Sviridov_Obschee_zemlevedenie

Кристаллические структуры очень разнообразны, и выражается это разнообразие во внешнем облике кристаллов, в их форме.

Основы учения о строении кристаллов были разработаны русским ученым-кристаллографом Е. С. Федоровым. В конце XIX в. он создал учение о симметрии кристаллов и вывел 230 видов симметрии кристаллов, группирующихся в семь кристаллографических систем или сингоний. Впоследствии гениальные выводы Е. С. Федорова были полностью подтверждены рентгеноструктурным анализом.

– Cu		– C
а	б	в

– Ca – F	– Cl – Na	– Zn – S
г	д	е

1

2

3

4

ж

Рис. 1.1. Кристаллическое строение минералов:

а– медь; б – алмаз; в – графит; г – флюорит; д – галит;

е– сфалерит; ж – структура меди

Кчислу характерных свойств большинства кристаллических минералов относится свойство самоогранения при их росте, т. е. способность образовывать кристаллы. Каждому минералу присуща своя кристаллическая форма, зависящая от типа химических связей решетки, химического состава и условий его образования. В кристалле различают следующие

11

элементы: грани или плоскости, ограничивающие кристаллы, ребра – линии пересечения граней, вершины – точки пересечения ребер, гранные углы кристалла – углы между гранями. Вершины кристаллов соответствуют узлам пространственной решетки, ребра – рядам, а грани – плоским сеткам пространственной решетки.

Для всех кристаллов одного и того же вещества углы между соответствующими гранями одинаковы и постоянны (рис. 1.2). Этот закон постоянст-

ва гранных углов – один из важнейших законов кристаллографии (рис. 1.2, а).

a

a

a

б

б

a

a

б

б

a

б

a

L2

L

L2

3

L3

L2

L3

L4

L3

L2

L2

L4

L2

L4

б

P

в

Рис. 1.2. Элементы симметрии: а – постоянство гранных углов при изменяющейся форме кристаллов одного минерала (а, б – грани, α, β – гранные углы); б – расположение осей симметрии в кубе

(оси симметрии второго (L2), третьего (L3) и четвертого (L4) порядков); в – плоскость симметрии (Р) в кристалле гипса

12

Он позволяет определять минералы даже в мелких обломках кристаллов, если они в какой-то мере сохраняют естественные грани. Закон постоянства гранных углов позволяет для каждого естественного кристалла вывести его идеальную форму, которая обнаруживает характерный для данного кристалла тип симметрии, т. е. сочетание кристаллографических элементов. Однако при одних и тех же гранных углах форма кристаллов может быть различна.

1.3. КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ОСИ И ЭЛЕМЕНТЫ СИММЕТРИИ КРИСТАЛЛОВ

Симметрия – закономерность в расположении элементов ограничения кристалла, выражающаяся в повторяемости частей при вращении вокруг его оси. Так, при вращении кристалла, имеющего вид правильной шестигранной призмы, вокруг своей оси при каждом повороте на 60° будет наблюдаться совмещение его граней, ребер и вершин с их начальным положением. Следовательно, этот кристалл построен симметрично. Прямая линия, при повороте вокруг которой всегда на один и тот же угол все части кристалла симметрично повторяются п раз, называется осью симметрии (обозначается буквой L).

Число n, показывающее сколько раз при повороте на 360° вокруг оси кристалл может совмещаться с исходным положением, называется порядком и обозначается цифрой, которая ставится внизу справа от буквы оси (см. рис. 1.2, б). Число п всегда целое, и в кристаллах могут существовать оси симметрии только второго, третьего, четвертого и шестого порядков.

Плоскость симметрии – мысленно проведенная плоскость, которая делит кристаллы на две зеркально равные части и обозначается буквой Р (см. рис. 1.2, в). Центр и плоскости симметрии приведены на рис. 1.3. В кубе таких плоскостей девять (рис. 1.3, а). Кроме осей и плоскостей симметрии, многие кристаллические многогранники имеют центр симметрии – точку внутри кристалла, на равных расстояниях от которой в диаметрально противоположных направлениях располагаются одинаковые элементы ограничения (параллельные грани, вершины). Он обозначается буквой С (рис. 1.3, б).

Ось, плоскость и центр симметрии называются элементами симметрии. Русский ученый А. В. Гадолин доказал, что у кристаллов возможны 32 различные комбинации элементов симметрии, называемые видами или классами симметрии. Все виды симметрии группируются по степени сложности в семь крупных групп, или систем, называемых

кристаллографическими сингониями. Среди них выделяются низшие,

13

средние и высшие сингонии (рис. 1.4). Наименее симметричные кристаллы триклинной сингонии представлены (рис. 1.4, а–в).

У них из возможных элементов симметрии наблюдается только центр симметрии, иногда и он отсутствует. Этот вид сингонии свойственен альбиту, микроклину и другим минералам.

		P
				P
P
						P

P

	P				P
			P

P

а

с

б

Рис. 1.3. Центр и плоскости симметрии: а – расположение девяти плоскостей симметрии (Р) в кубе (заштрихованы); б – кристалл с центром симметрии (С)

К моноклинной сингонии (рис. 1.4, г–д) относятся кристаллы, которые имеют либо одну плоскость симметрии, либо одну ось второго порядка, либо и ту и другую вместе в сочетании с центром симметрии. К этой сингонии принадлежат ортоклаз, гипс, мусковит, некоторые амфиболы.

14

а	б	в	г	д		е

ж	з	и	к	л

м

н

о

п

р

с	т	у	ф

х ц ч ш щ

Рис. 1.4. Наиболее распространенные формы кристаллов различных сингоний:

а–в – триклинная; г–д – моноклинная; е–и – ромбическая; к–н – тригональная; о–р – гексагональная; с–ф – тетрагональная; х–щ – кубическая

15

Кромбической сингонии (рис. 1.4, е–и) принадлежат кристаллы, имеющие одну или три оси второго порядка и две или три плоскости сим-

метрии (L22P или 3L23PC), а также кристаллы с тремя осями второго порядка без плоскости симметрии (3L2). В поперечном сечении они имеют форму ромба. Перечисленные три вида сочетания – это категория низших сингоний.

Ккатегории средних сингоний относятся кристаллы, имеющие только одну ось симметрии высшего порядка: гексагональная (присутствует ось симметрии шестого порядка), тетрагональная (присутствует ось симметрии четвертого порядка), тригональная (присутствует ось третьего порядка). Формы кристаллов гексагональной и тригональной сингонии весьма сходны.

В тригональной сингонии высшее сочетание элементов симметрии

L33L23PC. Кристаллы тригональной сингонии имеют форму ромбоэдров, например кристаллы кальцита, доломита, магнезита, гематита. К этой же сингонии относятся корунд и кварц, хотя кристаллы последнего имеют вид гексагональных призм, увенчанных как бы гексагональными пирамидами.

Вдействительности вершины кристаллов кварца представляют собой комбинацию двух ромбоэдров (рис. 1.4, к–н).

Кристаллы гексагональной сингонии имеют форму шестигранных

призм, грани которых параллельны оси шестого порядка L6. Таковы кристаллы апатита и нефелина (рис. 1.4, о–р). Высшее сочетание элементов

симметрии в ней L66L27PC.

Тетрагональная, или квадратная, сингония характеризуется присутствием в кристаллах одной оси четвертого порядка. Сечение, перпендикулярное этой оси, обычно имеет форму квадрата или восьмиугольника. Высшим сочетанием элементов симметрии в квадратной сингонии

может быть L44L25PC. Эта сингония присуща халькопириту, рутилу и др.

(рис. 1.4, с–ф).

Квысшей категории относится кубическая сингония, объединяющая наиболее симметричные кристаллы (каменная соль, пирит, алмаз, магнетит). Они имеют вид кубов, октаэдров и др. Высшее сочетание элементов

в кубической сингонии 3L44L36L29PC (рис. 1.4, х–щ).

Изучением кристаллической формы и структур минералов занимается наука кристаллография.

Из вышесказанного следует, что даже идеальные комбинации кристаллических многогранников чрезвычайно разнообразны, но реальные формы кристаллов отличаются бесконечным разнообразием. Условия, в которых растет кристалл, взаимодействие кристалла с окружающей средой, дефекты внутреннего строения – все накладывает отпечаток на габитус кристалла. По внешней форме реального кристалла часто можно судить об условиях его образования и его истории, но далеко не всегда можно определить его симметрию так, как это делается на моделях идеальных форм кристаллов.

16

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Укажите основной признак кристаллических веществ.

2.Что представляет собой кристаллическая решетка?

3.Что представляет собой узел кристаллической решетки?

4.Дайте определение ряду кристаллической решетки.

5.Что представляет собой плоская сетка кристаллической решетки?

6.Дайте определение понятия «коллоиды».

7.Что представляет собой дисперсная среда?

8.Дайте определение дисперсной фазы.

9.Дайте определение понятия «золи».

10.Какие вещества называют гелями?

11.Что представляют собой метаколлоиды?

12.Какими признаками характеризуются аморфные вещества?

13.Какими свойствами обладают кристаллические минералы?

14.Какие элементы симметрии различают в кристалле?

15.Сформулируйте закон гранных углов.

16.Какие факторы определяют закон гранных углов?

17.Дайте определение понятия «симметрия».

18.Что представляет собой ось симметрии и как она называется?

19.Какие бывают оси симметрии?

20.Дайте определение плоскости симметрии.

21.Укажите максимальное количество плоскостей симметрии в кри-

сталлах.

22.Что называется центром симметрии?

23.Сколько комбинаций элементов симметрии возможно в кри-

сталлах?

24.Что представляет собой вид симметрии?

25.Дайте определение понятия «сингония».

26.Перечислите виды сингоний.

27.Укажите признаки триклинной сингонии.

28.Перечислите признаки моноклинной сингонии.

29.Назовите признаки ромбической сингонии.

30.Перечислите признаки тригональной сингонии.

31.Перечислите признаки тетрагональной сингонии.

32.Укажите признаки гексагональной сингонии.

33.Перечислите признаки кубической сингонии.

17

2. МИНЕРАЛОГИЯ

Минералогия – одна из старейших наук о Земле, изучающая минералы. В настоящее время минералогия превратилась в космическую науку, так как минералы присутствуют всюду: из них состоит земная кора, Луна, метеориты, планеты Солнечной системы и другие небесные тела. Минера-

лы – это природные и искусственные химические соединения (СаСО3, SiО2, Fe3О4 и др.) или самородные элементы (Аu, Сu, S, С и др.), которые образовались в результате различных физико-химических процессов, происходящих в глубине Земли либо на ее поверхности. Большинство минералов твердые, реже встречаются жидкие (вода, самородная ртуть) и газообразные (природные газы: метан, сероводород и др.). Минералогия преимущественно изучает твердые минералы, представляющие собой аморфные

икристаллические тела.

Ваморфных телах элементарные материальные частицы распределены беспорядочно, что обусловливает у них постоянство физических свойств по всем направлениям, т. е. их изотропность. К аморфным минералам относятся опал, янтарь и др. В кристаллических телах частицы распределены закономерно и образуют пространственную кристаллическую решетку. Зависимость физических свойств кристаллических тел от направления в кристаллической решетке называется анизотропностью.

Химический состав минералов обычно изображается в виде структурных формул, в которых присутствуют катионы и анионные комплексы (радикалы). В формулах радикалы ставятся в квадратных скобках. Напри-

мер, структурная формула граната (гроссуляра) – Ca3Al2[SiО4]2, в которой [SiО4] – радикал, а Са3, А12 – катионы.

По химическому составу все минералы объединяются в две группы: минералы постоянного состава; минералы переменного состава. К первым относятся минералы, состав которых практически неизменен. Например, галит (NaCl) содержит 39,4 % Na и 60,6 % Сl. Минералы переменного состава представляют собой изоморфные смеси двух и более компонентов. Так, вольфрамит является смесью двух компонентов: ферберита Fe[WО4]

игюбнерита Mn[WО4]. Поэтому формула вольфрамита (Fe, Mn)[WО4] показывает, что количество Fe и Mn непостоянны. Наличие запятой в формуле свидетельствует о непостоянстве состава. Изоморфные смеси особенно типичны для силикатов. Изоморфизм – это свойство атомов одного химического элемента замещать в узлах кристаллической решетки атомы другого элемента с образованием гомогенного (однородного) смешанного минерала переменного состава.

Существует много методов определения минералов: микроскопический, химический, спектральный, рентгено-структурный и др. Наша

18

задача – научиться определять минералы наиболее доступным методом – макроскопическим, т. е. визуальным. В этом случае минерал определяют по главнейшим внешним признакам или физическим свойствам, присущим каждому минералу, которые можно различить невооруженным глазом.

Основными физическими свойствами минералов являются следующие: форма, облик кристаллов и кристаллических агрегатов, цвет минерала и цвет его черты, блеск, прозрачность, спайность, излом, твердость, удельный вес (плотность), хрупкость, ковкость, гибкость, упругость, магнитность, двойное лучепреломление, побежалость, вкус, запах, растворимость в воде и реакция с соляной кислотой, иризация, штриховка на гранях и др.

2.1. МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МИНЕРАЛОВ И ИХ АГРЕГАТОВ

Геометрически правильная форма кристаллов минералов – идиоморфная – является в большинстве случаев надежным диагностическим признаком. По внешнему облику (габитусу) среди кристаллов минералов выделяют три группы (рис. 2.1):

–кристаллы, одинаково развитые в трех направлениях и имеющие форму куба, октаэдра, ромбододекаэдра, тетраэдра (пирит, гранаты, магнетит, галенит, флюорит и др.);

–кристаллы, вытянутые в одном направлении (по главной оси) – призматические, игольчатые, столбчатые, волокнистые (турмалин, актинолит, берилл, гипс-селенит);

–кристаллы, вытянутые в двух направлениях при сохранении третьего короткого – таблитчатые, пластинчатые, листоватые и чешуйчатые (слюды, хлориты и др.).

Для многих минералов характерны определенные формы выделений кристаллических агрегатов, зависящие от природных условий кристаллизации. Поэтому формы кристаллических агрегатов могут быть использованы для диагностики некоторых минералов.

Минеральным агрегатом называется форма проявления минералов

вприроде. По количеству минералов, слагающих агрегат, различают агрегаты мономинеральные, сложенные одним и тем же минералом, и полиминеральные, сложенные двумя или несколькими минералами.

При резком изменении термодинамических условий происходит быстрая кристаллизация вещества, даже в лупу не удается увидеть отдельные кристаллы в образовавшемся минеральном агрегате. Такую форму выделений называют скрытокристаллической. Среди явно кри-

19

сталлических минеральных агрегатов чаще всего встречаются зернистые выделения, сложенные кристаллическими зернами. По размерам зерен различают следующие выделения:

–мелкозернистые (менее 1 мм);

–среднезернистые (1–5 мм);

–крупнозернистые (5–20 мм);

–гигантозернистые (более 20 мм).

1 группа

а

б

в

2 группа
г	д	е
3 группа
	ж	з

Рис. 2.1. Три основные группы минералов с характерным габитусом:

1 – изометричные (а – магнетит; б – пирит; в – гранат); 2 – вытянутые

водном направлении (г – хризоберилл; д – антимонит; е – кварц); 3 – вытянутые в двух направлениях при сохранении третьего короткого (ж – барит; з – хлорит)

Зернистые минеральные агрегаты характеризуются изометричной формой зерен минералов. Если же зернистые агрегаты не выдерживают этого условия, то их называют листоватыми, чешуйчатыми, игольчатыми, волокнистыми и т. д. Помимо зернистых выделений в природе часто встречаются другие формы минеральных выделений: друзы, секреции, конкреции, натечные формы, землистые массы, налеты, примазки, выцветы, корки.

Друзы – незакономерные срастания кристаллов, наросших на поверхность (см. рис. 1 на цветной вкладке). Кристаллические щетки отличаются от друз тем, что кристаллы в них менее 1 см.

Секреции образуются в результате выполнения веществом пустоты в породе. Секреция растет от периферии к центру, причем пустота может быть выполнена полностью или частично, для них характерно кон- центрически-зональное строение (см. рис. 2 на цветной вкладке). Круп-

20