Физические свойства минералов

Авторы: Лабекина И. А., Гаврилов В. И., Середнев М. А., Никитин А. А.

Физические  свойства минералов

Учебное пособие  дает представление об основных физических свойствах минералов, таких как  спайность, твердость, цвет, плотность  и др., необходимых для макроскопического  определения минералов. Свойства проиллюстрированы  на примере экспонатов геологического музея НГУ.

Физические свойства минералов имеют существенное значение для их макроскопической диагностики. Свойства минерала зависят от его  строения и химического состава. Главнейшими физическими свойствами являются цвет, блеск, плотность, твердость, спайность и т. д.

Цвет – способность минерала отражать или пропускать через себя ту или иную часть видимого спектра.

Цвет  минерала может быть обусловлен:

• наличием в его структуре элементов-хромофоров (Cu, Fe, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni и др.);
• дефектами кристаллической решетки;
• примесями, как изоморфными, т. е. входящими в структуру минерала, так и механическими.

Элементы-хромофоры  могут окрашивать минералы в разные цвета в зависимости от их валентности, концентрации, присутствия других химических элементов и соединений и пр.

Fe₃+ – красно-бурый ( сидерит Fe CO₃, лимонит Fe₂O₃ n H₂O, гидрогётит FeOOH n H₂O) 
Fe₂+ – зеленый ( анапаит Ca₂Fe₂+[PO₄]₂ 4H₂O) 
Mn₃+ – розовый ( родонит Ca Mn₄v [Si₃O₉]) 
Cr₃+ – зеленый ( уваровит Ca₃Cr₂[SiO₄]₃) и красный ( рубин Al₂O₃), в зависимости от содержания окиси хрома 
Cr₆+ – оранжевый ( крокоит Pb [CrO₄]) 
Cu₂+ – зеленый ( малахит Cu₂[CO₃]₂ OH₂) и синий ( азурит Cu₃[CO₃]₂ OH₂), в зависимости от   количества кристаллизационной воды  
Co₂+ – розовый ( эритрин Co₃[AsO₄]₂ 8H₂O) 
Ni₂+ – зеленый и желтый ( гарниерит Ni [Si₄O₁₀] (OH)₄ 4H₂O) 
V₃+  – зеленый ( смарагдит Ca₂(Mg, Fe₂+)5[Si₈O₂₂]OHv2) 
Ti₄+ – синий ( сапфир Al₂O₃), в присутствии ионов гидроксила и наличии железа

Дефектами кристаллической  структуры обусловлена, например, голубая и синяя окраска галита (NaCl), возникающая в результате радиоактивного облучения K₄₀, Rb₈₇.

Примером окраски  минерала механической примесью другого  вещества может служить зеленый  кварц ( празем ), цвет которого обусловлен мельчайшими включениями чешуек зеленого хлорита или иголочек актинолита. Механическая примесь гематита часто вызывает красную или бурую окраску минералов, например галита и сильвина, агатов .

В отдельных  случаях окраска минерала может  быть вызвана иризацией и побежалостью.

• Иризация – цветной отлив на гранях или плоскостях спайности некоторых минералов (например, лабрадор), обусловленный наличием тонких включений или трещин, вызывающих интерференцию лучей света.
• Побежалость – цветная пленка на слегка окислившейся поверхности минерала (халькопирит, борнит).

При описании минералов  обычно используется физическая шкала  цветов в сочетании с бытовой.

• Физическая шкала: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый; дополнительно: белый, серый, черный, пурпурный, коричневый.
• Бытовая шкала объединяет хорошо знакомые всем цвета: вишневый, яблочный, медовый и пр. Эти цвета часто применяют для уточнения оттенка цвета минерала, например вишнево-красный, оловянно-белый , латунно-жёлтый , соломенно-желтый и т.п.

Цвет  черты – цвет минерала в порошке на белом фоне. Для определения цвета черты используют неглазурованную поверхность фарфора (бисквит). По сравнению с окраской минералов цвет черты является более постоянным, вследствие чего имеет важное диагностическое значение. 
Минералы с металлическим блеском, как правило, имеют черную черту с разными оттенками, минералы со стеклянным блеском – белую, реже слабоокрашенную. Цвет минерала часто не совпадает с цветом его черты.

Пример: 
пирит – цвет минерала соломенно-желтый, черта черная 
халькопирит – цвет минерала латунно-желтый, черта черная с зеленоватым оттенком 
гематит – цвет минерала стально-серый, черта вишнево-красная 
магнетит – цвет минерала черный, черта черная 
актинолит – цвет минерала зеленый, черта белая

Блеск – способность минерала отражать свет. Интенсивность и характер блеска зависит от показателя преломления (N), отражательной способности (R) и характера поверхности, от которой отражается свет. При условии, что свет отражается от ровной гладкой поверхности (грани, плоскости спайности), выделяют следующие типы блеска по возрастанию яркости:

• стеклянный – характерен для прозрачных и полупрозрачных минералов (N = 1,3–1,9; R < 15 %). Большинство минералов имеют именно этот блеск.
• алмазный – N = 1,9–2,6; R = 15–19 %,  встречается значительно реже (алмаз, сфалерит, киноварь);
• полуметаллический – N = 2,6–3,0; R = 19–26 % (магнетит);
• металлический – характерен для непрозрачных минералов, N > 3,0; R > 26 %, например, пирит

Кроме основных типов блеска выделяют:

• жирный – у минералов со стеклянным и алмазным блеском на скрытобугорчатой поверхности излома (кварц, нефелин);
• восковый – у скрытокристаллических масс и твердых гелей (кремни, опал);
• матовый – у пористых тонкодисперсных масс (мел, каолин, лимонит).

У минералов, обладающих явно выраженной ориентировкой  элементов строения, возникает отлив:

• шелковистый – в минералах с параллельно-волокнистым строением (асбест, селенит);
• перламутровый – у прозрачных минералов с весьма совершенной спайностью (мусковит, гипс).

 Прозрачность – способность минерала пропускать через себя свет. Оценивается на качественном уровне путем просмотра минерала на просвет. По степени прозрачности минералы условно делят на:

• прозрачные – хорошо пропускают свет. Видны внутренние дефекты (трещины, включения);
• полупрозрачные – просвечивают в тонких осколках или шлифах;
• непрозрачные (как правило, минералы с металлическим блеском)

Спайность – способность минерала раскалываться по определенным кристаллографическим направлениям с образованием гладких параллельных поверхностей, называемых плоскостями спайности. Спайность обусловлена внутренней структурой минерала и не зависит от внешней формы кристалла или зерна минерала.  
Спайность в минерале проходит по направлениям, параллельным плоским сеткам с максимальной ретикулярной плотностью атомов, но наиболее слабо связанным между собой.  
Чтобы охарактеризовать спайность определяют:

• степень ее совершенства;
• простую форму, по которой кристалл раскалывается;
• в некоторых случаях указывают угол между плоскостями спайности.

Степень совершенства спайности определяют по следующей  условной шкале:

• весьма совершенная – минерал легко раскалывается или расщепляется на тонкие пластинки или листы (минералы со слоистой структурой: слюды, графит и пр.);
• совершенная – кристаллы колются на более толстые пластинки, бруски с ровными поверхностями (кальцит, галенит);
• средняя – поверхность скола не всегда ровная и блестящая (полевые шпаты);
• несовершенная – обнаруживается с трудом, поверхность скола неровная (апатит, нефелин).

Ряд минералов  не имеет спайности (магнетит и т. д.).

В зависимости  от простой кристаллографической формы  кристалл может раскалываться по одному, двум, трем и более направлениям:

• по пинакоиду – одно направление
• по ромбической или тетрагональной призме – два;
• по гексагональной призме, ромбоэдру и кубу – три;
• по октаэдру – четыре;
• по ромбододекаэдру – шесть.

Отдельность – расколы кристаллов по плоскостям их физической неоднородности. Плоскостями отдельности могут быть:

• плоскости срастания двойников (например, корунд )
• поверхности зон и секторов роста кристаллов;
• плоскости мельчайших включений других минералов.

В отличие от спайности отдельность проявляется  по всему кристаллу, расколы в  случае отдельности более грубые и четкие. 
 
Излом – раскол минерала в направлениях, где нет спайности. Различают изломы:

• ровный
• неровный
• ступенчатый
• крючковатый
• занозистый
• раковистый

Твердость – степень сопротивления минерала механическому воздействию (давлению, сверлению, царапанию, шлифованию и т.п.) В обычной минералогической практике определяют относительную твердость путем царапанья одного минерала другим. Для этого используют шкалу Мооса, в которой имеется 10 эталонных минералов, пронумерованных в порядке увеличения твердости: