Основные физические свойства минералов

Все минералы как физические тела обладают разнообразными свойствами: обликом кристаллов, твердостью, плотностью, спайностью, изломом, цветом, цветом черты и др. В зависимости от химического состава и кристаллической структуры эти свойства у различных минералов проявляются по-разному, и каждый; минерал характеризуется какими-либо особыми признаками, по которым его можно отличить от других. Физические свойства минералов используются для определения минералов и дают возможность, в свою очередь, судить о свойствах горных пород.

1. Форма кристаллов.

В природе большинство минералов распространено в виде зерен неправильной формы. Гораздо реже встречаются минералы, имеющие более или менее выраженную форму многогранников. Но и те и другие обладают внутренним кристаллическим строением.

Одним из основных характерных свойств большинства кристаллических минералов является их свойство самоограничения, т. е. — способность принимать многогранную форму. Каждому минералу свойственна своя кристаллическая форма, которая зависит от химического состава, строения вещества и условий его образования.

Кристаллами называются природные или искусственно созданные тела, которые имеют форму многогранников. Пространственное расположение составляющих частиц характеризует структуру кристалла.

Плоскости, ограничивающие кристаллы, называются гранями, линии пересечения граней — ребрам, точки пересечения ребер — вершинами (рис. 1). Установлено, что углы между соответствующими гранями кристаллов одного и того же минерала одинаковы и постоянны. Этот закон постоянства гранных углов дает возможность по этим углам точно определять, минералы. При постоянстве гранных углов величина и форма граней минерала может значительно меняться, в связи с чем будет меняться общий вид кристаллов, но структура кристаллов при этом остается неизменной. Закон постоянства гранных углов вытекает из того, что при росте кристаллов грани его перемещаются параллельно самим себе.

Кристаллы, как правило, имеют симметричное строение, выражающееся в повторении элементов его ограничения: граней, ребер и вершин.

Штриховатость. Нередко грани кристаллов бывают покрыты штрихами. Для ряда минералов это свойство является весьма постоянным и служит одним из диагностических признаков. Так, например, поперечная, параллельная штриховка на призматических гранях кварца; долевая штриховка на гранях турмалина, взаимно перпендикулярная штриховка на гранях пирита (рис. 4).

Рис. 4. Штриховка на гранях кристаллов

2. Твердость. Под твердостью подразумевают степень сопротивления механическому воздействию другого, более прочного тела или особость минерала сопротивляться царапанию других минералов. Твердость обусловлена силой сцепления частиц.

В минералогической практике применяется наиболее простой способ определения твердости царапанием одного минерала другим, т. е. устанавливается относительная твердость. Для оценки этой твердости применяется шкала Мооса, состоящая из десяти эталонных минералов, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие.

За эталоны приняты следующие минералы в порядке твердости от.1 до 10:

• 1 — тальк,
• 2 — гипс,
• 3 — кальцит,
• 4 — флюорит,
• 5 — апатит,
• 6 — ортоклаз,
• 7 — кварц,
• 8 — топаз,
• 9 — корунд,
• 10 — алмаз.

Минералы с твердостью 1 и 2 — мягкие, царапаются ногтем; с твердостью 3 — 5 — средние, не оставляют царапины на стекле; с твердостью 6 и 7 — твердые, не оставляют царапины на кварце и с твердостью 8 — 10 очень твердые, царапают кварц. В практике полевых работ при отсутствии шкалы Мооса — нередко прибегают к определению твердости при помощи распространенных предметов. Так твердость карандаша — 1, ногтя —^: 2 — 2,5; бронзовой монеты — 3 — 3,5; железного гвоздя — 4, стекла — 5; стального ножа — 6; напильника — 7. Главная масса природных минералов обладает твердостью от 2 до 6. Это свойство является одним из важнейших признаков, характеризующих различные минералы.

При определении твердости по свежей поверхности минерала царапают эталонным минералом и устанавливают, какой минерал оставляет царапину. Если определяемый минерал царапается кварцем, а сам царапает ортоклаз, то это значит, что его твердость заключена между 6 и 7.

3. Плотность Большое значение при определении минералов имеет плотность.

Плотность — это отношение массы минерала к его объему.

Плотность колеблется в широких пределах от 0,8 (жид. битумы) до 23 (минералы группы осмистого иридия). Главная масса природных органических соединений, окислов, солей легких металлов (верхняя часть таблицы Менделеева) обладает плотностью от 1 до 3,5 (галит — 2,1, гипс — 2,3, кварц — 2,65, алмаз — 3,5); лишь некоторые имеют большую плотность: (барит — 4,3 — 4,7, корунд — 4). Соединения тяжелых металлов (нижняя часть таблицы Менделеева) характеризуется средней плотностью от 3,6 до 9 (сидерит — 3,7 — 3,9, галенит —_:, 7,3, киноварь — 8,0). Наибольшие плотности характерны для самородных металлов, более 9 (медь — 9,0, серебро — 10 — 11, ртуть — 13,6, золото — 15 — 19, платина — 14 — 20).

Определение плотности производится на специальных приборах; на практике для приблизительного определения плотности пользуются взвешиванием на руке, устанавливая принадлежность минерала к легким (до 2,5), средним (до 4) или тяжелым (больше 4), причем необходимо различать тяжелые и легкие минералы среди металлов и неметаллов.

4. Спайность. Спайностью называется способность кристаллов и кристаллических зерен раскалываться или расщепляться по определенным кристаллографическим направлениям, образуя ровные поверхности, называемые плоскостями спайности.

Это свойство кристаллических минералов связано исключительно с их внутренним строением и не зависит от внешней формы кристаллов. Поэтому данный признак является одним из важных при определении минералов.

По степени совершенства различают следующие виды спайности:

а) Спайность весьма совершенная.

Минерал легко расщепляется на тонкие листочки, получить другие поверхности иначе как по спайности весьма трудно. Такой спайностью обладают слюды, тальк, гипс, хлорит.

б) Спайность совершенная.

Минералы, обладающие этой спайностью, при ударе раскалываются по определенным направлениям и дают ровные блестящие поверхности спайности, причем всегда получаются выколки по спайности, внешне очень напоминающие настоящие кристаллы. При разбивании галита получаются мелкие правильные кубики, кальцита — правильные ромбоэдры. Получить излом по другим направлениям очень трудно.

в) Средняя спайность.

Такой спайностью обладают минералы, у которых при раскалывании наблюдаются как плоскости спайности, так и неровные изломы по случайным направлениям, например полевые шпаты, роговая обманка и др.

г) Спайность несовершенная.

Она обнаруживается с трудом, ее приходится отыскивать на обломках минерала, причем большая часть обломков ограничена неровными поверхностями излома. Такая спайность наблюдается у апатита, оливина, самородной серы.

д) Спайность весьма несовершенная, т. е. практически отсутствует или обнаруживается в исключительных случаях, например у кварца, корунда и др.

Спайность у минералов может наблюдаться по одному направлению (слюда), двум (полевые шпаты), трем (кальцит, каменная соль).

5. Излом. Минералы, у которых отсутствует спайность, при раскалывании характеризуются образованием неровных поверхностей, называемых изломом.

Различают следующие виды излома:

• 1) раковистый, похожий на внутреннюю поверхность раковины, например у кварца, халцедона, опала;
• 2) занозистый, когда на поверхности излома заметны мелкие, ориентированные в одном направлении занозы, как например, асбеста, селенита (волокнистый гипс), роговой обманки;

зернистый, встречающийся у минералов, имеющих зернистое мелкокристаллическое строение, например гипс, ангидрит;

землистый, поверхность излома матовая, шероховатая и как бы покрытая пылью, например у каолинита, лимонита.

6. Цвет. При первом знакомстве с минералами невольно в глаза бросается их окраска, которая бывает самой различной: белой, розовой, красной, синей, фиолетовой, зеленой, черной, всевозможных оттенков. Минералы могут быть и бесцветными. Для некоторых минералов цвет является постоянным и характерным признаком, например, малахит всегда зеленый, галенит свинцово-серый, пирит латунно-желтый. Недаром ряд названий дан минералам именно по этому признаку, хлорит («хлорос» по-гречески «зеленый»), рубин («рубер» с латинского «красный»), альбит («альбус» с латинского" белый"), меланит («мелас» по гречески «черный»). И наоборот, некоторые названия минералов вошли в наш лексикон как стандартные цвета красок, указывая, что эти цвета постоянны для данных минералов, например киноварь, малахитовая зелень.

Однако для многих минералов цвет нельзя считать основным признаком. Один и тот же минерал бывает окрашен в различные цвета в зависимости от весьма разнообразных причин, например, кварц, флюорит, гипс и др. Окраска минералов может быть обусловлена разными причинами:

наличием в составе, самого минерала красящего элемента — хромофора. К числу их следует отнести хром, ванадий, марганец, железо, кобальт, никель и др. Так, окись хрома Сr₂О₃, содержащаяся в минералах даже в очень незначительном количестве, окрашивает их в интенсивный красный цвет — рубин, либо в зеленый — изумруд (зеленый берилл);

окраска некоторых минералов бывает связана с изменением однородности строения кристаллической решетки, например цветная каменная соль при облучении катодными лучами становится синей, под воздействием лучей радия розовый кварц становится бурым, дымчатый — черным, при нагревании дымчатый кварц, сапфир становятся бесцветными, для минералов, имеющих различную окраску, последняя нередко бывает связана с тонкорассеянными механическими примесями. Эти красящие вещества могут быть как неорганическими, так и органическими соединениями.

Кроме основной окраски минерала, иногда тонкий поверхностный слой имеет дополнительную окраску этo явление называется побежалостью и объясняется явлениями интерференции света в тонких пленках, образующихся на поверхности минерала в результате различных реакций. Побежалось бывает радужной, из нескольких цветов — халькопирит. С этим же явлением связана игра цветов прозрачных минералов иризация (отражение падающего света от внутренних поверхностей, трещин спайности — синие переливы Лабрадора).

При определении цвета минерала необходимо обращать внимание на то, является ли он прозрачным (просвечивающим в краях) или непрозрачным. К прозрачным минералам можно отнести гипс, кварц, кальцит, флюорит и др., к непрозрачным — пирит, гематит, лимонит и др. Многие минералы в тонких шлифах являются, прозрачными, а в крупных обломках и кристаллах кажутся непрозрачными.

Рис. 5. Двойное лучепреломление у кальципа

Некоторые прозрачные минералы обладают свойством двойного лучепреломления (рис. 5). Это свойство минералов образовывать на просвет" двойное изображение предметов. Оно особенно хорошо выражено у разностей кальцита, называемых, исландским шпатом.

7. Цвет черты. Под этим термином подразумевается цвет тонкого порошка минерала, остающегося на поверхности фарфоровой пластины при царапании последней минералом.

Этот признак по сравнению с окраской минералов является более постоянным и более надежным, при диагностике. Цвет черты в ряде случаев совпадает с окраской самого минерала. У киновари окраска и цвет черты красные, у лазурита — синие, у магнетита — черные. У других минералов цвет черты резко отличается от цвета минерала, и в таком случае имеет важное значение при определении. Например, у гематита — цвет минерала стально-серый, черный, а черта вишнево-красная, у пирита — цвет минерала латунно-желтый, а черта черная с зеленоватым оттенком.

Большинство прозрачных и полупрозрачных минералов обладают бесцветной или слабо окрашенной чертой, поэтому наибольшее диагностическое значение цвет черты имеет для непрозрачных и резко окрашенных природных соединений. Минералы, обладающие твердостью больше 6, черты не дают.

8. Блеск. Большинство минералов в отраженном свете обладает блеском. Блеск обусловлен, во-первых, показателем преломления у прозрачных минералов и коэффициентом поглощения у непрозрачных.

Вещества, обладающие большим коэффициентам поглощения, характеризуются металлическим блеском, этот сильный блеск свойственен металлам. Они обычно непрозрачны, черта их черная или очень темная, например пирит, галенит, магнетит. Минералы с меньшим коэффициентом поглощения и более светлой чертой обладают полуметаллическим или металловидным блеском, например гематит, графит.

У прозрачных минералов по интенсивности блеска различают:

• — алмазный блеск (характерен для минералов с показателем преломления 1,9 — 2,6). Он свойственен таким минералам, как алмаз, сфалерит (цинковая обманка)
• — стеклянный блеск свойственен очень многим минералам с показателями преломления 1,3 — 1,9, например кварц, флюорит, карбонаты, сульфаты, корунд, гранат.

Все рассмотренные виды блеска характерны для гладких поверхностей (плоскостей спайности, граней кристаллов). Для неровных шероховатых поверхностей, с которых отраженный свет частично рассеивается, различают жирный блеск (сера, нефелин, размытый кусок каменной соли), некоторые минералы обнаруживают перламутровый блеск, вызванный явлениями интерференции света от тонких пластинок или трещинок спайности (слюды, тальк). При параллельно-волокнистом строении минерала можно видеть шелковистый блеск (асбест, селенит).

9. Прочие свойства. Существует очень немного минералов, обладающих магнитными свойствами, т. е. они действуют на магнитную стрелку или сами притягиваются к магниту. Такими свойствами обладает магнетит, никелистое железо, некоторые разности ферроплатины. Так как магнитных минералов немного, то магнитность является для них важным признаком, позволяющим сразу установить данный минерал.

Для некоторых, минералов характерна реакция со слабой соляной кислотой НСl, при которой происходит выделение углекислого газа, сопровождающееся шипением. Эта реакция характерна для карбонатов, причем в куске с соляной кислотой активно реагирует кальцит, в порошке — доломит, при нагревании — сидерит и магнезит. К прочим свойствам следует также отнести вкус (галит), ковкость (галенит), гигроскопичность (каолинит), упругость (слюды), горючесть (сера) и др.

эндогенные процессы кристаллы минеральные агрегаты химический состав.