Изучение облика минералов

1. Понятие минералогии

Изучение облика минералов, т. е кристалломорфология, составляет один из существенных разделов минералогии. Минералогам, петрографам и исследователям месторождений, словом, каждому, кто занят изучением минерального мира, кристаллография - учение о кристаллах - необходима для диагностики минералов и их агрегатов. Подчас минералы встречаются в природе в виде правильных кристаллов, выросших в пустотах, но гораздо чаще в виде сплошных зернистых.

Минералогия относится к числу наук, занимающихся изучением вещества земной коры; это одна из отраслей геологических наук. Слово «минерал» происходит от латинского minera, что означает вести горные разработки, заниматься горным делом, т. е. рыть канавы или закладывать шахты для добычи минералов и горных пород, которые в той или иной степени практически использовались прежде и в гораздо большем объеме находят применение в настоящее время. Ныне под минералами понимают (за немногими исключениями) кристаллические компоненты твердой земной коры, имеющие однородный состав. В настоящее время известно около 2000 минеральных видов, установленных с научной достоверностью. Однако в своем большинстве они встречаются редко, и в формировании твердой земной коры принимают существенное участие лишь относительно немногие минералы.

Естественная форма минерала - это кристалл. Лишь некоторые минералы не являются кристаллическими веществами. В физическом смысле они относятся к бесформенным, или аморфным, телам, как, например, опал - гель кремнезема, имеющий химический состав SiO₂xH₂O. Наряду с аморфными минералами существуют также весьма мелкие кристаллические образования, распознаваемые лишь под микроскопом. Они называются скрытокристаллическими (криптокристаллическими); примером образования скрытокристаллического вещества может служить переход геля кремнекислоты (опала) вследствие потери воды в минерал халцедон.

Под названием «рудные минералы» понимают минералы, из которых можно получать металлы, например золото, платину, серебро, медь, железо, хром, никель» марганец, цинк, свинец, сурьму, алюминий и др.

Начало образования минералов относится ко времени возникновения твердой земной коры, т. е. 4-5 млрд. лет назад. В процессе охлаждения раскаленного вещества Земли кристаллизовались первые породообразующие минералы. Тонкая вначале земная кора становилась в ходе длительного развития Земли все толще. Ее средняя мощность составляет ныне около 40 км. Неоднородная в химическом и физическом отношении Земля состоит из ряда земных оболочек (сфер), о вещественном (химическом) составе которых мнения ученых до сих пор расходятся.

В самом общем виде принимается, что Земля состоит из трех оболочек, резко различающихся между собой по вещественному составу и физическим свойствам, причем внешняя оболочка, или литосфера, в свою очередь характеризуется дифференцированным многослойным строением. Разграничение оболочек производится на основании результатов геофизических (сейсмических) и геохимических исследований.

Минералообразующие процессы определяются химическим составом земной коры и характером распределения в ней элементов. К области земной коры, состоящей из сиаля (гранитного слоя), сиальмы (переходного слоя) и симы [перидотит-габбрового (базальтового) слоя], относятся атмосфера (газовая оболочка), гидросфера (океаны, свободная вода, снег и лед) и биосфера (органические вещества, а также минеральные вещества панцирей и скелетов животных).

Из 102 химических соединений, составляющих периодическую систему элементов, лишь немногие широкораспространены в земной коре. Как следует из диаграммы рис. 2 (по А. Г. Бетехтину), самыми распространенными элементами являются кислород (О), кремний (Si), алюминий (А1), железо (Fe), кальций (Са), натрий (Na), калий (К), магний (Mg), водород (Н), титан (Ti), углерод (С) я хлор (С1). На долю всех остальных элементов приходится лишь несколько десятых массового процента. Большинство элементов земной коры входит в состав химических соединений. Самородные элементы, например платина, золото, серебро, мышьяк, сера, встречаются редко.

Таблица 1 - Геохимическая классификация элементов

Риc. 1, Зональное строение Земли и физические свойства вещества зон.

1 - плотность и давление; 2 - скорость распространения сейсмических волн (V_t - скорость поперечной волны, V¹ - скорость продольной волны) и температура; 3 - сектор Земли.

Химическое и геохимическое своеобразие земной коры обусловливает предпочтительное образование тех или иных соединений. Частота вхождения химических элементов в состав минералов в целом соответствует их распространенности в земной коре. Многообразие строения и размеров атомов (атомный радиус, катионный и анионный радиусы при разной валентности элементов) обусловливает многочисленность минеральных видов. Мир минералов литосферы и атмосферы систематизирован в химическом отношении и расчленен на основании данных о тонкой атомной структуре на более дробные подразделения. В 1965 г. X. Штрунц разделил минералы на кристаллохимической основе на восемь классов.

I класс: элементы (а также природные сплавы, карбиды, нитриды, фосфиды), например серебро, золото, ртуть, мышьяк, сурьма, висмут, графит, алмаз, сера, селен, теллур и др.

II класс: сульфиды (а также селениды, теллуриды, арсениды, антимониды, бисмутиды), например пентландит, сфалерит, халькопирит, галенит, ковеллин, пирит, молибденит, прустит, борнит, реальгар, аурипегмент и др.

Таблица 2 - Важнейшие элементы земной коры

III класс: галогениды, например галит, сильвин, карналлит, криолит и др.

IV класс: окислы, гидроокислы, например лед, куприт, шпинель, магнетит, хромит, гематит, корунд, кварц, ильменит, вольфрамит¹, гидраргиллит, диаспор, гётит и др. [Вольфрамит чаще описывается вместе с другими вольфраматами, т. е. в VI классе.]

V класс: нитраты, карбонаты, бораты, например калиевая селитра, кальцит, магнезит, сидерит, доломит, арагонит, церуссит, азурит, малахит, людвигит, борацит и др.

VI класс: сульфаты (а также теллураты, хроматы, молибдаты, вольфраматы), например ангидрит, гипс, барит, кизерит, полигалит, каинит, крокоит, вульфенит.

VII класс: фосфаты, арсенаты, ванадаты, например монацит, лазулит, вивианит, вавеллит, бирюза, апатит и др.

VIII класс: силикаты, например силикаты с изолированными тетраэдрами [SiO₄]⁴~ (незосиликаты, ортоси-ликаты)-оливин, топаз, дистен, андалузит, силлиманит, ставролит, гранат, аксинит и др.; с изолированными группами [Si2O₇]^e~ (соросиликаты)-эпидот, цоизит; с кольцевыми анионными радикалами (циклосиликаты) - берилл, кордиерит, турмалин и др.; с бесконечными цепочками тетраэдров [SiO₄]⁴~ (шюсиликаты)-пироксены, амфиболы, родонит и др.; с бесконечными слоями тетраэдров [SiO₄]⁴~ (филлосиликаты)-тальк, мусковит, биотит, циннвальдит, хлориты, каолинит и др.; с бесконечными трехмерными каркасами тетраэдров [(SiAl)O4] (тектооиликаты) -полевые шпаты, лейцит, анальцим, нефелин, цеолиты и др.

Каждый минерал имеет определенный химический состав, находящий свое выражение в химической формуле. Последняя содержит в виде сокращенных символов названия входящих в состав соединения элементов, таких, как железо (Fe), марганец (Мп), никель (Ni), сера (S), кремний (Si), кислород (О), водород (Н), углерод (С), кальций (Са), натрий (Na), хлор (С1) и т. д.

Рис. 2. Диаграмма, на которой показано распространение важнейших элементов в земной коре (литосфера-т-гидросфера+ + атмосфера) (в мае. %).

По обеим сторонам диаграммы показано содержание важнейших металлов (черные столбики).

Структурная формула отражает строение минерала. Соединение NaCl (каменная соль) состоит из одного атома натрия и одного атома хлора. При этом 23 массовые части натрия связаны с 25 массовыми частями хлора. Пирит, FeS₂, состоит из одного атома железа и двух атомов серы, т. е. в нем 56 массовых частей железа связаны с (32-2) массовыми частями серы.

Вычисление содержаний тех или иных компонентов в минералах часто производится в массовых процентах. Для наглядности приведем простой пример. Минерал сидерит (железный шпат), FeCO₂, имеет следующий состав:

Таблица 3

Чтобы в более наглядной форме представить химические взаимоотношения в минералах сложного состава, формулы в минералогии записывают несколько иначе. Калиевый полевой шпат (ортоклаз) имеет, например, химическую (структурную) формулу KAlSi₃O₈; если же выразить состав этого минерала в виде окислов, то его формула примет вид К₂О-Аl₂О₃-6SiO₂. Минерал состоит из

64,8 мас. % SiO₂ (двуокись кремния),

18,3 мас. % А1₂0₃ (окись алюминия),

16,9 мас. % К_аО (окись калия).

2. Образование и облик минералов и кристаллов

Минералы, кристаллизовавшиеся в условиях земной коры, образованы по определенным законам. Их кристаллографическая форма зависит от химического состава, а также от физических условий образования - давления и температуры.

По своим размерам природные кристаллы могут быть самыми разными: от микроскопических до весьма крупных вплоть до нескольких метров длиной и в поперечном сечении. Внешний облик кристаллов зависит от того, насколько спокойно происходил их рост. Большинство кристаллов в природе растут медленно - тысячи и миллионы лет. Однако некоторые кристаллы растут очень быстро, например кристаллы легко растворимых солей, иногда сублимационных минералов (сера, таблички гематита) в кратерах действующих вулканов.

Вообще говоря, кристаллы образуются в тех случаях, когда какое-либо вещество переходит из жидкого или газообразного состояния в твердое. Рост кристалла начинается с образования зародышей и скелетных форм. При длительном, равномерном, беспрепятственном поступлении вещества со всех сторон возникают нормальные кристаллические формы, что, однако, едва ли является правилом. В большинстве случаев кристаллы стеснены в своем росте соседними телами (соседними кристаллами). Это приводит к образованию несовершенных кристаллов с искаженными гранями, так как поступление растворов, питающих кристалл, происходит с разных сторон неравномерно.

Признаками хорошо образованных форм монокристалла являются ровные, блестящие грани, отсутствие входящих углов (только двойниковые сростки имеют разнообразные входящие углы). Часто грани кристаллов бывают шероховатыми, с притупленными ребрами, а сами ребра закругленными. Подобные особенности следует относить за счет процессов растворения, когда на кристалл воздействовали активные растворы.

Многочисленные физические и химические свойства выкристаллизовавшихся минералов, такие, например, как характер роста кристаллов, форма кристаллов, твердость, спайность, растворимость и т. д., зависят от химического состава кристаллов, от их упорядоченного атомного или молекулярного строения. Изучением этих вопросов заняты специалисты одного из наиболее важных направлений исследований в кристаллографии. Например, кристалл каменной соли - хлорида натрия (NaCl), состоит из атомов натрия и хлора. По углам кубической элементарной ячейки NaCl располагаются, чередуясь, атомы натрия и хлора (табл. 1). Эти «кирпичики» расположены в пространстве закономерно. В целом подобная конструкция называется кристаллической решеткой. Каменная соль образует кубические кристаллы и спайные выколки по кубу именно вследствие своей характерной структуры.

В соответствии с химическим и кристаллографическим многообразием в минеральном мире существует некоторое количество структурных типов кристаллических решеток, иногда построенных просто, но чаще имеющих весьма сложное строение. Исследования атомного строения кристаллических решеток, успешно проводимые с помощью рентгенографии, включают изучение химии минералов и некоторых аспектов атомной физики.

Можно привести следующие примеры отдельных типов кристаллических структур: кубическая гранецентрированная решетка самородной меди, построенная из атомов меди, кубическая решетка галита (каменной соли), построенная из как бы вложенных друг в друга кубических гранецентрированных решеток из ионов Na+ или Сl^-, кубическая решетка флюорита, слоистая решетка молибденита, гексагональная и тригональная решетки кварца, тригональная решетка кальцита.

Рис. 3. Полость рудной жилы в разрезе.

Рис. 4

Многообразны типы кристаллических решеток у сульфидов и окислов. Особый интерес с точки зрения их структуры представляют силикаты, преобладающие в составе горных пород, и среди них в первую очередь такие, как полевые шпаты, слюды, оливин, пироксены, амфиболы. В составе этих минералов большую роль играют кремний (Si) и кислород (О). В силикатах атом кремния всегда окружен четырьмя атомами кислорода,

3. Кристаллические структуры и кристаллические решетки

Самородная медь, Сu Сингония кубическая, представлена гранецентрированным кубом с плотнейшей упаковкой атомов. Атомы меди расположены по углам куба и в центре каждой грани элементарной ячейки образующими правильный тетраэдр [SiO₄]⁴~. Каждый атом кислорода в решетке силикатов одновременно принадлежит двум разным тетраэдрам. Благодаря этому возникают сдвоенные тетраэдры, кольцеобразные замкнутые группы тетраэдров (например, у берилла - двойные кольца), а при дальнейшей группировке атомов - цепи, двойные цепи (например, у пироксенов и амфиболов), двумерные бесконечные слои и трехмерные бесконечные каркасы (например, у полевых шпатов и лейцита).

Рис. 5

Галит (каменная соль), NaCl Сингония кубическая, кристаллическая структура представлена ионной решеткой. Ионы натрия (Na+, черные шарики) и ионы хлора (Сl-, белые шарики) попеременно располагаются в углах малых кубов

Рис. 6 Спайный выколок галита в форме куба, замкнутая спайная форма

Рис. 7. Флюорит (плавиковый шпат), CaF₂

Сингония кубическая. Ионы кальция (Са²⁺) расположены по закону гранецентрированного куба. Ионы фтора (F^-) занимают центры всех малых кубов

Рис. 8. Спайный выколок флюорита в форме октаэдра, замкнутая спайная форма

Рис. 9. Молибденит (молибденовый блеск), MoS₂

Сингония гексагональная, кристаллическая структура слоистая. Ионы молибдена (Мо²⁺) и ионы серы (S^-) образуют плоские сетки. Характер кристаллической решетки обусловливает совершенную спайность, параллельную базальной плоскости

Рис. 10. Кальцит (известковый шпат), СаСОз

Кристаллическая решетка тригональная. Кристаллическая структура в элементарной ячейке спайного ромбоэдра состоит из ионов кальция (Са²⁺) и карбонат-ионов [СОз]^2-. Оба типа ионов располагаются как бы в гранецентрированных решетках

Спайный выколок кальцита, замкнутая спайная форма (ромбоэдр). Примеры: кальцит, доломит, магнезит, сидерит и др.

Открытая спайная форма, листоватость, свойственная слюдистым минералам. Примеры: мусковит, биотит, хлорит

Рис. 11. Примеры структур силикатных минералов (анионные комплексы).

На рис. 11 (а) и (б) изображены изолированные группы кремнекислородных тетраэдров, представленные двумя различными видами (а) Отдельный изолированный тетраэдр [SiO₄]^4-(6) Группа из двух тетраэдров, связанных между собой общим углом, с формулой [Si₂0₇]⁶-

(в) Группа из трех тетраэдров, соединенных в кольцо, с формулой [Si₃О₉]^6-

(г) Группа из четырех тетраэдров, соединенных в кольцо, с формулой [Si₄O₁₂]^8-

(д) Группа из шести тетраэдров, соединенных в кольцо, с формулой [Si₆O₁₈]^12-

Многие соединения встречаются в различных структурных типах, так что разные минеральные виды обнаруживают в этом случае одинаковый состав. Такое явление называется полиморфизмом, а химически идентичные минералы, различающиеся структурой кристаллической решетки, - полиморфными модификациями, например пирит и марказит (оба имеют состав FeS₂).

Рамки данного карманного справочника позволяют привести лишь ограниченные (но важные!) сведения о многообразии кристаллических форм и о специальных, базирующихся на математической теории принципах классификации кристаллов. Более подробные данные по этому вопросу читатель найдет в разделе «Кристаллографические свойства минералов», написанном д-ром В. Шмицем.

Для графических построений и в классификационных целях минералоги и кристаллографы используют кристаллографические оси и осевые системы. В зависимости от длины отрезков, отсекаемых на кристаллографических осях, и взаимного расположения этих осей различают семь осевых систем (см. приложение 1А) [В отечественной литературе употребляется термин сингония», который мы и будем использовать в дальнейшем. - Прим. перев.].

Триклинная сингония. Три оси разной длины пересекаются под косыми углами; например известково-натриевые полевые шпаты (плагиоклазы).

Моноклинная сингония. Две оси разной длины пересекаются под косым углом, третья ось составляет с ними прямой угол, например ортоклаз, авгит, слюда и гипс.

Ромбическая сингония. Три оси разной длины пересекаются под прямыми углами; например оливин, энстатит, топаз, ангидрит, барит и сера.

Тетрагональная сингония. Два отрезка оси одинаковой длины пересекаются под прямым углом, третья ось перпендикулярна им, и отсекаемый на ней отрезок имеет иную длину, например рутил, циркон, касситерит и халькопирит.

Тригональная сингония. Три отрезка осей равной длины пересекаются в одной плоскости под углом 60°, третья ось перпендикулярна этой плоскости, и отсекаемый на ней отрезок имеет иную длину, например кальцит.

Гексагональная сингония. Положение осей аналогично их положению в тригональной сингонии, например кварц (высокотемпературный), берилл, апатит, снег и лед.

Кубическая сингония. Три равновеликие оси пересекаются под прямым углом, например каменная соль, алмаз, магнетит, пирит, хромит, галенит, золото и гранат.

Для определения сингонии кристалла важным признаком является форма выделения минерала. Изометричные, порой округленные зерна минерала, вкрапленные в агрегат других минералов, позволяют предположить для него кубическую сингонию. Так выглядит, например, гранат в слюдистом сланце или лейцит в фонолитах, трахитах или базальтах. У большинства кристаллов гексагональной, тригональной, тетрагональной, ромбической, моноклинной или триклинной сингонии преобладает призматический габитус. Грани, ориентированные параллельно оси с, обычно называют призматическими. Хорошо образованные призматические грани характерны, например, для монокристаллов кварца, берилла, топаза, турмалина, кальцита, арагонита, дистена, ставролита и др. Другие формы этих сингонии могут иметь таблитчатый или пластинчатый габитус, параллельный оси с.

У хорошо образованных некубических кристаллов важны базальные и пирамидальные грани, определяющие различия их облика. Для высокотемпературного кварца характерна гексагональная бипирамида, для апатита характерны притупления базисной грани. Для моноклинного ортоклаза характерны резко выраженные грани диэдра, расположенные параллельно оси а. К этим главным граням часто присоединяются специфичные для разных сингоний второстепенные грани, усложняющие форму кристалла. Так, у кристаллов тригонального кварца наряду с гранями тригональной призмы присутствуют грани трапецоэдра, у гексагонального апатита и берилла - многочисленные второстепенные грани и т. д. Все эти кристаллографические признаки минералов имеют особое значение. Они часто позволяют установить, при каких физико-химических условиях образовался тот или иной минерал. Вместе с тем появление определенных граней может быть характерно для минерала из конкретного месторождения и может указывать на определенный минеральный парагенезис.

Эти наблюдающиеся на кристаллах минералов комбинации граней создают его характерную естественную огранку, а общая конфигурация определяет его габитус. Так, например, апатиты, образовавшиеся в диапазоне температур 550-300 °С, кристаллизуются в виде корот-копризматических кристаллов, а апатиты в гранитах, образующиеся при температурах выше 700 °С, имеют тонкоигольчатый габитус. Аналогичная картина наблюдается и в случае калиевых полевых шпатов: полевые шпаты, являющиеся составной частью магматических пород, образуются при температурах выше 700°С (санидин, ортоклаз), пегматитовые калиевые полевые шпаты- примерно при 600-550°С (ортоклаз), а гидротермальные, такие, как адуляр, кристаллизуются в интервале температур 300-100 °С; соответственно различен и облик этих полевых шпатов, возникших в различной геологической обстановке.