Булах А.Г. Общая минералогия

Подождите немного. Документ загружается.

или стесненных условий кристаллы могут разрастаться, только расходясь лучами от

центра сферолита.

Рис.

59. Почковидный агрегат гётита.

Почковидные агрегаты состоят из множества соприкасающихся "почек", каждая из

которых имеет подобно сферолиту, радиально-лучистое строение, правда, оно не всегда

заметно невооруженным глазом. Особенно типичное строение имеют почковидные

агрегаты гётита FeO(OH) и малахита

Си2(СОз)(ОН)2-

Их образование происходило на

неровной поверхности за счет группового роста и геометрического отбора сферолитов;

оставались и разрастались только те сферолиты, которые находились на выпуклостях

субстрата (рис. 59). В некоторых почковидных агрегатах заметно не только радиально-

лучистое, но и концентрически-зональное строение, как отражение смены условий

при росте агрегата. Наиболее часто почковидные агрегаты образуются в различных

пустотах в приповерхностных зонах разрушения и выветривания руд и горных пород.

контрольные

вопросы

1. Чем двойниковые сростки отличаются от случайных сростков?

2. Как возникают внутренние неоднородности кристалла?

3. Что такое пойкилокристаллы и метасомы?

4. Как растут друзы?

5. Чем секреции отличаются от конкреций?

6. Как у граней возникает микрорельеф?

7. Что такое псевдоморфозы, параморфозы, пустотелые псевдоморфозы?

Глава 5

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Из всех свойств минералов выделим физические и химические. К физическим от-

носятся оптические, механические, электрические, магнитные, теплофизические свой-

ства и плотность. К химическим свойствам отнесем степень реакционной способности

минералов, особенности их взаимодействия с различными реагентами, растворимость.

Есть и такие свойства минералов, которые можно назвать физико-химическими (на-

пример, характер смачиваемости его зерен и кристаллов, удельная энергия поверхно-

сти).

На различиях плотности, электрических и магнитных свойств основаны геофизи-

ческие методы поиска и разведки месторождений полезных ископаемых. Характер

механических свойств определяет выбор способов измельчения минералов при обра-

ботке их руд. Физико-химические свойства поверхности зерен и кристаллов влияют

на поведение минералов при их флотации. Термодинамические и химические свой-

ства проявляются в процессах минералообразования. Ниже мы рассмотрим главным

образом те свойства, которые могут использоваться при визуальной диагностике ми-

нералов.

Анизотропия строения пространственной решетки в кристаллах обусловливает ани-

зотропию их свойств. Это значит, что разные грани, ребра, вершины кристалла имеют

различные свойства: по-разному блестят, твердость кристалла на них различна, не-

редко они имеют свою окраску и т.д. Анизотропия свойств кристалла выражается и

в том, что по непараллельным направлениям на одной и той же грани свойства у него

разные. Например, грани кристаллов алмаза царапаются в разных направлениях по-

разному—это учитывается при шлифовке бриллиантов. Анизотропно проявляются в

объеме кристалла его магнитные, кристаллооптические, электрические, теплофизиче-

ские свойства, твердость (рис. 60) и др.

АНИЗОТРОПИЯ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ

Рис. 60. Розетки твердости на разных

гранях.

Степень анизотропности кристаллов зависит

от их

симметрии.

Для

пояснения рас-

смотрим

кристалле прямые линии, проходящие через

его

центр. Оказывается,

что

среди

них

могут быть симметрично-равные, единичные

полярные прямые (направле-

ния).

Симметрично-равными называются такие повторяющиеся

кристалле прямые

(или направления), которые выводятся одна

из

другой

помощью элементов сим-

метрии. Свойства кристаллов

на

этих прямых повторяются.

Единичными называются такие прямые

(или

направления), которые являются еди-

ничными, неповторимыми

кристалле. Свойства кристаллов вдоль этих направлений

отличаются

от

свойств

по

другим направлениям.

кристаллах кубической сингоний

единичных направлений

нет,

поскольку

они

симметрично равны

многократно повто-

ряются. Анизотропия свойств

кристаллах кубической сингоний поэтому проявляется

очень слабо.

результате можно сказать,

что

кубические кристаллы изотропны (изо-

тропное тело,

как

известно, обладает одинаковыми свойствами

во

всех направлениях).

В кристаллах гексагональной, тетрагональной

тригональной сингоний всегда есть

одно единственное, единичное,

т.е.

неповторяющееся, направление.

Это оси

симме-

трии

£б, L4, L3.

Такая

ось

всегда одна,

больше

она не

повторяется.

Все

остальные

направления

кристаллах этих трех сингоний неоднократно повторяются.

кристал-

лах ромбической сингоний всегда имеется

три

единичных направления,

кристаллах

моноклинной сингоний

их

множество,

а в

триклинных кристаллах

все

направления

единичны. Анизотропия свойств

в них

проявлена наиболее отчетливо.

Полярными называются

те из

симметрично-равных

единичных направлений,

концы которых

не

могут быть совмещены друг

другом

при

помощи элементов симме-

трии. Ярким примером такого направления является вертикальная

ось в

кристаллах

турмалина

—

ось

L3. Ее

нижний конец несовместим

верхним,

оба

конца неравно-

значны.

Это

следует

из

кристаллической структуры минерала—ее основным элемен-

том являются резко асимметричные комплексные анионы (SieOis)

". Следствием

полярности

служат пироэлектрические свойства турмалина:

при

нагревании

на

вершине

основании кристалла возбуждаются разноименные электрические заряды.

Мы

уже

отмечали,

что

окраска кристаллов многоцветных турмалинов

скорость

их

роста различны

на

разных окончаниях кристаллов.

ИЗМЕНЧИВОСТЬ СВОЙСТВ ИЗОМОРФНЫХ СМЕСЕЙ

При характеристике свойств веществ

курсах физики

химии почти всегда речь

идет

химически чистых соединениях, состав которых точно отвечает

их

формуле

—

именно

на

таких примерах рассматриваются зависимости свойств

от

структуры

и со-

става вещества. Однако

на

химическом составе минералов сказываются явления изо-

морфизма. Свойства минерала закономерно меняются

при

вхождении

него изоморф-

ных примесей:

чем

больше входит ("прибавляется") примеси,

тем

сильнее отклоняется

свойство

от

такового

химически чистого соединения.

Эта

зависимость называется

аддитивностью

(от лат.

additio—прибавление) свойств изоморфных смесей

при-

водит

тому,

что

свойства одного

того

же

минерала колеблются, причем иногда

значительно.

Так,

например, сульфид цинка (минерал сфалерит) прозрачен

бесцве-

тен,

имеет алмазный блеск,

но при

частично изоморфном замещении цинка железом

(изоморфизм этот несовершенный, ограниченный) становится сначала коричневым,

затем черным, блеск

его

меняется

от

алмазного

до

полу металлического, прозрачность

исчезает.

Другой пример

—

полный

ряд

минералов

от

колумбита

(Fe, Mn)Nb206 до

танталита

(Fe, Мп)Та20б- Из-за разницы

атомных массах

(у

ниобия

92,9, у

тантала

180,9)

плот-

ность

этом непрерывном ряду изоморфных смесей меняется

от 5,2 до 8,2,

соответ-

Андрадит

Ca3Fe

(Si0

)

ственно возрастает твердость,

меняются

и все

другие свойства.

Пользуясь специальной диаграм-

мой,

по

плотности можно легко

и быстро определить содержание

тантала

минералах этого ряда,

то

время

как по

внешним при-

знакам

они

неразличимы.

Тан-

таловые руды более ценны,

чем

ниобиевые,

экспрессный метод

определения плотности минера-

ла (например, методом

С. А.

Гор-

жевской

Е.А.Ерофеевой

— по

скорости оседания зерна

труб-

ке

растительным маслом) дает

возможность сделать первичную

разбраковку

зон

оруденения

без

дорогого

длительного химиче-

ского анализа. Таких примеров

аддитивности свойств

и их ис-

пользования можно привести

много

(рис. 61).

Чаще всего

это

Гроссуляр

СазА1

(ао

)

Рис.

61.

Зависимость параметра кристаллической

решетки

(од),

показателя преломления

(п) и

плот-

ности

(d)

граната

от его

состава.

явление проявляется

окраске минералов:

чем

больше

в нем

хромофоров,

тем

интен-

сивнее цвет минерала.

В приведенных выше примерах свойства минералов менялись прямо пропорцио-

нально

количеством изоморфной примеси. Однако аддитивность свойств изоморф-

ных смесей

не

всегда прямолинейна.

Это

объясняется

тем, что

явления изомор-

физма—

не

простая замена одних атомов другими

некоторых узлах пространствен-

ной решетки минерала.

Они

сопровождаются изменением характера

силы химиче-

ской связи, смещениями атомов

другими, большими

или

малыми, перестройками

структуры.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ

ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА

В прозрачных кристаллах кубической сингонии свет распространяется практически

по

тем же

законам,

что и в

воздухе, стекле

других некристаллических веществах.

Частично

он

отражается

от

поверхности кристалла, частично преломляется—об этом

подробно рассказано

курсе физики. Напомним,

что при

распространении света

воз-

душной

или

иной некристаллической среде электромагнитные колебания совершаются

во всех направлениях перпендикулярно

световому лучу

одной

и той же

ампли-

тудой.

Но в

кристаллах

анизотропным строением пространственной решетки свет

становится поляризованным—единый

луч

распадается

на два

луча

разной скоро-

стью распространения света

кристалле

соответственно

разными показателями

преломления.

результате происходит двупреломление света. Нагляднее всего

это

явление можно наблюдать

на

водянопрозрачных кристаллах кальцита (исландского

шпата)—если положить обломок

его на

какое-нибудь изображение,

оно

раздвоится

(рис.

62).

Поскольку сила двупреломления света определяется анизотропией строения кри-

сталлической решетки минерала,

то,

во-первых,

разных веществах

это

свойство

про-

Поляризованный

едет

колебаниями

двух взаимно

перпендикулярных плоскость

Падающил „ _

неполяризооаннъш

соет

Рис. 62. Поляризация и двойное лучепреломление света в

кристалле кальцита.

явлено по-разному, а во-вторых, в одних и тех же кристаллах оно зависит от характера

атомного строения, атомного узора плоских сеток, на которые упал свет.

В кристаллах кубической сингоний поляризация и двупреломление света отсут-

ствуют. В каждом кристалле гексагональной, тетрагональной и тригональной син-

гоний всегда есть одно особое направление—его оптическая ось. Если свет распро-

страняется вдоль этой оптической оси, он не поляризуется и не распадается на два

луча. Если свет входит в кристалл перпендикулярно оптической оси, происходит его

наиболее сильное двупреломление. Закономерности поляризации и двупреломления

света в кристаллах низших сингоний более сложные.

ОКРАСКА (ЦВЕТ) —ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Окраска минералов бывает самой разнообразной. Одни минералы всегда имеют

только один характерный для них цвет (зеленый малахит, синий азурит, золотистый

аурипигмент), другие — разную окраску, иногда меняющуюся по секторам и зонам

роста кристалла (многоцветные турмалины, бериллы и т.д.). Разнообразие и красота

окраски минералов—одно из чудесных явлений природы.

В истории изучения природы окраски минералов Д. Ю. Пущаровский выделил три

периода. Первый связан с качественными наблюдениями и систематикой. Кульми-

национным моментом этого периода явилась монография А.Е.Ферсмана "Цвета ми-

нералов"

(1936),

в которой было предложено различать три типа окраски—идиохро-

матическую (обусловленную составом и структурой минерала), аллохроматическую

(вызванную изоморфными примесями или вростками цветных минералов-примесей),

псевдохроматическую, или ложную. Эта систематика и термины прочно вошли в

отечественную литературу, но, во-первых, они, как оказалось, не полностью харак-

теризуют все причины окрасок—пришлось вводить дополнительные термины; во-

вторых, в зарубежной научной литературе, откуда взял свои названия А.Е.Ферсман,

они имеют другой смысл; в-третьих, в учебниках А. Г. Бетехтина, Е.К. Лазаренко и

других литературных источниках искажен смысл, вкладывавшийся А. Е. Ферсманом в

термин " аллохроматическая окраска". Все эти разнотолкования порождают путаницу

и побудили отказаться от этих терминов в данном учебнике. Во второй период шло

активное изучение и интерпретация кривых спектрального поглощения минералов с

целью выявить спектры поглощения, типичные для данного атома-красителя в дан-

ном валентном состоянии (Г.П.Барсанов, С. М. Грум-Гржимайло, Н. М. Меланхолии,

К.Пшибрам, Н.Е.Яковлева и др.). Третий период связан с переходом от этих ис-

следований к детальному выяснению физики явления (Л. В. Бершов, В. М. Винокуров,

А.С.Марфунин, А.Н.Платонов и др.).

По современным научным определениям цвет—это свойство тела вызывать у че-

ловека определенное зрительное ощущение в соответствии со спектральным составом

отражаемого или пропускаемого (испускаемого) телом излучения. Таким образом,

ощущение цвета—это сложное психо-физиологическое явление, в котором физиче-

ское начало — характер светопоглощения минералом, действительно, есть только на-

чало явления. Например, самородное золото по своим оптическим свойствам должно

быть оранжево-красным, а из-за неодинаковой чувствительности человеческого глаза

к разным лучам света оно кажется нам желтым. Кроме того, при сильном снижении

интенсивности излучения (пропускания) света кристаллом также искажается воспри-

ятие цвета глазом; плохо распознается цвет минерала и при слабом его освещении

(говоря проще, в сумраке различать цвета трудно). Точно так же зависит воспри-

ятие цвета глазом от степени измельченности минерала: в порошковатых массах за

счет рассеяния света и снижения его интенсивности цвет минерала приобретает иные

оттенки. Кстати, эта особенность является хорошим диагностическим свойством ми-

нералов— их цвет в зернах (в образце горной породы) и в кристаллах обязательно

сравнивают с цветом в порошке (цвет черты на шероховатой фарфоровой пластинке);

диагностическими являются расхождения в цвете, например у гематита кристаллы

железо-черные, а черта вишнево-красная. Наконец, факторами физиологического вос-

приятия цвета являются цветовая адаптация (падение чувствительности) глаза при

длительном или сильном воздействии на него света, а также эффект цветового контра-

ста (соприкасающиеся разноцветные зерна кажутся глазу различающимися сильнее,

чем когда они воспринимаются порознь). Все эти особенности физиологии восприятия

человеком цвета привели к тому, что для объективного определения цвета веществ

(и минералов) служит количественная характеристика, которую дает измерительный

прибор.

Главные факторы, влияющие на субъективную оценку наблюдателем цвета мине-

рала, наиболее полно учитывает международная колориметрическая система. Объек-

тивность и точность определения цвета минерала в этой системе базируются на исполь-

зовании, во-первых, экспериментально измеряемых коэффициентов спектрального от-

ражения или пропускания в видимой области света, а во-вторых, стандартных источ-

ников света со строго фиксированным типом светоизлучения. В результате пересчетов

результатов измерений получают три колориметрических параметра—яркость, или

светлоту цвета, и коэффициенты цветности х

у. Нанеся последние на стандартный

график, получают точку на треугольнике цветности (рис. 63). Ее положение дает воз-

можность объективно определить количественные характеристики цвета минерала.

Не употребляя сложных терминов, удобно и просто разделить окраску минералов по

физике явления на два типа—собственную и чужую, причем в каждом из них имеются

свои разновидности. Собственная окраска обусловлена особенностями конституции

минерала—его химическим составом и структурой. Здесь мы выделим, прежде всего,

окраску, вызываемую характером светопоглощения,—это наиболее распространенная

разновидность собственной окраски минералов. Редкие разновидности собственных

окрасок обусловлены интерференционными и дифракционными явлениями — это как

бы игра и переливы цвета минерала.

520

Рис. 63. Треугольник цветности минералов.

Цифры на кривой — длина волны в нм.

Чужие, или чужеродные, окраски просты по своей природе. Они вызываются врост-

ками пигментирующих частиц (т.е. других, цветных, минералов), цветными пленками

разной природы и некоторыми другими причинами, не связанными с особенностями

химической конституции минерала.

Цвет минерала очень часто является его специфическим свойством, поэтому он

используется при диагностике минералов. Важным приемом при этом служит опре-

деление цвета минерала не только в его естественных кристаллах и зернах, но и его

порошка—цвета черты, оставленной минералом на шероховатой (неглазурованной)

фарфоровой пластинке. В тонком порошке обычно легче оценить истинную окраску

минерала. Часто оказывается, что одинаковые на вид минералы имеют разную черту.

Это различие используется как важный прием в диагностике минералов.

ОКРАСКА

ЗА

СЧЕТ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО СВЕТОПОГЛОЩЕНИЯ

Светопоглощение происходит

за

счет переходов электронов

кристаллической

по-

стройке минерала

из

положения, стационарного (основного)

для

данной структуры

типа химической связи

в ней, в

вакантные (энергетически невыгодные),

но все же по-

тенциально возможные позиции.

Это

происходит

за

счет поглощения энергии света

при

его пропускании кристаллом

или

отражении. Соответственно, цвет минерала харак-

теризуется спектрами пропускания

отражения.

На них для

области видимого света

указана доля поглощенного кристаллом света, выраженная

в тех или

иных условных

единицах

(рис. 64).

Области максимумов

на

спектрах отвечают длинам волн погло-

щенного света, области минимумов—длинам волн света, проходящего через кристалл

или отражающегося

от

него.

Волновое число,

см'

20000 10000 6667

—I 1 1 1—

500 1000 1500

Длина волны,

нм

Рис. 64- Полные картины спектров поглощения

для

некоторых

минералов.

Лишь часть общего спектра отвечает видимому свету

обусловливает цвет минерала (Ф — фиолетовый,

Г —

голубой,

3 —

зеленый,

Ж —

желтый,

О —

оранжевый, К

—

красный).

Обозначим энергию перехода электрона, соответствующую

его "

перескоку"

из

ста-

ционарного положения

вакантное,

как Е

. Для

различных минералов

она

коле-

блется обычно

пределах

0,1 —

эВ, а

энергия разных источников света—от

1,603

до

3,164 эВ.

Возможны варианты. Рассмотрим лишь некоторые типичные простые

примеры.

Если величина

больше энергии света, электроны

не

будут переходить

другие

позиции,

т.е.

свет

не

взаимодействует

кристаллом,

не

отдает

ему

энергии, минерал

оказывается прозрачным

бесцветным

(так, у

алмаза

= 5,5

эВ). Если

же

значения

очень малы

(< 0,5 эВ), что

характерно

для

самородных металлов

"электронным

газом", осуществляющим химическую связь

в них и

допускающим легкое перемещение

электронов, то все лучи света обладают достаточной энергией для "выбивания" элек-

тронов в вакантные позиции; поглощаются все лучи света, минерал становится черным

и непрозрачным (свет проходит в кристалл на глубину не более 10~

м). Но возбу-

жденные светом электроны мгновенно возвращаются в основное состояние, испуская

световые лучи, что проявляется в металлическом блеске минерала. Цветовые оттенки

у металлов возникают в случае все-таки некоторой энергетической неравнозначности

переходов электронов и потому — при поглощении части лучей света металлом. Так,

из-за несколько более сильного поглощения лучей в коротковолновой области спектра

золото окрашено в оранжево-красный цвет (глазом он воспринимается как желтый).

Такова же природа окраски многих полупроводников—аурипигмента (желтый), ре-

альгара (оранжевый), прустита (красный) и др.

2. Наиболее типично проявляется неравномерность поглощения света как причина

цветовой окраски у прозрачных минералов-диэлектриков, в составе которых есть хи-

мические элементы-хромофоры ("красители"). Хромофорами обычно являются ионы

переходных металлов периодической системы Д.И.Менделеева (с номера 22 по 29, с

40 по 47 и выше). Наиболее важные из них Ti, V, Cr, Mn, Fe, Со, Ni, Си. Согласно

квантовой теории, в свободных атомах этих элементов имеются частично заполненные

электронами внутренние уровни d и /, причем в пределах этих уровней допустимы свои

варианты распределения электронов по вакантным позициям, а общая конфигурация

орбиталей таких электронов сложна. В кристаллических структурах минералов за

счет химической связи с соседями форма орбиталей еще более усложняется, в ионах

появляются резко отличающиеся по энергетическим характеристикам вакантные по-

зиции (происходит расщепление энергетических уровней, см. рис. 4), в результате

значения Е„ для различных элементов и для разных переходов электронов у одного

и того же хромофора сильно варьируют (от 2,5 до 5 эВ). В зависимости от значения

кристаллом поглощаются разные лучи, происходит избирательное светопоглощение

(рис.

65). Минерал окрашивается в цвет, дополнительный к поглощенному. Показа-

тельно, что один и тот же хромофор, например ион Сг

, в разном окружении (т.е.

в разной структурной позиции и в соседстве с разными атомами) имеет энергетиче-

ски разные варианты для перехода электронов, а потому обусловливает поглощение

разных лучей и вызывает различную окраску: у корунда

AI2O3

с примесью хрома в

позициях алюминия она рубиновая, у берилла ВезАЬфбОхв) с хромом также в по-

зициях алюминия она изумрудная. Однако не все ионы хромофоров могут вызывать

окраску: ионы, не имеющие неспаренных электронов (V

, Сг

, Си

, Се

и т.д.),

не могут быть непосредственной причиной окраски минералов. Здесь вступают в силу

другие явления.

3. Минерал шестивалентного хрома крокоит РЬ(Сг04) не имеет неспаренных элек-

тронов, теоретически все вакантные позиции, казалось бы, заняты, у всех ионов (Сг

РЬ

) электронные оболочки заполнены. Особенностью структуры минерала

является наличие комплексного иона (Сг04)

~. Расчет энергетических состояний

электронов, находящихся на молекулярной орбитали этого комплексного аниона, по-

казывает, что один из электронов может несколько сместиться от кислорода в сторону

хрома за счет поглощения энергии, равной как раз энергии синих лучей белого света,

сам минерал при этом окрашивается в оранжевый цвет. Это явление называется явле-

нием переноса заряда. Такие же электронные переходы (переносы заряда) служат

причиной окраски сапфиров. Сапфир—это корунд АЬОз с изоморфной примесью

железа и титана. Возникновение окраски объясняют так: в минерале в позициях алю-

миния вместо двух его атомов располагаются катионы (пары Fe

За счет

переноса заряда (электрона) от Fe

происходит поглощение лучей с соответ-

ствующей длиной волны и образуется пара Fe

-f

а минерал приобретает сизый

№

500 BOO 700 800

Рис.

65. Примеры оптических спектров поглощения и окраски

минералов

(Миловский, Кононов,

1982).

цвет. Еще один пример переноса заряда дают минералы двухвалентного железа. Так,

идеально чистый вивианит Fe|

(P04)2-

8Н2О

бесцветен. При переходе Fe

—У Fe

за счет поглощения части света появляется синяя окраска. Точно так же бесцветны

минералы, содержащие Мп

, их окраска возникает при изменении валентности мар-

ганца.

4. Еще одна причина неравномерного светопоглощения некоторых минералов —

наличие в их кристаллической решетке так называемых электронно-дырочных центров

окраски. Они являются точечными дефектами структуры (см. рис. 16). Приведем три

классических примера—минералы флюорит, аметист, морион. В искусственном флю-

орите

CaF2

окраска чаще всего связана со смещениями анионов F" из обычной для

них позиции. Под действием гамма-излучения, рентгеновского и радиоактивного излу-

чения каждая такая позиция превращается в ловушку для электронов (рис. 66); такой

центр появления окраски называют F-центром. Сходные и более сложные причины

окраски характерны для топазов (см. табл. 8). Еще одна причина появления цен-

тров окраски проявлена в кварце. В синтетическом морионе

Si02

в позициях кремния

в тетраэдрической координации располагаются ионы А1

, а в синтетическом аме-

тисте Fe

. Для компенсации валентностей в "свободные" места кристаллической

решетки внедряются катионы щелочных металлов или Н

. Под действием радио-

активного, рентгеновского и 7-излучения происходит смещение электрона от кисло-

рода к Al

(Fe

) с поглощением части света; ионы О" становятся центрами окраски

(рис.

67). Возможно, в природных условиях окраска этих минералов также появилась