Булах А.Г. Общая минералогия

Подождите немного. Документ загружается.

Таблица

29.

Сведения

некоторых крупнейших алмазах

(5 кар = 1 г,

объем

17,5 кар

составляет

1 см

)

Первоначаль-

ная масса,

кар

Название Место добычи

3106

Куллинан Южная Африка

972

Эксцельсиор »

967

Звезда Сьерра-Леоне Западная Африка

793

Великий Могол Индия

770

Войя

Западная Африка

727

Президент Варгас

Бразилия

726

Джонкер Южная Африка

651

Юбилейный »

616

Дьютойспен »

609

Баумгольд

601

Лесото

600

Гояс

Бразилия

599

Столетний

(Centenary)

Южная Африка

511

Вентер »

503

Кимберлей »

469

Империал

455

Дарсу Варгас

Бразилия

440

Низами Индия

434

Светоч мира

Западная Африка

428

Виктория Южная Африка

428

Де Бирс »

426

Снежная королева

416

Берглен

412

Бродерик

410

Питт (Регент) Индия

409

Президент Дутра

Бразилия

400

Коромандель

343

Имени XXVI съезда КПСС Якутия

292

40 лет

Победы

281

Золотой петух Китай

232

Звезда Якутии

Якутия

201 60 лет

ВЛКСМ

174

60 лет

Якутской АССР »

173

Академик Сахаров

171

Революционер Иван Бабушкин

152

XIX Всесоюзная

партийная конференция

135

Великий почин »

125

Альенде

115

Большая Медведица

106

Мария

Наталья Сарсадских »

Лариса Попугаева »

Без названия Архангельская

обл.

Без названия

Урал

обломки туфе, но здесь их количество ничтожное, так что в сумме содержание алмаза

в объеме всей алмазоносной, даже промышленной, трубки составляет сотые-десятые

доли грамма на 1 т породы. В цементирующей массе рассеяны также вкрапления

кристаллов форстерита, диопсида, пироксена, ильменита, перовскита, магниевого гра-

ната пиропа, а в лампроитах к ним добавляются еще и вкрапления калиевых силикатов

(лейцита, санидина, флогопита, калиевого амфибола и др.).

151

Кимберли™*** трубка обогатительная Отвалы Алмазодобывающая

Фабрика пустой

шахта и фабрика

Рис. 115. Кимберлитовая трубка до и во время разработки

(Kesler,

1992).

Кимберлитовые трубки располагаются на платформах, лампроитовые — в их склад-

чатом обрамлении. Время образования трубок разное — от архея до кайнозоя, а воз-

раст алмазов, даже в самых молодых из них, составляет около 2-3 млрд. лет (это

пока еще единичные результаты изотопных геохронологических определений). Обра-

зование трубок связано с прорывом вверх по узким каналам под большим давлением

щелочно-ультраосновных расплавов. Во многих случаях прорыв вверх достигал палео-

поверхности, но многие трубки взрыва могут быть "слепыми" и до сих пор не вскрыты

эрозией, т. е. залегают где-то на глубине.

А.В.Ухановым установлено, что скорость движения прорывающейся магмы, веро-

ятно,

могла быть очень большой, около 800 км/ч, магма отрывала и выносила вверх

обломки разного состава. Если в них содержались алмазы, трубка становилась алма-

зоносной. Сами же алмазы являются наиболее стабильной полиморфной модифика-

цией углерода в глубинных зонах Земли. По другим гипотезам они кристаллизовались

в магме, в ее глубинных очагах, а затем выносились магмой наверх. Здесь они частично

растворялись.

Наиболее богатые алмазами трубки известны в Австралии и Южной Африке. Ал-

мазные трубки имеются в Сибири (в Якутии), Архангельской области, Китае, США и

других местах. В алмазоносных районах далеко не все кимберлитовые и лампроитовые

трубки содержат алмазы.

Из других типов первичных месторождений алмаза назовем промышленно-алма-

зоносные дайки щелочно-ультраосновного состава, его единичные находки в оливи-

нитах (дунитах), перидотитах, диабазах, а также в эклогитах и импактные алмазы.

Эклогиты—это метаморфические породы, продукты процессов регионального мета-

152

морфизма при высоких давлениях и температурах. Алмазы образовались в них, ви-

димо,

за счет углерода первичных, подвергшихся метаморфизму пород. Импактные

(ударные) алмазы образуются за счет углерода при ударе метеоритов о Землю; есть

находки алмазов как в самих метеоритах, так и в породах метеоритных кратеров.

Вторичные месторождения алмазов — это россыпи разного генезиса и возраста. Ал-

мазу в них иногда сопутствуют платина, золото. Характерна частая ассоциация ал-

маза в россыпях с пиропом, ильменитом, хромсодержащим диопсидом.

Алмазы широко используются в технике в качестве сверхтвердого материала для

изготовления буровых коронок, резцов, фильеров, сверл, абразивных материалов; 75-

80% добываемых алмазов являются техническими. Потребности техники в алмазах

столь велики, что налажена индустрия производства синтетических алмазов, так как

природных алмазов для техники не хватает.

Контрольные вопросы

1. Чем отличаются по своей структуре интерметаллиды от твердых растворов металлов?

2. Каковы главные типы структур и химических связей у минералов — простых веществ, как

они сказываются на свойствах минералов?

3. Каковы условия образования самородных меди, золота, серы, графита и алмаза?

Глава 9

СЕРНИСТЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

И ИХ АНАЛОГИ

ОБЩИЕ

СВЕДЕНИЯ О МИНЕРАЛАХ

К этому типу относится около 500 минеральных видов, главным образом сернистых

соединений металлов и полуметаллов, таких, как дисульфид железа (II) —пирит FeS2,

сульфид железа и меди — халькопирит CuFeS2, сульфид цинка — сфалерит ZnS и бо-

лее сложные соединения. С позиций общей химии их можно разбить на три класса

(табл. 30): 1) простые сульфиды, как бы соли сероводородной кислоты (сфалерит

(Zn,Fe)S,

киноварь HgS, сульфид молибдена (IV)—молибденит

M0S2

и др.) и мно-

гокомпонентные соли сероводородной кислоты (халькопирит CuFeS2, борнит CusFeS-j,

станнин

Cu2FeSnS4

и др.); 2) соли тиокислот (сульфокислот), т.е. бескислородных

кислот, в которых роль кислорода играет сера (красная серебряная руда (прустит)

(SbS3)—это

как бы серебряная соль сурьмяной сульфокислоты

H3SDS3);

3) по-

лисернистые соединения (персульфиды), они, можно сказать, являются солями поли-

сернистой кислоты

H2S2

со своеобразным комплексным двухзарядным анионом

(S2)

(дисульфид железа (II) — пирит

Fe(S

)

и др.).

Ближайшими аналогами сульфидов являются арсениды и их смешанные соедине-

ния (арсенидосульфиды), например арсенопирит

Fe(As2)

и лёлленгит Fe(AsS), как

бы служащие аналогами вещества

Fe(S2).

Или другой пример такой же аналогии —

кобальтин Co(AsS), холлингуортит Rh(AsS), спёррилит

Pt(As2).

Также аналогами

сульфидов по химическому составу являются селениды и теллуриды: РЬТе — алтаит

(сравните с PbS — галенитом),

PbSe

— клаусталит. Надо сразу обратить внимание на

то,

что аналогия эта не прямая, и чаще подобны друг другу лишь химические формулы

минералов. Есть, кроме того, вещества, не имеющие аналогов, например калаверит

АиТег и другие теллуриды и селениды.

Сернистные соединения и их аналоги имеют большое промышленное значение. Они

являются главной рудой на медь, цинк, свинец, ртуть, висмут, кобальт, никель и дру-

гие цветные металлы. Из них извлекают мышьяк, сурьму, а пирит

Fe(S2)

служит сы-

рьем для получения сернистого ангидрида и производства серной кислоты. Обратите

внимание — черные металлы (железо, хром, марганец) из руд, где они представлены

сульфидами, не извлекаются (избыток серы мешает получению чистого металла).

КРИСТАЛЛОХИМИЧЕСКИЕ

ОСОБЕННОСТИ

Главные кристаллохимические особенности сульфидов, а отчасти и их аналогов

определяются сочетанием в кристаллических постройках этих минералов типичного

ионообразователя (серы) и типичных металлов (железа, меди, свинца, цинка и др.).

Важна и степень различия в их размерах: радиус S

составляет 0,174 нм (по

154

Таблица

30.

Главнейшие минералы

—

сернистые соединения

их

аналоги

Класс Структура Минерал

Син-

гония

Твер-

дость

Простые

Координа-

Аргентит

Ромб.

2-2,5

сульфиды ционная

Халькозин

C112S

2-3

Галенит

PbS

Куб.

2-3

Алабандин

MnS

3,5-4

Сфалерит

(Zn,

Fe)S

3-4

Троил

ит

FeS

Геке.

3-4

Пирротин

FeS

Мон.

Никелин

NiAs

Геке.

Цепочечная Киноварь

HgS

Триг.

2-2,5

Стибнит

Ромб.

2-2,5

(антимонит)

SD2S3

Висмутин

Bi2S3

2-2,5

Кольцевая Реальгар

AsS

Мон.

1,5-2

Слоистая Аурипигмент

AS2S3

Ромб.

1-2

Молибденит

M0S2

Геке.

Сложные

Координа-

Пентландит

Fe5Ni4Se

Куб.

3-4

сульфиды ционная

Халькопирит

CuFeS2

Тетр.

3-4

Станнин

Cu2FeSnS4

3-4

Кёстерит

Ci^Z^Si^Se

Борнит

CusFeS4

Куб.

Слоистая Ковеллин

CuS

= Cu

CuS(S

)

Геке.

1,5-2

Сульфо-

Островная Энаргит

Cu3(AsS4)

Ромб.

3,5

соли Прустит

(SbS3)

Триг.

2-2,5

Пираргирит

(AsSs)

2-2,5

Тетраэдрит

Cui2(SbSs)4

Куб.

3-4

Теннантит

Cui2(AsS3)4S

Цепочечная Буланжерит

Pbs(Sb2S4)2S3

Мон.

2,5-3

Лжемсонит

Pb4Fe(Sb3Sr)2

Персуль-

Островная

Пирит

Fe(S2)

Куб.

6-6,5

фиды Спёррилит

Pt(As2)

6-7

Кобальтин

Co(AsS) 5-6

Марказит

Fe(S2)

Ромб.

5-6

Лёллингит

Fe(As)2

5,5

Саффлорит

Co(As2)

Раммельсбергит

Ni(As2)

5,5

Арсенопирит

Fe(AsS)

Мон.

5,5-6

Глаукодит

Co(AsS)

Ромб.

Скуттерудит

Co4(As4)3

Куб.

5,5-6

Никельскуттерудит

(As

)

В.

М. Гольдшмидту), радиусы

Со

—соответственно

0,082, 0,132,

0,083,

0,082

нм, а в целом колеблются от 0,13 до 0,06 нм. Как результат, структуры

сульфидов далеко не всегда идеально соответствуют плотнейшей упаковке атомов.

Можно отметить еще два фактора, сказывающихся на структурах сульфидов: легкая

поляризуемость крупных ионов серы и возможность осуществления серой ковалент-

ных связей с образованием комплексных анионов типа

(S2)

(AsS)

и т. п. В це-

лом, сульфиды характеризуются большим разнообразием структур и сложными хими-

155

ческими связями в них — ионно-металлическими, ионно-ковалентно-металлическими,

донорно-акцепторными, но всегда с большой ролью именно металлической компоненты

связей. Упрощенно и несколько формально

можно сказать, что все разнообразие кри-

сталлических структур сульфидов и их

аналогов подразделяется на следующие ус-

ловные типы: координационные, остров-

ные,

цепочечные (ленточные), слоистые, с

комплексными анионами. Есть и другие

типы структур, но они более редки.

Принцип построения координационных

структур наиболее наглядно демонстриру-

ется на примере галенита PbS (рис. 116).

В сущности, у галенита структура та же,

что и у

NaCl

(а она является обычным

примером при описании кристаллических

веществ в школьных и вузовских курсах

общей физики и химии), но позиции на-

трия заняты свинцом, хлора — серой (см.

рис.

1), координационные числа свинца и

серы одинаковы — 6. Как видно, закон

чередования атомов во всех трех измере-

ниях одинаковый, свинец и сера взаимно

окружают ("координируют") друг друга

без образования каких-либо особых груп-

пировок. По этому же принципу коор-

динации построены структуры цинковой

обманки, пирротина (рис. 117), никелина,

халькопирита.

Островные структуры характерны для

Рис.

116.

Модель структуры галенита.

пирита и других полисернистых соедине-

ний (персульфидов) и их аналогов — кобальтина, марказита, арсенопирита, шмаль-

тина. Структура пирита является, как и у галенита, аналогом структуры

NaCl,

но в

пирите атомы серы не одиночные, а сдвоенные (рис. 118). Они соединены существенно

^Fe

Рис. 117. Модель структуры пирротина

и троилита.

Рис. 118. Модель структуры пирита.

156

"Л

Г®..

.ri

ковалентными связями

двухзарядный комплекс

(S2)

это как бы

островная обосо-

бленная группировка

структуре минерала. Сходные островные группировки можно

выделить

структурах арсенопирита

кобальтина

—

это комплекс (AsS)

скут-

терудите —

(AS4)

(рис. 119). В

этих комплексах атомы, объединяясь, стремятся

со-

здать вокруг себя устойчивую восьмиэлек-

тронную оболочку

за

счет обобществления

своих внешних электронов.

Но их не

хва-

тает. Число нехватающих электронов

есть

заряд комплекса,

он

компенсируется

за

счет

связей

атомами металлов

минерале.

Еще

один пример островной структуры

—

реаль-

гар AsS.

В нем

имеются молекулярные ком-

плексы

(AS4S4)

которых ионы скреплены

ковалентыми связями,

но

сами

они

имеют

нулевой заряд

(см. рис. 119). В

итоге

по-

лучается молекулярный кристалл состава

AS4S4.

Ленточные структуры типичны

для ан-

тимонита SD2S3

висмутина

Bi2S3.

В ан-

тимоните каждая лента бесконечна

имеет

состав

(SD2S3)

они ориентированы в ми-

нерале параллельно друг другу

(рис. 120)

и соединены остаточными (вандерваальсо-

выми) связями.

Реальгар

Пирит

\ As

Со*

[AsS]

з-

•

a mm

?А»

: а»:

НоНалътин Скуттерудит

Рис.

119.

Схема атомных группировок

неко-

торых сульфидах.

Рис.

120.

Модель структуры анти-

монита.

Рис.

121.

Модель структуры молибденита

(Бу-

лах, Золотарев,

1997).

Примером слоистых структур является структура молибденита

(рис. 121). Она

как

бы

состоит

из

трехслойных пакетов,

каждом

из них

средний слой молибдено-

157

вый, верхний и нижний — из атомов серы. Общий заряд пакета нулевой, между ними

осуществляются остаточные связи.

Структуры с комплексными анионами характерны для сульфосолей. Кислотный

радикал в них и является комплексным ионом, занимающим в кристаллической ре-

шетке несколько обособленные позиции. Например, в структуру красной серебряной

руды

(SbS3)

входят комплексные анионы

(SbSe)

Они имеют вид низких широ-

ких тригональных пирамид с атомами сурьмы в их вершинах и атомами серы в осно-

ваниях, между этими комплексными анионами размещаются атомы серебра. Сходные

комплексные анионы

(SbSe)

и (AsSe)

имеются в структуре блеклых руд. А в

энаргите комплексные анионы иные, за счет другой валентности центрального атома

мышьяка — это

(ASS4)

Могут быть комплексные анионы

(SDS4)

и др.

МОРФОЛОГИЯ КРИСТАЛЛОВ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Некоторые сульфиды служат яркими примерами зависимости облика кристаллов

(рис.

122) от структуры минерала. Сульфиды с координационными структурами,

кристаллизующиеся в кубической сингонии (сфалерит, галенит и др.), образуют кри-

сталлы в виде простейших тетраэдров, кубов, октаэдров, иногда усложняемых дру-

гими гранями. Они могут кристаллизоваться и в иных сингониях, но все равно их

кристаллы часто имеют изометричный облик и псевдокубическую внешнюю симме-

трию.

Таковы, например, кристаллы халькопирита—тетрагонального минерала ко-

ординационной структуры. Они, как правило, образованы гранями тетрагонального

тетраэдра, внешне не отличимого от кубического тетраэдра. Также изометрично раз-

виты кристаллы пирита, хотя его структура не координационная, но очень близка к

ней и отличается, лишь заменой одиночных атомов серы на сдвоенные.

Ярко проявлена связь морфологии и структуры у цепочечных (ленточных) и сло-

истых сульфидов. Приведем два примера этой связи—кристаллы антимонита и мо-

либденита. Первые имеют длиннопризматический облик, кристаллы удлинены вдоль

цепочек (ЭЬгЗз)

в пространственной решетке минерала. Структура молибденита сло-

истая с шестичленными кольцевыми группировками атомов внутри слоев, соответ-

ственно этому кристаллы молибденита имеют вид шестиугольных (гексагональных)

пластинок — пинакоидов с тончайшими, порой невидимыми гранями других простых

форм.

Физические свойства сульфидов и их аналогов очень специфичны. Внешне они

подобны металлам: непрозрачны, имеют металлический или металловидный блеск,

цвета, как и у металлов, в большинстве случаев серо-черные и желтые (реже —

красные и синие) разной интенсивности и оттенков, электропроводны. Все эти осо-

бенности физических свойств обусловлены преобладанием металличности химических

связей в сульфидах. Также характерно и обусловлено этим же типом связи то, что

все сульфиды, за исключением персульфидов, обладают относительно низкой твер-

достью^— от 1 до 5 (т.е. мягче стекла). Твердость персульфидов (пирита, кобаль-

тина, марказита, арсенопирита, скуттерудита) равна или более 5, что предопределено

проявлением в них преимущественно ковалентных, сильных связей внутри островных

группировок

(S2)

(AsS)

и т. п. В то же время свойства реальгара, в структуре

которого тоже можно выделить островные группировки

(AS4S4)

иные: он мягкий

(твердость

1,5-2),

имеет спайность, легко плавится (310° С). Это объясняется тем, что

связи между комплексами слабые, остаточные.

Особо остановимся на электрических и магнитных свойствах сульфидов. Они обла-

дают способностью одновременно к электронной и ионной проводимости электриче-

ства. В результате два контактирующих в руде зерна двух разных сульфидов, смочен-

ные водой, образуют гальванический микроэлемент с определенным значением ЭДС.

158

Сфалерит

Галенит

Халькопирит Пирит Марказит

Рис. 122. Кристаллы некоторых сульфидов.

На контакте зерен происходят электрохимические реакции, как на аноде и катоде, с

переходом части ионов в водный раствор, а это приводит, в свою очередь, к формиро-

ванию вокруг сульфидных руд ореолов рассеяния металлов, по которым можно искать

эти руды.

За счет интенсивной окраски минералов и малой или относительно невысокой твер-

дости сульфиды дают на бисквите хорошую черту. Цвет черты является одним из

диагностических признаков сульфидов.

ОСОБЕННОСТИ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ

В природе сульфиды кристаллизуются чаще всего из водных растворов при тем-

пературах приблизительно от 600° С и ниже. Так образуются разные по металло-

носности гидротермальные месторождения. Так же из гидротермальных растворов

кристаллизуются сульфиды в скарнах, грейзенах и метаморфических горных поро-

дах. Из водных же растворов образуются сульфиды в осадочных горных породах.

159

Особо, как дополнение к гл. 6., рассмотрим три своеобразных типа сульфидных место-

рождений— стратиформные (пластообразные) руды среди осадочных пород, особый

тип вкрапленных и жильных руд в габбро (так называемые ликвационные руды) и

конкреции в придонных осадках.

Стратиформные (или пластовые) месторождения представляют собой один из

главных источников для добычи меди, свинца, цинка и некоторых других металлов.

Они связаны с различными комплексами осадочных горных пород: сланцами, песча-

никами и карбонатными отложениями. Характерной особенностью руд стратиформ-

ных месторождений является довольно простой набор минералов, а именно: пирит,

халькопирит, борнит, халькозин, галенит, сфалерит, которые встречаются в различ-

ных сочетаниях. Эти сульфиды располагаются во вмещающих их осадочных горных

породах в виде вкрапленности мелких зерен и прожилков, реже формируют цемент

песчаников или создают участки массивных руд. Многочисленные теории происхо-

ждения стратиформных рудных залежей сводятся, по существу, к альтернативе: либо

рудное вещество отложилось в процессе осадконакопления и затем в ходе эпигенеза

было преобразовано, либо это вторичная минерализация, отложенная в осадочных

горных породах просачивавшимися через них как через фильтр гидротермальными

растворами. Но в любом случае важно то, что стратиформные рудные месторожде-

ния имеют большую протяженность и даже при малом содержании в них полезного

компонента они являются крупными концентраторами руд.

Несколько особняком среди стратиформных стоят колчеданные месторождения

(рис.

123). Они представляют собой пласты осадочных или вулканогенно-осадочных

горных пород, насыщенных сульфидами. Специфичен их набор. Это почти всегда

пирит и халькопирит с примесью других сульфидов, их общее содержание может до-

стигать

80-90%

от объема слоя осадочных и вулканогенно-осадочных пород. Руды

этого типа образуются в областях вулканической деятельности в придонных морских

отложениях при пропитывании их металлоносными вулканическими эксгаляциями.

При процессах диагенеза и последующего преобразования природных илов, осадков,

туфов, насыщенных сульфидами, и формируются колчеданные руды.

К ликвационным относят медно-никелевые месторождения сульфидных руд в уль-

траосновных— основных интрузивных массивах на древних щитах и платформах.

Сульфиды представлены здесь халькопиритом, пирротином, пентландитом и другими

минералами. Они образуют сплошные массы — жилки, гнезда, неправильные вкрапле-

ния размером до 2-3 см, рассеянные в перидотитах, габбро и других горных породах

этих интрузий. В массе сульфидов обычны вкрапления хороших кристаллов магнетита

и тончайшая, невидимая глазом вкрапленность минералов платины.

Как полагают, механизм образования этих руд очень сложен, а условия их появле-

ния довольно экзотичны. Они образуются из ультраосновных—основных магм, не

только обогащенных медью, никелем, платиной, что в общем-то свойственно в той или

иной степени таким магмам, но содержат в своем составе серу в количестве до 1-3%.

Ее источник не всегда ясен, возможно, это окружающие интрузию осадочные горные

породы с гипсом и ангидритом. Такой обогащенный серой магматический расплав при

остывании, по всей видимости, распадается (ликвирует) на две части — силикатный

расплав с эмульсионными каплями медно-никель-сульфидного расплава. При даль-

нейшем остывании интрузии сначала раскристаллизовывается силикатный расплав с

образованием оливинитов, перидотитов, габбро. Затем застывает сульфидный рас-

плав,

и в этих горных породах образуется рудная вкрапленность — так объясняют

присутствие рассеянных в породе округлых скоплений сульфидов (пирита, халькопи-

рита, пирротина) диаметром от долей миллиметра до 5-10 мм. В неспокойных тек-

тонических условиях капельки сульфидного расплава отжимаются в трещины — так

160