ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ

ПЛОТНОСТЬ или удельный вес (эти два понятия в последнее время считают синонимами) любого вещества зависит от его химического состава и кристаллической структуры, т.е. от типа атомов, составляющих вещество, и способов их пространственного распределения, а также от типа химической связи. Чем тяжелее атомы или ионы, а также чем теснее они упакованы в данном веществе, тем больше удельный вес.

Плотность минералов измеряется в широких пределах. Наиболее широко распространенные минералы имеют плотность около 2,6 г/куб.см. Это полевые шпаты, кварц и кальцит. Именно этими минералами сложены многие горные породы. Присутствующие в породах так называемые «цветные» минералы (биотит, роговая обманка, авгит, гранат) имеют большую плотность – примерно от 3 до 4 г/куб.см. Плотность этих минералов колеблется в зависимости от их состава (который может изменяться в широких пределах). Как правило, более железистые разности этих минералов обладают повышенной плотностью, а магнезиальные – пониженной плотностью. Многие рудные минералы имеют плотность около 5 г/см³ (магнетит, гематит, халькопирит), у некоторых она повышается до 7 - 8 г/см³ (галенит, киноварь, шеелит). Такая плотность сопоставима с плотностью стали (7,8 г/куб. см). Максимальная плотность у самородных металлов, а из них – у иридистой платины (табл. 1)

Таблица 1. Плотности наиболее распространенных минералов, г/куб.см.

1. Плотность низкая

2. Плотность средняя

3. Плотность повышенная

4. Плотность высокая

5. Плотность очень высокая

ЦВЕТ МИНЕРАЛОВ, на первый взгляд, является основным диагностическим свойством минералов. Несомненно, это очень важный признак, но нужно учитывать, что причины окраски минералов могут быть различными. В некоторых случаях даже детальные исследования с помощью лабораторных методов не дают однозначного ответа. Кажущаяся простота определения минералов по цвету часто приводит к ошибкам или ставит нас в тупик. Почему это происходит? Дело в том, что один и тот же минеральный вид может иметь очень разные окраски, а причины этого тоже могут быть разными. Кроме того, само определение цвета может вызывать некоторые трудности. Разнообразие оттенков одного и того же цвета, а также интенсивность очень важно отмечать, т.к. они могут быть связаны с совершенно разными причинами. Так, например, зеленый цвет может быть: ярко-зеленый, серо-зеленый, травяно-зеленый и т.д.

Попробуем в общих чертах разобраться с причинами окраски минералов. В большинстве случаев она обусловлена избирательным поглощением части световых волн белого спектра. Белый свет представляет собой сложный спектр видимых лучей, имеющих красную, оранжевую, желтую, зеленую, голубую, синюю и фиолетовую окраску. Получающийся цвет соответствует белому спектру за вычетом поглощенной его части. Когда белый свет проникает в кристаллическую решетку, световые волны определенной длины проходят сквозь кристалл или отражаются от него, тогда как оставшаяся часть спектра поглощается. Когда минерал пропускает почти весь видимый спектр, он выглядит бесцветным или белым; если почти весь видимый спектр поглощается, минерал выглядит темным или почти черным. В тех случаях, когда сквозь решетку пропускается узкая полоса спектра или несколько полос (а другие части спектра поглощаются), человеческий глаз воспринимает некоторый определенный цвет, являющийся дополнительным к поглощенной части спектра. Например, ярко-зеленый цвет изумруда соответствует пропусканию света в интервале длин волн от 5000 до 5500А.

Рассматривая некоторые прозрачные минералы, мы можем заметить разные цвета в одном и том же кристалле. Такой эффект называется плеохроизмом и связан он с избирательной адсорбцией света. В турмалине, например, можно увидеть два и даже три разных цвета в разных сечениях кристалла.

Какой бы разнообразной ни была окраска минералов, ее причины связаны с электронными процессами, энергии которых соответствуют длинам световых волн. В большинстве случаев эти процессы требуют внешнего воздействия, например облучения светом, рентгеновскими лучами, нагревания. При этом происходят изменения в распределении энергии, которые связаны со смещениями электронов внутри атомов, ионов или с дефектами кристаллов.

В отечественной литературе, начиная с работы А.Е.Ферсмана «Цвета минералов», принято выделять три основных типа окраски: собственная, чужеродная и ложная.

Собственная (идиохроматическая) обусловлена особенностями структуры или состава минерала. У некоторых минералов окраска постоянна (желтые пирит и халькопирит, черные магнетит, гематит, хромит, зеленый малахит, синий азурит и лазурит и т.д.), у некоторых она меняется в зависимости от количества некоторых элементов (хромофоров).

К хромофорам относятся элементы группы железа (Fe, Co, Ni, Mn, Ti, Cr, V). Примесь хрома в корунде превращает его в красный рубин, титана – в синий сапфир. Железо в актинолите придает этому минералу зеленую окраску (чем он отличается от безжелезистого бесцветного тремолита). Марганец способствует появлению красной окраски, никель – зеленой, и т.д. Идиохроматическая окраска может быть вызвана и другими причинами – наличием дефектов кристаллической структуры (синяя или красная окраска каменной соли, окраска кристаллов кварца, окраска алмаза) или присутствием ионов или целых анионных групп в полостях кристаллической структуры (например, синий цвет лазурита).

Чужеродная (аллохроматическая) окраска, вызванная присутствием тонкой примеси других минералов. Чаще всего это бурые гидроксиды железа (гетит), красная окись железа (гематит), черные оксиды марганца, серое глинистое вещество, зеленые актинолит или пироксены. Черную окраску может придавать тонко рассеянное органическое вещество. Пример – зеленые нефелины и полевые шпаты Хибинского массива (за счет тонких вростков эгирина), бурый сидерит (примесь гетита).

Ложная (псевдохроматическая) окраска обусловлена явлением интерференции электромагнитных волн на тонких неоднородностях минерала или в тонких пленках на поверхности зерен. Такова «иризация» (яркие синие отсветы при определенной ориентировке освещения) лабрадора и олигоклаза («лунный камень»), яркие синие, зеленые или красные вторичные окраски на окисленных поверхностях сульфидных минералов (побежалость халькопирита, борнита).

ТВЕРДОСТЬ минералов. Измеряется относительная твердость – способность минералов царапать друг друга. Пользуются шкалой относительной твердости, предложенной еще в 1811 году немецким минералогом Ф. Моосом:

1 – тальк (кроме того, графит, молибденит),

2 – гипс,

3 – кальцит (несколько более мягкие – слюды, галенит),

4 – флюорит (халькопирит, сфалерит),

5 – апатит (чуть большую твердость имеет стекло),

6 – полевые шпаты (ортоклаз, микроклин, плагиоклаз),

7 - кварц,

8 – топаз,

9 – корунд,

10 – алмаз.

Абсолютную твердость измеряют на специальных приборах – путем вдавливания в минерал алмазной пирамидки при определенной нагрузке и измерением ширины получающегося отпечатка. Можно измерять твердость по скорости истирания минерала (при обработке на шлифовальных станках), скорости резания алмазной пилой и др. способами.

Кристаллическое строение минералов предопределяет изменение твердости в зависимости от направления – «анизотропию» твердости. В максимальной степени она проявлена у кианита Al₂SiO₄O, кристаллы которого легко царапаются ножом вдоль удлинения (твердость 4,5) и не царапаются поперек (твердость 6).

БЛЕСК минерала обусловлен соотношением показателя преломления и его отражательной способности. Блеск делят на:

- металлический - у непрозрачных минералов, обладающих черной чертой. Примеры – пирит, халькопирит, магнетит, пирротин. Исключение составляют гидроксиды марганца, которые имеют черную черту, но не имеют блеска из-за землистого сложения. Полуметаллический блеск бывает у минералов черного цвета, обладающих цветной чертой (пример – гематит)

- алмазный – сильный блеск, хорошо различимый на значительном расстоянии. Типичные минералы с алмазным блеском – сфалерит, вольфрамит, киноварь и др.

- стеклянный – обычно довольно тусклый. Присущ всем минералам шкалы Мооса (за исключением, понятно, алмаза). Выделяют некоторые характерные разности: шелковистый (у волокнистых минералов – гипса-селенита, хризотил-асбеста и др), жирный – у нефелина и др.

Реже встречается еще один тип блеска – металловидный. Он похож на металлический, но черта у этих минералов не черная (например, у хромита черта зеленовато-бурая, гематита – вишнево-красная). Таким образом, в случае сомнения будем опираться на цвет черты.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ свойства. По электропроводности минералы подразделяются на проводники (это все самородные металлы, графит, некоторые сульфиды), полупроводники (некоторые сульфиды), диэлектрики (большинство минералов). Электропроводность лежит в основе использования электроразведочных геофизических методов.

Характерное свойство некоторых кристаллических веществ – пьезоэлектричество и пироэлектричество. Это появление электрических зарядов в минерале при механическом воздействии (сжатии) или нагреве кристалла. Пьезоэлектрический эффект проявляется в том, что при сжатии – растяжении кристалла (пластинки, вырезанной из кристалла) вдоль полярной кристаллографической оси возникает ЭДС (или наоборот, происходит сжатие-растяжение кристалла в случае приложения переменного электрического поля). В качестве пьезоэлектриков широко применяются искусственно выращиваемый кварц, сегнетова соль (NaKC₄H₄O₆.4H₂O), титанат бария BaTiO₃. Пьезоэлектрики широко применяются в технике для преобразования электрических сигналов в механические и наоборот (в различного рода электрических резонаторах, фильтрах, преобразователях, датчиках). Пироэлектричество – явление возникновения электрического поля в некоторых кристаллах при их нагревании или охлаждении. Все пьезоэлектрики являются в то же время и пироэлектриками, но не наоборот. Пироэлектрики используют в технике в качестве индикаторов и приемников излучений. Примером минерала-пироэлектрика является турмалин.

МАГНИТНЫЕ свойства. По характеру взаимодействия с магнитным полем минералы принято делить на магнитные, слабомагнитные («электромагнитные») и немагнитные. Магнитные минералы притягиваются обыкновенным магнитом. Это магнетит, пирротин, самородное железо, железистая платина, маггемит (Fe₂O₃ кубической модификации), кубанит (CuFe₂S₃). Слабомагнитные минералы реагируют только на сильное поле электромагнита (ильменит, сфалерит, альмандин, диопсид, рутил, пирит и др). Немагнитные минералы: флюорит, барит, кварц, кальцит, касситерит. Магнитные свойства многих минералов находятся в зависимости от особенностей их химического состава. Магнитные свойства минералов лежат в основе одного из геофизических методов поисков полезных ископаемых (магниторазведки). Магнитная сепарация – основной метод обогащения железных руд.

РАСТВОРИМОСТЬ. Высокая растворимость характерна для многих хлоридов, сульфатов и др. солей. Хорошо растворимые минералы обладают вкусом (соленый вкус у галита NaCl, горько-соленый у сильвина KCl, горький у эпсомита MgSO₄.7H₂O и карналлита KMgCl₃.6H₂O). Слабая растворимость кальцита и гипса, тем не менее, лежит в основе карстовых явлений (образование пещер и карстовых воронок в толщах карбонатных или гипсовых пород).

Люминесценция – свойство минералов светиться при различных внешних воздействиях: флюоресценция – под воздействием ультрафиолетового излучения, как у шеелита, алмаза, некоторых разностей кальцита и др.; термолюминесценция – при нагреве (флюорит); триболюминесценция – при механическом воздействии (сфалерит, мусковит). Люминесценция обусловлена присутствием в составе минералов незначительной (менее 1%) изоморфной примеси некоторых элементов – люминофоров: Mn²⁺, Eu²⁺, TR³⁺ - в минералах кальция, Fe³⁺ - в силикатах и алюмосиликатах, Tl⁺ - в минералах калия и цезия, Mn²⁺ - в минералах марганца, или наличие собственных люминогенов: U⁶⁺ в минералах уранила, W⁶⁺ в шеелите, Mo⁶⁺ в повеллите и вульфените. Люминесценция используется при полевой диагностике некоторых минералов (шеелита), как один из методов минералогического анализа руд и продуктов обогащения, при рудоразборке. Важнейшие люминесцирующие минералы: алмаз, киноварь, сфалерит, флюорит, кварц, корунд, шпинель, касситерит, бадделеит (ZrO2), апатит, кальцит, шеелит, ангидрит, барит, соли урана.

РЕАКЦИИ С КИСЛОТАМИ и др. хим. веществами. Все карбонаты реагируют с разбавленной соляной кислотой, и по этому признаку легко отличаются от минералов других классов. При этом реагирование их происходит с разной интенсивностью, что может использоваться уже для диагностики отдельных минералов. Так, кальцит Ca[CO₃] бурно вскипает в любом состоянии, доломит CaMg[CO₃]₂ – только в порошке, магнезит Mg[CO₃] – в порошке при нагреве, сидерит Fe[CO₃] – то же, при этом окрашивая каплю в зеленовато-буроватые тона. KOH используется при диагностике антимонита (оранжевое окрашивание).

ОПТИЧЕСКИЕ свойства минералов обусловливаются особенностями взаимодействия кристаллической структуры с электромагнитным излучением видимой части спектра. Отношение скорости света в пустоте к скорости света в изучаемом веществе равно величине показателя преломления. У минералов кубической сингонии скорость света одинакова во всех направлениях, говорят, что эти минералы оптически изотропны. Минералы всех остальных сингоний оптически анизотропны. Луч света, входящий в минералы средних сингоний разлагается на два поляризованных луча. Один из них, называемый «обыкновенным», имеет постоянную скорость во всех направлениях, скорость другого, «необыкновенного», луча, изменяется в зависимости от направления. В кристаллах низших сингоний также происходит разложения входящего луча на два, но при этом оба они - «необыкновенные», т.е. изменяющие (по-разному) скорость в зависимости от направления. Оптические свойства минералов лежат в основе петрографического метода изучения минералов и горных пород с использованием поляризационного микроскопа.

У некоторых минералов наблюдается резкое изменение показателя преломления для лучей различных частей спектра – дисперсия преломления. Это свойство лежит в основе «игры света» ограненных алмазов.