2.2. Физические свойства минералов

Физические свойства минералов имеют большое практическое значение (радиоактивность, люминесценция, твердость, магнитные и оптические свойства и другие) и очень важны для диагностики минералов. Каждый минерал характеризуется какими-либо особыми признаками, по которым его можно всегда отличить от других минералов. Очень многие минералы можно достаточно точно определить по комплексу характерных физических свойств, не прибегая к более трудоемким исследованиям, таким как химический анализ, рентгенография и другие. Мы рассмотрим, главным образом, те свойства, которые могут использоваться при визуальной диагностике минералов.

ЦВЕТ. Свойство, которое прежде всего обращает на себя внимание любого исследователя - это цвет или окраска минералов. Одни минералы имеют определенный цвет, по которому можно практически безошибочно определить минерал: красного цвета киноварь, золотисто-желтого цвета пирит, зеленого цвета малахит и другие. Другие минералы - турмалин, гранат, флюорит, берилл, кварц - имеют различную окраску. Встречаются и такие минералы, которые имеют разный цвет в одном и том же кристалле: один конец кристалла турмалина может быть окрашен в черный, другой - в зеленый цвет, а середина бесцветная или розовая. Это полихромные минералы. К таким минералам можно отнести флюорит, кварц, кальцит, топаз и др. Цвет минералов зависит от их внутренней структуры, от механических примесей и, главным образом, от присутствия элементов-хромофоров, т.е. элементов - носителей окраски. Это Cr, V, Ti, Mn, Fe, Ni, Co, Cu, U, Mo и некоторые другие. Эти элементы могут быть основными элементами минерала ( Cu в малахите; Mn в родоните), а могут входить в состав минерала лишь в виде примесей. Так, примесь Cr вызывает зеленую окраску в изумруде - разновидности берилла Be₃Al₂[Si₆O₁₈] и красную окраску в рубине - разновидности корунда Al₂O₃.

А.Е.Ферсман выделял следующие цвета (окраски) минералов: 1. Идиохроматическая (собственная) окраска, обусловленная особенностями химического состава, кристаллической структуры, присутствием ионов-хромофоров или электронно-дырочных центров окраски. 2. Аллохроматическая, связанная с механическими включениями ярко окрашенных посторонних минералов (например, буро-коричневый авантюрин - кварц, содержащий тонко рассеянные чешуйки гематита Fe₂O₃; розовый ортоклаз за счет механической примеси гематита; зеленый шеелит за счет тонко рассеянной примеси малахита по микротрещинам и др.). 3. Псевдохроматическая окраска, связанная с рассеянием света, интерференцией световых волн (побежалость, иризация, опалесценция). Например, яркая фиолетовая и синяя побежалость у борнита Cu₅FeS₄; зеленоватая и красная побежалость у халькопирита CuFeS₂; яркая синяя иризация лабрадора.

Интенсивность окраски зависит от агрегатного состояния и характера поверхности минералов. В крупных кристаллах и грубозернистых агрегатах окраска многих минералов обычно темнее, чем в мелких зернах, тонкозернистых или дисперсных агрегатах. Природа окраски многих минералов до настоящего времени не установлена. Вместе с тем, умение правильно определять и интерпретировать цвет минералов очень важно для геологов. Так, зеленые примазки малахита указывают на наличие первичных медных руд; розовые порошковатые налеты - на руды кобальта; бурые и ржавые окраски гидроксидов железа могут свидетельствовать о наличии зоны окисления рудного месторождения. Важным приемом определения цвета минерала при его диагностике является определение цвета его порошка или цвета черты, оставленной минералом на не глазурованной шероховатой фарфоровой пластинке (бисквите). Цвет минерала в порошке может отличаться от цвета самого минерала. В тонком порошке часто легче оценить истинную окраску минерала. Однако, это возможно лишь для минералов, твердость которых невелика. Часто одинаковые на вид минералы имеют разную черту. Так, черта гематита вишнево-красного цвета, хромита - желто-бурая, сфалерита - темно-коричневая, хотя все эти минералы в образце могут иметь черную окраску. Напротив, золотисто-желтый пирит имеет черного цвета черту. Это различие используется как важный прием в диагностике минералов.

БЛЕСК. Это эффект, вызываемый отражением света от поверхности минерала. Блеск минералов зависит от разных факторов. Прежде всего от показателя преломления n и величины отражательной способности R минерала. Чем выше отражательная способность минерала, тем сильнее блеск минерала на его зеркальных поверхностях. Вместе с тем, все минералы можно разделить на две большие группы: минералы с металлическим и неметаллическим блеском. Металлический блеск имеют те минералы, которые (независимо от их окраски) дают черную черту на неглазурованной фарфоровой пластинке. Неметаллический блеск характерен для минералов, дающих цветную черту. Исключением из этого положения являются самородные элементы (золото, серебро, медь) и некоторые сульфиды (халькопирит), которые дают цветную черту, но относятся к минералам с металлическим блеском. Среди неметаллических блесков выделяют алмазный, стеклянный, матовый, жирный, восковой, шелковистый, смолистый. Так, халцедон имеет восковой блеск, нефелин - жирный, хризотил-асбест - шелковистый, U-содержащие минералы - смолистый. Блеск зависит также от шероховатостей, рельефа граней, от неровностей зернистых, параллельно-волокнистых, пластинчатых и других минеральных агрегатов, от степени трещиноватости минерала. Блеск одних и тех же минералов на гранях кристаллов и в их изломе и агрегатах бывает различный. Это важно использовать при визуальной диагностике минералов. Так, гипс имеет стеклянный блеск на гранях кристалла, матовый - в зернистых агрегатах, шелковистый - в волокнистых агрегатах. Самородная сера имеет алмазный блеск на гранях кристалла, а в изломе блеск минерала жирный.

ПЛОТНОСТЬ.

Плотность минералов колеблется от 1,0 до 22,7 г/см³. Условно все минералы можно разделить на легкие (менее 2,9 г/см³), тяжелые (2,9-5,0 г/см³) и очень тяжелые (более 6 г/см³).

Таблица 2 Условные группы и примеры значений плотности минералов

Легкие (менее 2,9г/см^3)	Тяжелые (2,9-6,0г/см^3)	Очень тяжелые (более 6,0г/см^3)
Лед 0.9	Биотит 2.8-3.2	Шеелит 6.1
Сера 2.0	Турмалин 3.0	Касситерит 6.8
Графит 2.1	Роговая обманка 3,0	Вольфрамит 7.0
Гипс 2.3	Флюорит 3.1	Галенит 7.4
Полевые шпаты 2.5-2.7	Алмаз 3.5	Киноварь 8.1
Берилл 2.6-2.9	Топаз 3.5	Медь 8.9
Кальцит 2.7	Корунд 4.0	Серебро 10.5
Кварц 2.7	Барит 4.5	Золото 15.0-19.3
	Пирротин 4,6	Платина 14-19
	Пирит 5,0	Осмистый иридий 19,3-22,7
	Магнетит 5,2
	Гематит 5,3

Подавляющее число минералов имеет плотность от 2,5 до 3,5, что и      обусловливает плотность земной коры, равную примерно 2,7-2,8 г/см³. Плотность минералов возрастает с ростом компактности кристаллической структуры вещества, увеличением атомного номера, входящих в состав минерала элементов. Полиморфные модификации, имеющие разную степень компактности структуры, имеют разную плотность. Графит - 2,2 г/см³, а алмаз - 3,5 г/см³; кальцит - 2,6-2,8 г/см³, а арагонит - 2,9 - 3,0 г/см³, что свидетельствует о более плотной упаковке атомов в структура алмаза и арагонита соответственно. Плотность минералов переменного состава меняется по принципу аддитивности свойств для изоморфных смесей. Так, в ряду оливина плотность увеличивается от форстерита до фаялита от 3,2 до 4,35 г/см³; в ряду альбит - анортит от 2,61 до 2,75 г/см³. Некоторые минералы легко диагностируются по большой плотности (барит - 4,6 г/см³). Как правило, минералы, содержащие тяжелые металлы, имеют большую плотность.

К числу механических свойств относят твердость, спайность, излом, отдельность, хрупкость, ковкость и другие. Эти свойства обнаруживаются при механическом воздействии на минерал: сжатии, растяжении, ударе. К важнейшим механическим свойствам относят спайность и твердость.

 

ТВЕРДОСТЬ.

Таблица 3.  Шкала твердости Мооса и значения микротвердости эталонных минералов в МПа
1. Тальк	Mg3[Si4O10](OH)2	- 24
2. Гипс	Ca[SO4]*2H2O	- 360
3. Кальцит	Са[CO3]	- 1090
4. Флюорит	CaF2	- 1890
5. Апатит	Ca5[PO4]3(OH,F)	- 5360
6. Микроклин	K[AlSi3O8]	- 7950
7. Кварц	SiO2	- 11200
8. Топаз	Al2[SiO4]F2	- 14270
9. Корунд	Al2O3	- 20600
10. Алмаз	С	- 100600

Под твердостью подразумевается сопротивление, оказываемое кристаллом механическому воздействию более прочного тела. Она отражает прочность химических связей между атомами и зависит от типа химических связей.

Для быстрой диагностики минералов их твердость определяют методом царапания с помощью простых эталонов твердости, используя шкалу Мооса, предложенную еще в 1824 году. В этой шкале каждый последующий минерал острым концом царапает предыдущий эталон. Необходимо отметить относительность шкалы Мооса: если тальк имеет твердость 1, а гипс 2, то это не означает, что гипс в 2 раза тверже талька. То же касается всех других минералов - эталонов.

В табл. 3 приведены величины точной твердости вдавливания эталонных минералов, полученные на склерометре (твердометре) Хрущева М.М. и Берковича Е.С. В ряде случаев (особенно в полевых условиях) можно использовать подручные эталоны. Это ноготь (ТВ. =2.5), медная монета (ТВ. =3), стекло (ТВ. =5-5.5), стальной нож (ТВ. =5.5), напильник (ТВ. =около 7). Определение твердости необходимо проводить только на грани или на свежей ровной поверхности, учитывая морфологию минерала. Твердость, измеренная на агрегате, будет заведомо занижена. Она отражает, по существу, прочность сцепления между частицами.

Разные грани кристаллов могут иметь различную твердость, но наиболее резко анизотропия твердости проявлена у дистена (кианита). Твердость вдоль удлинения кристалла равна 4.5, а поперек - 7 (рис. 13).

Рис. 13  Анизотропия твердости кристаллов кианита.

СПАЙНОСТЬ.
Это способность кристаллов раскалываться параллельно определеннымкристаллографическим плоскостям с образованием блестящих поверхностей. Плоскость спайности ориентирована параллельно фактическим или возможным граням кристалла. Спайность относится к наиболее характерным диагностическим признакам минералов. Обычно для спайности определяют степень совершенства и простую форму, по которой раскалывается кристалл. Особенно важно практически научиться отличать плоскость спайности от граней кристалла. Качество спайности определяют по следующей условной шкале:

весьма совершенная - кристалл колется на тончайшие пластинки с зеркальной поверхностью (слюда, гипс); совершенная - кристалл колется с образованием ровных поверхностей, неправильный излом получается крайне редко (кальцит, галит, галенит); средняя - при расколе кристалла образуются как ровные спайные поверхности, так и неровные поверхности излома (полевые шпаты, роговая обманка); несовершенная - при расколе ровные спайные поверхности редки; большей частью образуется неправильный излом (берилл, апатит); весьма несовершенная - ровные поверхности практически отсутствуют (кварц, касситерит).   

Спайность может проявляться в одном (гипс, слюда), двух, трех (галит, галенит), четырех и шести (флюорит) кристаллографических направлениях.

В тех направлениях, где нет спайности, кристаллы раскалываются по сложным поверхностям излома. Различают ровный, ступенчатый (полевые шпаты), неровный (апатит, касситерит), занозистый (актинолит, тремолит), крючковатый (самородные Au, Ag, Pt) и раковистый (кварц) изломы. Вид излома иногда является характерной особенностью некоторых минералов (раковистый излом кварца), что помогает в их диагностике.

ОТДЕЛЬНОСТЬ. Отдельность - это способность кристаллов раскалываться с образованием ровных поверхностей по плоскостям их фазовой неоднородности. Это могут быть плоскости срастания двойников, плоскости мельчайших ориентированных включений других минералов. Так, характерная отдельность корунда обусловлена тончайшими включениями слюды - мусковита.

Интересными для диагностики минералов являются и другие механические свойства.

Хрупкость - это свойство крошиться под давлением или при ударе. Самородная сера - очень хрупкий минерал. Хрупкость является также диагностическим признаком блеклых руд. Самородное золото, медь, серебро - ковкие минералы. Ковкость их проявляется в том, что они могут быть легко расплющены в тонкую пластинку. Для многих минералов характерна гибкость (молибденит, хлорит, тальк), но только листочки слюды в то же время и упругие, то есть они восстанавливают первоначальное положение при снятии напряжения.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА. Большинство минералов не магнитны - полевые шпаты, кальцит, кварц и другие. К слабо магнитным относят те минералы, которые приобретают магнитность под действием электрического поля. Это некоторые оксиды железа, ильменит, железистый сфалерит и другие минералы. Магнитные минералы притягиваются магнитом. Таких минералов немного. Это магнетит FeFe₂O₄, в меньшей степени пирротин Fe_1-xS, самородное железо (Fe).