Кузнецов А.Н., Абрамов В.В. Минералогия с основами кристаллографии

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

МИНЕРАЛОГИЯ

С ОСНОВАМИ

КРИСТАЛЛОГРАФИИ

Учебно-методическое пособие для вузов

Составители:

А.Н. Кузнецов,

В.В. Абрамов

Издательско-полиграфический центр

Воронежского государственного университета

2008

УДК 549+548(075.8)

Утверждено научно-методическим советом геологического факультета

17 мая 2007 г., протокол № 6

Научный редактор член-корреспондент РАН, профессор Н.М. Чернышов

Рецензент доцент кафедры полезных ископаемых и недропользования

И.П. Лебедев

Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре минералогии и

петрологии геологического факультета Воронежского государственного

университета.

В пособии даны краткие сведения по кристаллографии (элементы симмет-

рии, сингонии, простые формы и комбинации) и методические указания по

определению минералов. В приложении приводится несколько расширен-

ный список минералов с их физическими свойствами, условиями образо-

вания и значением.

Рекомендуется для студентов дневной формы обучения по специальности

011200 «Геофизика», может быть использовано при изучении минералогии

студентами других геологических специальностей.

Для специальности 011200 – Геофизика

Введение

Вы приступаете к изучению вещества, которое в геологии является

одним из первых предметов исследования. Это кристаллы, минералы, гор-

ные породы, самые разные полезные ископаемые. Не зная их, не зная ме-

тодов их определения, в геологии работать нельзя. Поэтому начиная изу-

чать минералогию, надо сразу представить себе, что Вы изучаете «азбуку»

вещества. А это не очень просто – это сотни новых слов, которые надо

учить, а не понимать, это формулы минералов, которые опять же надо

учить, это десятки свойств для каждого минерала, которые надо опреде-

лять, запоминать, сравнивать между собой. В дальнейшем Вы поймете, что

это необходимо, так как все горные породы состоят из минералов и все по-

лезные ископаемые представляют собой отдельные минералы или группы

минералов.

Основной ваш учебник по минералогии А.Г. Булах «Общая минера-

логия» 1999 и 2002 гг. издания, дополнительный «Курс минералогии»

А.Г. Бетехтина (1956 и 2007 гг.). Более полные сведения по кристаллогра-

фии можно получить в учебнике Г.М. Попова и И.И. Шафрановского

«Кристаллография» (1972) и Ю.К. Егорова-Тисменко «Кристаллография и

кристаллохимия» (2005). Большим подспорьем для лабораторных занятий

будет книга Н.А. Смольянинова «Практическое руководство по минерало-

гии» (1972). В ней Вы найдете все необходимые свойства минералов.

1. Основные сведения по кристаллографии

Абсолютное большинство твердых веществ является кристаллами

или имеет кристаллическое строение, поэтому освоение основ кристалло-

графии поможет Вам при изучении минералогии.

Кристаллы – это твердые вещества, построенные по принципу кри-

сталлической решетки и обладающие однородностью, анизотропностью,

симметрией и способностью самоограняться.

Кристаллическая решетка состоит из множества равных параллеле-

пипедов, параллельно ориентированных и смежных по целым граням (реб-

рам и вершинам). В вершинах параллелепипедов (узлах) находятся мате-

риальные частицы (атомы, ионы, молекулы). Элементарный параллелепи-

пед представляет собой элементарную ячейку кристалла, которая харак-

терна только для кристаллов какого-то вещества (минерала) и характери-

зуется тремя линейными и тремя угловыми параметрами – a, b, c, α, β, γ

(рис. 1), которые определяются рентгено-структурным анализом.

В кристаллической решетке выделяются ряды (лучи) по самым раз-

личным направлениям. На каждом из лучей на равном расстоянии друг от

друга находятся материальные точки, расстояния между которыми на лу-

чах по различным направлениям неодинаковы. Через ряды кристалличе-

ской решетки можно провести множество плоскостей (плоских сеток), ко-

торые будут характеризоваться различной концентрацией материальных

точек. Сетки с максимальным количеством материальных точек обладают

наибольшей ретикулярной плотностью, которая определяет спайность.

Чем больше ретикулярная плотность плоской сетки, тем совершеннее бу-

дет спайность, проходящая по этой сетке.

Рис. 1. Параметры элементарной ячейки (a, b, c – линейные,

1, 2, 3 – угловые)

Однородность означает, что в любой точке кристалла свойства его

одинаковы, а анизотропность, что свойства кристаллов по различным на-

правлениям неодинаковы. Анизотропность объясняется тем, что по раз-

личным направлениям материальные точки (атомы, молекулы, ионы) рас-

полагаются на разных расстояниях, что определяет многие физические

свойства, в том числе и твердость.

Свойством самоограняться, т.е. принимать многогранную форму в

результате свободного роста в определенной среде и РТ-условиях, обла-

дают только кристаллы.

2. Симметрия кристаллов

Симметрия в переводе с греческого означает соразмерность, распо-

ложение одинаковых частей кристалла относительно точек, линий и плос-

костей, которые и называются элементами симметрии.

2.1. Центр симметрии (С)

Центром симметрии (С) называют воображаемую точку внутри кри-

сталла, на равном расстоянии от которой по любым направлениям наблю-

даются одинаковые части кристалла (рис. 2 а). Иногда центр симметрии

называют центром инверсии, так как элементы кристалла меняют направ-

ления (рис. 2 б).

Рис. 2. Центр симметрии плоской фигуры (а) и понятие инверсии

(смена направления) (б)

Правило для определения центра симметрии: при наличии центра

симметрии для каждой (!) грани кристалла должна быть равная и парал-

лельная грань. Если хотя бы для одной грани нет равной и параллельной,

то нет и центра инверсии. Поэтому для практического определения центра

инверсии необходимо все грани кристалла проверить на равность и парал-

лельность (кладите на стол и смотрите).

2.2. Ось симметрии (L)

Осью симметрии называется воображаемая прямая линия внутри

кристалла, при повороте вокруг которой кристалл несколько раз «занима-

ет» первоначальное положение (совмещается сам с собой). Элементарный

угол поворота (α) – наименьший угол, на который надо повернуть кристалл

до самосовмещения. Элементарный угол поворота определяет порядок оси

симметрии (n) – это число совмещений кристалла с самим собой при пово-

роте на 360

В кристаллах развиты оси симметрии 1, 2, 3, 4 и 6 порядков. При

этом осей первого порядка бесконечное множество, поэтому их не опреде-

ляют. Осей пятого порядка и осей выше 6 порядка в кристалле быть не

может. В кристаллах могут быть и сложные инверсионные оси симметрии,

которые действуют суммарно как простая ось и центр симметрии, как про-

стая ось симметрии и плоскость симметрии.

2.3. Плоскость симметрии (P)

Плоскостью симметрии называется воображаемая плоскость, которая

делит фигуру на две зеркальноравные части, расположенные относительно

друг друга как предмет и его зеркальное отражение (рис. 3). (Внимательно

смотрите на свои зеркально равные ладони).

Рис. 3. Расположение плоскостей

симметрии (Р) на плоских фигурах

Элементы симметрии проходят через центр кристалла, его вершины,

середины ребер, центры граней, в других местах их быть не может. Отсю-

да упрощается их поиск: берем кристалл по удлинению или уплощению

(по вершинам или центрам граней) и определяем наличие осей высшего

порядка (выше второго). Затем поворачиваем кристалл на 90

набок (т. е.

валяем его) и определяем оси второго порядка, которые проходят чаще

всего через середины ребер и центры граней, но могут проходить и через

вершины кристалла. Далее определяем количество плоскостей симметрии:

«режем» кристалл на две равные части и проверяем их «зеркальность». В

заключение определяем центр симметрии, для чего ищем для каждой гра-

ни равную и параллельную.

Определение элементов симметрии записываем в виде формулы Бравэ:

1) количество осей симметрии высшего порядка;

2) количество осей симметрии второго порядка;

3) количество плоскостей;

4) центр симметрии.

Например, элементы симметрии куба: 3L

9P C.

2.4. Виды симметрии. Сингонии

Видом симметрии кристалла называется полная совокупность его

элементов симметрии. Всего в кристаллах выделяется 32 вида симметрии,

которые разделяются по наличию осей, центра и плоскостей симметрии и

некоторым другим характеристикам.

Группа видов симметрии, обладающих одним или несколькими оди-

наковыми элементами симметрии, называется сингонией. Выделяется семь

сингоний, которые характеризуются числом единичных направлений, по

которым они подразделяются на низшую, среднюю и высшую категории;

наличием или отсутствием осей высшего порядка, отсутствием элементов

симметрии.

Единичное направление – это единственное направление, не повто-

ряющееся в кристалле.

Определять сингонию не трудно по элементам симметрии. Для этого

необходимы и достаточны некоторые элементы симметрии, имеющиеся в

кристаллах (табл. 1, которую надо обязательно выучить).

Таблица 1

Определение сингонии и категории по необходимым и достаточным

элементам симметрии

Категория Сингония Необходимые и достаточные

элементы симметрии

Триклинная 1) нет элементов симметрии

2) есть только центр симмет-

рии (С)

Моноклинная Сумма L

и Р < 3

Низшая

Несколько единичных на-

правлений, нет осей выше

ого

порядка

Ромбическая Сумма L

и Р ≥ 3

Тригональная 1L

Тетрагональ-

ная

Средняя

Одно единичное направ-

ление совпадает с осью

высшего порядка

Гексагональ-

ная

Высшая

Нет единичных направле-

ний, несколько осей выс-

шего порядка

Кубическая 4L

2.5. Простые формы и их комбинации

Кристаллы могут состоять из одинаковых и разных граней, связан-

ных и не связанных между собой элементами симметрии. Поэтому выде-

ляют среди них простые формы и их комбинации.

Простой формой называется кристалл, состоящий из одинаковых

граней, связанных между собой элементами симметрии. Комбинация со-

стоит из нескольких простых форм, в ней столько простых форм, сколько

разных граней имеется в кристалле. Например, куб состоит из шести оди-

наковых граней – это простая форма, но если у него срезать вершины, то

появится еще одна простая форма, а если срезать и ребра – третья простая

форма.

В кристаллах выделено 47 простых форм, которые выводятся строго

математически из 32 видов симметрии. Количество комбинаций не огра-

ничено. Примерно половину простых форм Вы знаете, остальные придется

выучить и определять. Для понимания названий простых форм выучим не-

сколько слов греческого языка.

Моно – один Гекса – шесть

Ди – два Окта – восемь

Три – три Дека – десять

Тетра – четыре Додека – двенадцать

Пента – пять Эдра – грань

Гониа – угол

Моноэдр – одна грань (любой формы), не связанная с другими эле-

ментами симметрии.

Пинакоид – две равные и параллельные грани (только две).

Диэдр – две равные пересекающиеся грани.

Тетраэдр – 4 грани по три пересекающиеся в четырех вершинах.

Тетраэдры бывают ромбические (грань разносторонний треугольник), тет-

рагональные (равнобедренный треугольник), кубические (равносторонний

треугольник).

Призмы – простые формы, у которых грани пересекаются в виде па-

раллельных ребер.

Пирамиды – простые формы, у которых грани пересекаются в одной

точке (вершине).

Дипирамиды – это две одинаковые пирамиды, соединенные между

собой основаниями.

Призмы, пирамиды и дипирамиды бывают ромбическими, триго-

нальными, тетрагональными, гексагональными, дитригональными, дитет-

рагональными и дигексагональными. Название их определить легко по

форме основания, по сингониям или элементам симметрии. Дитригональ-

ная и другие ди-формы получаются в результате удвоения сторон у тре-

угольника и других фигур (рис. 4).

Рис. 4. Дитригон (а), дитетрагон (б), дигексагон (в)

Ромбоэдр – шесть попарно параллельных граней в виде ромбов (это

сплюснутый или вытянутый в вершинах куб).

Скаленоэдры похожи на дипирамиды (рис. 5 в), только пояс сочле-

нения у них неровный, при этом ребра пояса сочленения равны между со-

бой, формы граней у них треугольные. Скаленоэдры бывают тригональ-

ными и тетрагональными.

Трапецоэдры тоже похожи на дипирамиды (рис. 5 б), пояс сочлене-

ния у них неровный, как у скаленоэдров, но ребра пояса сочленения равны

через один, форма грани у трапецоэдров четырехугольная. Трапецоэдры

бывают тригональные, тетрагональные и гексагональные.

Пояс сочленения у дипирамиды – плоскость симметрии.

Описанные простые формы встречаются в кристаллах низшей (моно-

эдры, диэдры, ромбические тетраэдры, призмы, пирамиды, дипирамиды) и

средней категорий. Простые формы кубической сингонии принадлежат

только ей и не могут встречаться в кристаллах других сингоний. В кри-

сталлах кубической сингонии не встречаются простые формы низшей и

средней категорий.

Пояс

сочленения

ба

Рис. 5. Отличие дипирамиды (а) от трапецоэдра (б) и скаленоэдра (в)

В кристаллах кубической сингонии развиты 5 основных форм и 10

производных. Основные простые формы представлены кубическим тет-

раэдром, гексаэдром (кубом), октаэдром, ромбододекаэдром и пентагондо-

декаэдром. Октаэдр можно представить как тетрагональную дипирамиду, у

которой грани – равносторонние треугольники. Додекаэдры – это формы, у

которых 12 граней в виде ромбов или пентагонов (пятиугольников).

На зачетных моделях кристаллов необходимо определить:

1) элементы симметрии;

2) сингонию и категорию;

3) что это – простая форма или комбинация;

4) если это комбинация, то определить, сколько в ней простых форм,

и все назвать.

Следует заметить, что определять элементы симметрии и простые

формы на моделях кристаллов сравнительно легко, чего нельзя сказать о

реальных кристаллах. В результате неодинакового притока к растущим

кристаллам питающего раствора грани растут неравномерно, поэтому ста-

новятся не только разными по размеру, но даже и по форме.

3. Определение минералов

При освоении курса минералогии надо уметь определять физические

свойства минералов и отличать одни минералы от других именно по этим

свойствам. Особенно это важно для минералов, похожих друг на друга.

Например, многие сульфиды имеют серый цвет и металлический блеск

(табл. 2). В этом случае надо искать другие свойства, по которым можно

отличить один минерал от другого. Так, для галенита характерны совер-

шенная спайность в трех направлениях (выколы в виде кубов), для анти-

монита – вытянутая форма кристаллов с поперечной штриховкой, для мо-

либденита – чешуйчатая форма и малая твердость, для арсенопирита, на-

оборот, – высокая твердость, для блеклых руд – более темный цвет, сплош-

ные массы и медная зелень.

Таблица 2

Сульфиды серого цвета с металлическим блеском

(черта серая, темно-серая)

Свойства

Галенит Антимонит Молибденит Арсено-

пирит

Блеклые

руды

Особен-

ности

цвета

Типично

серый

Типично

-серый

Светло-

серый «го-

лубоватый»

Светло-

серый до

белого

Темно-серый

Форма

кристал-

лов

Гексаэд-

ры

Вытянутые

кристаллы с

поперечной

штриховкой

Чешуйки,

плоские гек-

сагональные

призмы

Пластин-

чатый

Сплошные

массы

Спай-

ность

Совер-

шенная в

трех на-

правле-

ниях

Средняя Весьма со-

вершенная

Твер-

дость

3–4 3–4 1 5,5 3–4

Допол-

нитель-

ные све-

дения

Часто

встреча-

ется со

сфалери-

том

Удлинен-

ные кри-

сталлы

Часто встре-

чается в

кварце

Стально-

серый

цвет

Часто при-

мазки мед-

ной зелени

Точно также желтые сульфиды с металлическим блеском (табл. 3) от-

личаются друг от друга другими свойствами. Например, пирит и марказит

обладают большой твердостью (5,5), но пирит практически всегда имеет

форму кристаллов (кубы и пентагондодекаэдры), а марказит наблюдается в

форме конкреций. Для халькопирита характерны сплошные массы, пестрая

побежалость и вторичные изменения – медная зелень. Пирротин образует

тоже сплошные массы, но цвет у него более темный, а кроме того он маг-

нитен. В пирротине наблюдается более светлые пятна со спайностью –

пентландит. Остальные сульфиды уже легче определить по каким-либо

другим более ярким или специфическим свойствам.