Физические свойства минералов

К основным физическим свойствам, используемым для быстрого макроскопического определения минералов, относятся: цвет, цвет черты, блеск, спайность, твердость, плотность. Некоторые физические свойства проявляются у небольшого количества минералов и используются ограниченно: магнитность, растворимость (в воде и кислотах), ощущение на ощупь, запах.

Следует иметь в виду, что отдельныефизические свойства могут быть одинаковыми у различных минералов и, наоборот, какое-либо отдельноесвойство (например, цвет или плотность) у одногои того же минерала может меняться в зависимости от условий образования. Поэтому при определении минерала необходимо установить для него возможно большееколичество свойств, которые дадут сочетание (комплекс) свойств, присущее только данному минералу. В редких случаях некоторые свойства бывают настолько характерны, что по одномуиз них можно сразу определить минерал (магнитность у магнетита, бурная реакция с разбавленной соляной кислотой у кальцита и некоторые другие).

Ц в е т м и н е р а л о вэто физическое свойство минералов, являющееся важным диагностическим признаком. Цвет (окраска) минерала зависит от длины волн тех частей падающего на минерал света, которые минералом отражаются, пропускаются или поглощаются. Бесцветные минералы отражают или пропускают все волны белого света, темные (черные) их поглощают. Зеленый минерал, например, отражает или пропускает зеленый свет и поглощает все другие компоненты белого света.

Окраска минерала может быть вызвана вхождением в его кристаллическую структуру элементов хромофор, которые своим присутствием обусловливают определенный цвет минералов. К числу хромофор относят Fe, Ti, V, Mn, Co и многие другие элементы. Минералы, содержащие двухвалентное железо, характеризуются зеленым (хлорид), темно-зеленым и черным (авгит, роговая обманка) цветом.

Окраска может быть связана с дефектами кристаллической решетки минерала. Например, иризация в сине-желтых тонах у плагиоклазов.

Цвет некоторых минералов не зависит от их кристаллохимической природы, а вызван посторонними тонко рассеянными механическими примесями. Например, розовая окраска кальцита вызвана тончайшими вростками гематита.

Некоторые минералы обладают постоянным цветом. Это значительно облегчает их диагностику. Более того, многие минералы названы по этому признаку: хлорид – в переводе зеленый. Для многих других минералов цвет не является устойчивым признаком. Такие минералы, как кварц, кальцит, могут быть окрашены чуть ли не в любой цвет. Окраска минералов часто отражает сходство с окрасками каких-то известных предметов или веществ. Например, молочно-белый или дымчато-серый цвет кварца, соломенно-желтый пирита или травяно-зеленый эпидота.

Чтобы научиться самостоятельно улавливать характерные оттенки цвета отдельных минералов, необходимо попытаться зрительно запомнить цвета минералов эталонной коллекции.

Ц в е т ч е р т ы – это цвет минерала в порошке. Порошок получается при растирании или царапанье твердым минералом по пластинке неглазурованного (шероховатого) фарфора или фаянса. Цвет черты может совпадать с собственным цветом минерала или отличаться от него.

Светлоокрашенные или бесцветные прозрачные и полупрозрачные минералы обладают белой (неокрашенной) чертой. Ясноокрашенные и темноокрашенные непрозрачные минералы также могут иметь неокрашенную черту или окрашенную черту, цвет которой совпадает с цветом минерала в куске. Лишь небольшая группа таких минералов обладает цветом порошка, резко отличным от цвета самого минерала. В последнем случае цвет черты является важным диагностическим признаком. Например, гематит, лимонит и магнетит в кусках часто имеют одинаковую черную окраску, но по цвету черты их можно легко отличить друг от друга – черта будет соответственно вишнево-красная, желто-бурая и черная. Большинство породообразующих минералов обладают белой или слабоокрашенной чертой.

Для того чтобы научиться практически использовать этот диагностический признак, возьмите черту минералов эталонной коллекции. Запомните оттенки цвета порошка, особенно тех минералов, для которых это важное диагностическое свойство, сравните с цветом черты минералов индивидуальной задачи.

Б л е с к м и н е р а л о в является оптическим эффектом, который создается при отражении света от поверхности минерала и не связан с его окраской. Блеск зависит от показателей преломления и отражения световых лучей поверхностью вещества и от скульптуры этой поверхности. Когда поверхность представляет собой грань кристалла или идеально ровный скол зерна, отражается большая часть падающего света, интенсивность блеска высока. Если же поверхность представлена скрытозернистым агрегатом, то отраженные от такой скрытобугорчатой массы световые лучи будут рассеиваться и гасить друг друга, интенсивность блеска резко снизится (рис. 2.5). Поэтому один и тот же минерал может иметь разный характер блеска в различных агрегатах.

 

По степени интенсивности различают три вида блеска.

1. Металлический блескнапоминает блеск свежего металла. Это самый сильный блеск. Металлический блеск имеют непрозрачные минералы (независимо от их окраски), дающие черный цвет черты (пирит и др.). Исключением по цвету черты являются самородные металлы (золото, серебро).

2. Полуметаллический блескили металловидныйнапоминает блеск потускневшей поверхности металла (гематит, псиломелан).

3. Неметаллический блеск объединяет целую группу разновидностей.

Алмазный блеск–это искрящийся, самый сильный блеск среди неметаллических блесков (алмаз, сера на гранях кристаллов).

Стеклянный блесксоответствует блеску стекла. Это самый распространенный в природе блеск, им обладают около 70 % минералов, как светлоокрашенных, так и темноокрашенных с бесцветной чертой (силикаты, карбонаты, сульфаты, кварц на гранях кристаллов).

Жирный блескнапоминает блеск поверхности, смазанной жиром, маслом. Этот блеск характерен для минералов, у которых поверхность скола зерен имеет бугорчатый неровный характер (кварц в изломе зерен).

Восковый блескнапоминаетвнешний вид поверхности воска, парафина. Он характерен преимущественно для светлоокрашенных минералов, образующих скрытозернистые агрегаты, со скрытобугорчатой поверхностью (халцедон скрытозернистая разновидность кварца).

Матовый блескилитусклый напоминает поверхность мягкой ворсовой ткани (плюша, велюра). Такой блеск характерен для тонкодисперсных (землистых) агрегатов минералов, обладающих значительной микропористостью (глинистые минералы, землистые лимонит и гематит).

Перламутровый блескнапоминает радужные переливы внутренней перламутровой поверхности ракушек. Он обусловлен отражением света от тонких пластинок или плоскостей спайности минералов (мусковит, тальк, пластинчатые зерна гипса).

Шелковистый блеск возникает при параллельно-волокнистом строении агрегата минерала и напоминает внешний вид шелковых нитей (волокнистый гипс).

Определение блеска для начинающих представляет известные трудности. Поэтому при изучении блеска рекомендуется тщательно рассмотреть минералы с различными типами блеска из эталонной коллекции, сравнить их между собой, с блеском минералов индивидуальной задачи и попытаться зрительно запомнить.

С п а й н о с т ь м и н е р а л о в – это способность о т д е л ь н о г окристалла или о т д е л ь н о г о зерна минерала раскалываться или расщепляться по определенным направлениям с образованием ровных, гладких, блестящих поверхностей, называемых плоскостями спайности. Спайность присуща только кристаллическим веществам. Плоскости спайности ориентированы в тех направлениях, в которых наблюдаются наименьшие силы сцепления между ионами и молекулами в кристаллической решетке минералов (рис. 2.6).

Спайность минералов различается по степени совершенства.

Весьма совершенная. Минерал легко расщепляется на отдельные тонкие пластинки или листочки, получить излом иначе, чем по спайности, трудно (слюды, гипс) (рис. 2.7, а).

Совершенная. Минерал при слабом ударе раскалывается по определенным направлениям. Получаются выколки, похожие на кристаллы, с ровными ступенчатыми поверхностями скола (кальцит, галит, амфиболы) (рис. 2.7, б).

Средняя (ясная). При раскалывании образу-ются как ровные плоскости спайности, так и неровные поверхности излома по случайным на-правлениям (полевые шпаты, пироксены) (рис. 2.7, в).

Несовершенная (неясная).Минерал раска-лывается по произвольным направлениям с образо-ванием неровных поверхностей излома, отдельные плоскости спайности обнаруживаются с трудом (апатит) (рис. 2.7, г).

Весьма несовершенная.Спайность практически отсутствует. При раскалывании на изломе нельзя обнаружить ровных параллельных друг другу плоскостей (кварц, магнетит, пирит) (рис. 2.7, д).

Определяя степень совершенства спайности, необходимо фиксировать количество направлений, в которых она проявляется. Существуют минералы, обладающие спайностью в одном (слюды), в двух (амфиболы, пироксены), в трех (кальцит, галит), в четырех и шести направлениях (рис. 2.8). Причем степень совершенства спайности в различных направлениях может быть разной. Например, у полевых шпатов два направления спайности: по одному направлению она близка к совершенной, по другому – средняя.

При наличии спайности в двух и более направлениях важным для диагностики минералов является определение угла между плоскостями спайности. Например, кальцит и галит имеют по три направления спайности, однако углы между плоскостями спайности галита прямые, а у кальцита – нет. Поэтому выколки по спайности галита похожи на кубики, а кальцита – на кубики, сплюснутые по диагональной оси (рис. 2.8, б, в). По этому же признаку можно отличить очень похожие друг на друга по многим свойствам минералы из групп пироксенов и амфиболов (авгит и роговая обманка). И те, и другие имеют два пересекающихся направления спайности. Угол между плоскостями спайности авгита близок к 90°, а роговой обманки – к 120° (рис. 2.9).

Спайность – одно из самых важных диагностических свойств минералов. При самостоятельном знакомстве с этим свойством необходимо помнить, что оно характерно одному зерну или кристаллу минерала, а не минеральному агрегату. Сначала изучите это свойство по крупным одиночным зернам, кристаллам минералов с различной степенью совершенства спайности (биотит, полевой шпат, кальцит). Обратите внимание на количество направлений спайности и углы между ними. Затем необходимо научиться распознавать это свойство по отдельным зернам в минеральном агрегате. Очевидно, что уловить наличие или отсутствие спайности возможно, когда размер зерен достаточно крупный (более 0,1 мм). Определить спайность минерала в скрытозернистом агрегате макроскопически невозможно. Ясно выраженная спайность в мономинеральном агрегате устанавливается по следующим особенностям: осматривая всю поверхность агрегата, замечают, что она носит неровный характер, но отдельные элементы этой поверхности представляют собой ровные блестящие площадки, разно ориентированные в пространстве. Например, мономинеральный агрегат кальцита в мраморе. В случае несовершенной спайности ровные площадки отсутствуют. Например, в мономинеральном агрегате зерен кварца.

Горные породы часто представляют собой полиминеральные агрегаты минералов с различной спайностью. Потренируйтесь в умении определять это свойство по породе гранит. Черные зерна биотита обладают весьма совершенной спайностью, светлоокрашенные в разных тонах полевые шпаты характеризуются средней спайностью, а дымчато-серый кварц отличается отсутствием спайности. Зрительно запомните разницу в характере спайности минералов.

Т в ё р д о с т ь м и н е р а л о в–это сопротивление механическому воздействию (царапанью, шлифованию, вдавливанию) другого более твердого тела, обусловленное в основном прочностью кристаллической структуры минералов.

При визуальной диагностике минералов используюттвёрдость царапанья. Она определяется царапаньем острием тела, твёрдость которого известна (эталоном твёрдости). Эталонами твёрдости в минералогии приняты десять минералов, твёрдость которых принята за условные целые числа. Расположенные в порядке возрастания твёрдости они образуют шкалу твёрдости Мооса(Ф. Моос (1773–1839) – австрийский минералог, предложил шкалу в 1820 г.). В шкале твёрдости каждый предыдущий минерал царапается (чертится) последующим (см. табл.). С помощью шкалы Мооса можно определить относительнуютвёрдость минерала. Для определения твердости исследуемого минерала по его поверхности проводят (с нажимом) острым углом минерала-эталона из шкалы Мооса. Если на исследуемом минерале остается царапина, то его твёрдость меньше, чем у эталона. Если вместо царапины на поверхности исследуемого минерала остается порошок минерала-эталона, то его твёрдость больше, чем у эталона. Испытание проводится до тех пор, пока твёрдость исследуемого минерала не определится как промежуточная между двумя эталонами или как равная одному из них.

 

Шкала твердости Мооса

Минерал	Относительная твердость по шкале Мооса	Абсолютная твердость в кг/мм2	Минерал	Относительная твердость по шкале Мооса	Абсолютная твердость в кг/мм2
Тальк Гипс Кальцит Флюорит Апатит		2,4	Ортоклаз Кварц Топаз Корунд Алмаз

 

Твёрдость минерала необходимо определять на отдельном кристаллическом индивиде минерала(по грани кристалла, плоскости спайности или выраженному сколу минерального зерна). При определении твёрдости по агрегату минерала часто получают заниженную твёрдость. Это касается скрытозернистых и особенно землистых агрегатов, твёрдость которых оказывается на несколько единиц шкалы Мооса меньше истинной твёрдости минерала (например, твёрдость гематита – 5,5–6, а в землистом агрегате – около 1). Для определения твёрдости землистых масс следует растереть порошок по поверхности эталона, наблюдая, покроется ли она царапинами. Необходимо также учитывать, что у минералов твёрдость анизотропна, т. е. может незначительно меняться в зависимости от направления царапанья.

Эталоны шкалы Мооса могут заменить некоторые легко доступные предметы: простой карандаш – твёрдость 1, ноготь – 2, стекло – 5, стальная игла или нож – 6.

В земной коре преобладают минералы твёрдостью не более 7 (2–6). Единственными минералами с твёрдостью 9 и 10 являются корунд и алмаз. Последний отсутствует в учебной шкале Мооса не только по причине своей ценности, но и потому, что нет в природе веществ, твёрдость которых имеет смысл сравнивать с этим эталоном. Минералы с твёрдостью 7–8 составляют небольшую группу (гранаты, турмалин), также малочисленны и минералы с твердостью менее двух. По относительной твердости минералы удобно разбить на три группы: мягкие– царапаются ногтем (гипс, тальк, глинистые минералы); средней твёрдости– не царапаются ногтем, но стекло оставляет на них царапину (карбонаты, сульфаты, многие слоистые силикаты); твёрдые– не царапаются стеклом (кварц, силикаты).

Поэтому для грубой оценки твёрдости, но достаточной при макроскопической диагностике минералов, можно пользоваться ногтем и обычным оконным стеклом. Твёрдость минерала выше 5 можно оценивать по степени легкости царапанья минералом стекла. Для этого необходимо выработать привычку царапать с одинаковым усилием. При одном и том же нажиме царапина, оставленная на стекле минералом с твёрдостью 9 будет глубже и заметнее той, которую оставил минерал с твёрдостью близкой к 5.

Будьте внимательны, если минерал в полиминеральном агрегате горной породы встречается в виде небольших по размеру зерен, царапая им по стеклу, вы рискуете не попасть на стекло испытуемым минералом. Царапайте эталоном (стеклом) по исследуемому минералу.

Определяя твёрдость некоторых минералов, не спутайте её с хрупкостью. Слишком большое усилие, прикладываемое к эталону при царапании, может привести к тому, что зерно минерала просто раскрошится под нажимом. Например, иголочки актинолита довольно твёрдые – 5,5, но хрупкие.

Необходимо помнить, что твёрдость некоторых минералов в горных породах может оказаться значительно ниже истинной. Это связано с явлением замещения их вторичными минералами, при сохранении внешней формы. Например, оливин (твёрдость 6,5–7), замещаясь серпентином, твёрдость которого 3,5, может обнаруживать твёрдость до 4.

П л о т н о с т ь м и н е р а л о в – физическое свойство, определяющееся отношением массы минерала к занимаемому объему
(r= m/V). Плотность минералов зависит от химического состава и особенностей кристаллической структуры минералов.

Плотность минералов (в г/см³) колеблется в очень широких пределах, от 0,9 до 23,0 (платинистый иридий). Однако плотность наиболее распространенных в земной коре минералов находится в пределах 2,5–3,5.

По плотности минералы условно можно разбить на три группы: легкие (r < 2,5), средние (r = 2,5–4) и тяжелые (r > 4). Тяжёлые – это чаще всего рудные минералы (пирит, магнетит).

Точное определение плотности производят в лабораторных условиях. При макроскопической диагностике минерала важно уметь определять его плотность приблизительно, путем взвешивания минерала на руке, и установить его принадлежность к легкой, средней или тяжелой по плотности группе, дать оценку «легкий», «средний», «тяжелый». При приблизительной оценке плотности используют либо отдельные кристаллы, либо мономинеральные агрегаты минерала. Для сравнения по плотности различных минералов используют близкие по размерам образцы. Некоторые пористые агрегаты могут демонстрировать пониженную плотность минералов в сравнении с истинной.

Плотность не является основным диагностическим признаком породообразующих минералов. Во-первых, их плотности примерно близки, а во-вторых, горные породы в основном являются полиминеральными агрегатами, где определять плотность каждого минерала в отдельности не представляется возможным.

П р о з р а ч н о с т ь м и н е р а л о в – способность минералов в той или иной степени пропускать свет. По степени прозрачности различают следующие минералы. Прозрачныеминералы (разновидность кварца – горный хрусталь) пропускают свет подобно оконному стеклу, через них ясно видны предметы. Полупрозрачные(дымчатый кварц) пропускают свет подобно матовому стеклу, видны лишь очертания предметов. Просвечивающиеминералы – свет проходит лишь через тонкие пластинки (халцедон) или через тонкий край минерала (гематит). Непрозрачныеминералы не пропускают световых лучей даже в очень тонких пластинках (магнетит, пирит).

Прозрачность является вспомогательным диагностическим свойством при определении породообразующих минералов.