

на

две фазы

первичного гомогенного твердого раствора никель—железо.

Платина

Pt.

Природная платина является твердым раствором очень сложного

состава

(Pt, Ir, Ru, Os, Pd, Fe, Ni).

Крайне редка. Встречается

ультраоснов-

ных горных породах мантийного происхождения

виде мельчайших включений.

условиях земной коры вовлекается

процессы преобразования

и, по

представлениям

Н.

С.

Рудашевского, дает начало ряду минералов—Тетраферроплатине, изоферропла-

тйне, самородным

Os и 1г,

спёррилиту

PtAs2,

купериту

PtS и др. Эти

минералы пла-

тины являются главными формами

ее

концентрации.

При

выветривании ультраоснов-

ных горных пород

последующем размыве

кор

выветривания платина, тетраферро-

платина

изоферроплатина накапливаются

россыпях, откуда

они и

добываются

для

получения чистой платины.

Все минералы платины

—

первичные

вторичные

—-

встречаются совместно

общих

зернах

самородках, многофазность

их

внутреннего строения распознается только

в микроскопах большой разрешающей способности. Поэтому долгое время платину

принимали

за

один минерал переменного

сложного состава

называли самородной

платиной

или

поликсеном

(от

греч.

poly

—

много,

xenos —

чужой). Цвет таких зерен

и самородков меняется

6т

серебряно-белого

до

зелено-черного, твердость колеблется

в пределах

4-4,5,

плотность—от

15 до 19

г/см

. Самородная платина магнитна

электропроводна.

Мышьяк

As.

Очень редок. Встречается

массивных, почковидных агрегатах

оловянно-белого

(на

свежей поверхности)

или

темно-серого цвета

составе гидротер-

мальных рудных

жил.

Ассоциирует

сульфидами

арсенидами серебра, кобальта,

никеля.

Сера

Обычно химически чистая. Сингония ром-

бическая. Встречается

виде канифолеподобных

аморфных

на вид

масс, гнезд, прожилков, друз

оса-

дочных горных породах,

также

виде одиночных

кристаллов

составе вулканических возгонов. Кри-

сталлы образованы комбинацией граней дипирамид,

призм, пинакоида

(рис. 112).

Полупрозрачная. Цвет

желтый, зеленовато-желтый, грязно-желтый. Блеск

жирный

агрегатах

и на

изломе кристаллов,

а на

гра-

нях— алмазный. Хрупкая, мягкая (твердость

1-2),

имеет малую плотность

(2,05-2,08

г/см

). Плавится

и загорается

пламени спички.

Промышленные месторождения образуются

как

Рис. П2.

Кристалл серы.

продукт кристаллизации вулканических возгонов

и в

осадочных горных породах.

них сера формируется

за

счет разложения сероводорода бактериями

или за

счет оки-

сления

его

кислородом воздуха, затем

она

многократно перекристаллизовывается

переотлагается. Используется

для

производства серной кислоты

и как

ядохимикат.

Узнается

по

цвету, блеску, форме кристаллов,

их

хрупкости, легкой воспламеняе-

мости

и по

обычной приуроченности

глинам

другим осадочным горным породам.

Графит

С.

Обычно химически чист. Сингония гексагональная. Чаще всего встре-

чается

плотных, жирных

на

ощупь

и на вид

массах темно-серо-черного цвета, реже

(в мраморах, сланцах

др.) образует вкрапленность одиночных пластинчатых гексаго-

нальных кристаллов

сильным металлическим блеском. Очень мягкий (твердость

1).

Промышленные месторождения графита приурочены

нефелиновым сиенитам

метаморфическим горным породам. Графит используется

металлургии,

качестве

149

O-

технических смазок,

для

изготовления электродов

движущихся контактов

элек-

троаппаратуре,

для

изготовления карандашных грифелей.

Узнается

по

цвету, мягкости, форме одиночных кристаллов.

Алмаз

С.

Полиморфная модификация углерода, устойчивая

при

высоких давле-

ниях

(см. рис. 103), при

нормальных давлении

температуре находится

метаста-

бильном состоянии, сгорает

при

850°С, превращаясь

в СОг-

Сингония кубическая.

Кристаллы

виде октаэдров, ромбододекаэдров, реже

—

кубов, очень часто

на

гра-

нях имеются многочисленные ступеньки роста

растворения; если

они

неразличимы

глазом, грани кажутся искривленными, сферическими; обычны двойники. Кристаллы

массой более

400 кар (80 г)

крайне редки

и все

известны (табл.

29).

Твердость алмаза

среднем

10, но она

чуть различается

на

разных гранях

и при

царапании

разных направлениях. Этим

пользуются

при

распиливании

шли-

фовке кристаллов алмаза алмазом. Имеется спайность

по

октаэдру. Плотность

3,50-

3,53

г/см

Окраска алмазов разная, чаще всего

встречаются бесцветные прозрачные

кристаллы. Известны голубые (из-за

вхождения ничтожных количеств бора

в позиции углерода), желтые (микро-

примесь азота входит

позиции угле-

рода,

рис

113),

красные, оранжевые,

ко-

ричневые, зеленые, черные (из-за врост-

ков графита) кристаллы алмаза. Алмаз

имеет высокий показательь преломле-

ния

(2,42),

сильную дисперсию

(0,062),

что обусловливает игру света

("пла-

мень")

бриллиантах

при

специальной

их огранке

(см. рис.

68).

Алмазы добываются

из

первичных

вторичных месторождений. Среди пер-

вичных главными являются вертикаль-

ные трубообразные тела (диатремы),

са-

мое большое

из них

прослежено шах-

тами

на

глубину

1 км и

уходит вниз.

Это

вулканические жерла (рис.

114,

115),

за-

полненные брекчией. Брекчия состоит

из обломков

ксенолитов окружающих

и осевших сверху пород

и из

обломков

пород, вынесенных

глубин

45-90

км

и более. Цементом является вулкано-

кластический материал, туфы щелочно-

ультраосновного состава,

так

называе-

мые кимберлиты

лампроиты. Алмазы

в виде правильных кристаллов входят

(иногда

громадном количестве)

в со-

став единичных небольших обломков

не-

которых пород глубинного происхожде-

ния,

чаще

виде частично резорби-

рованных, оплавленных, растворенных

кристаллов рассеяны

цементирующем

5С—*4N

вакансия

Рис.

113.

Позиция атомов азота

структуре

алмаза

(Сухаржевский,

1994).

Рис.

1Ц.

Строение кимберлитовой трубки

(диатремы)

(Митчелл,

1985).

150