Элементы кристаллографии минералов

Определение: кристаллы – природные или искусственно созданные твердые* тела, обладающие закономерным внутренним строением и ограниченные плоскостями, которые называются гранями (* существуют жидкие кристаллы, которые в курсе СМ не рассматриваются).

Пример: глинистые минералы имеют размер 0,001 мм, а кристалл кварца может достигать в длину 7,5 м иметь массу 70 т.

Кристалл имеет элементы ограничения – грани, ребра и вершины (рис. 3.4а,б). Грани – это плоскости ограничения. На пересечении граней находятся ребра кристалла, а на пересечении ребер – вершины.

Рис. 3.4. Многогранники кристаллов

а, б – элементы кристаллов: Г – грани; Р – ребра; В – вершины; в – постоянный двугранный угол α; г, д – элементы симметрии: С – центр; L – оси; Р – плоскость

Особенности внутреннего строения кристаллов определяет закон постоянства углов между соседними гранями для каждого кристалла (рис. 3.4в) – может изменяться размер кристалла, форма граней, но не угол α.

Для кристаллов минералов характерна симметричность строения, которая определяется тремя элементами:

● центром симметрии – воображаемой точкой С (рис. 3.4г) внутри кристалла, на равном расстоянии от которой вдоль произвольно проведенной прямой находятся точки поверхности кристалла;

● осью симметрии – воображаемой прямой линией L_n (рис. 3.4г) внутри кристалла, при вращении вокруг которой на какой-либо угол кристалл совмещается сам с собой.

Наименьший угол поворота называется элементарным углом α и он определяет порядок* оси симметрии n = 360⁰/α: второго L₂, третьего L₃, четвертого L₄ или шестого L₆ порядка (*в отличие от геометрических фигур, для кристаллов невозможны оси 5-го и выше 6-го порядка, что определяется их строением);

● плоскостью симметрии – воображаемой плоскостью Р (рис. 3.4д) внутри кристалла, разделяющей его на две равные зеркально отображающиеся в плоскости Р части (число плоскостей симметрии в кристалле бывает от 1 до 9).

Пример: для кристалла кубической формы все элементы симметрии можно представить формулой 3L₄ 4L₃6L₂9РC, т.е. в кубе имеется три оси четвертого порядка, четыре – третьего, шесть – второго, девять плоскостей и один центр симметрии.

В XIX веке русский кристаллограф А.В. Гадолин математически доказал, что число комбинаций элементов симметрии для кристаллических многогранников равно 32 и их назвали классами.

По сходным признакам эти 32 класса симметрии кристаллов разделяют на семь сингоний, которые в свою очередь группируют в три категории - высшую, среднюю и низшую. Такое подразделение положено в основу классификации кристаллов.

Для пояснения принципов такой классификации приведем на рис. 3.5 кристаллографическую систему координат с осевыми углами α = ÐYZ; β = ÐXZ, γ = ÐXY и соответствующими масштабами – единицами измерения а, b и с по осям X, Y и Z.

Рис. 3.5. Кристаллографическая (правая) система координат

С учетом обозначений рис. 3.5, в табл. 3.1 приведены классификация кристаллов и их отличительные признаки.

Порядок изучения кристаллов:

● определяют все элементы симметрии;

● выявляют сингонию кристалла по табл. 3.1.

Таблица 3.1

Классификация минералов

Свойства минералов

Цвет минералов разнообразен и является одним из его характерных признаков, например, малахит – зеленый, рубин – красный.

Основной цвет минералов определяется их химическим составом, а цветовые оттенки обуславливают различные примеси. Например, кварц в чистом виде бесцветен, а за счет примесей может быть фиолетовым, черным, золотистым и др.

Цвет черты (черта): некоторые минералы в состоянии порошка имеют другой цвет, что важно для их диагностики. Например, минерал пирит FeS₂ в монолите имеет золотистый цвет, а в порошке – зеленовато-черный.

Прозрачность минералов – способность пропускать сквозь себя цвет.

Минералы бывают прозрачные (кварц), полупрозрачные (изумруд) и непрозрачные (пирит).

Блеск минералов – способность отражать свет поверхностью своих кристаллов.

Выделяют блеск минералов неметаллический и металлический.

Спайность – это способность минералов раскалываться по определенным направлениям (плоскостям).

Она зависит от кристаллической решетки минерала и бывает:

– весьма совершенная (слюда);

– совершенная (кальцит – см. рис. 3.6);

– средняя (флюорит);

– несовершенная (апатит);

– весьма несовершенная.

Рис. 3.6. Совершенная спайность в минерале кальцит

Растворимость: небольшое число минералов легко растворяются в воде; остальные или плохо растворимы, или совсем нерастворимы.

Пример: в 100 мл дистиллированной воды растворяется (при 20 ^оС) 35 г поваренной соли,
0,2 г гипса и 0,0009-0,0035 г кальцита.

Плотность минералов – это масса единицы его объема.

Плотность реальных кристаллов обычно меньше, чем плотность расчетная из-за дефектов их структуры. По плотности минералы подразделяются на три группы: легкие – до 2,5 (гипс), средние – от 2,5 до 4 (кварц) и тяжелые – свыше 4 г/см³ (рудные минералы).

Излом проявляется в результате разламывания минералов не по спайности.

Различают формы излома – ступенчатые, раковистые (кварц, опал), занозистые (у минералов волокнистого строения), шероховатые, волокнистые.

Твердость характеризует степень сопротивления кристалла внешним механическим воздействиям.

Обычно в минералогии пользуются предложенной в 1822 г. австрийским минералогом Ф. Моосом 10-ти бальной шкалой твердости – шкалой Мооса. Она построена на принципе царапания одного минерала другим. Как видно из табл. 3.2, твердость по шкале Мооса не соответствует действительному ее значению, установленному с помощью специальных приборов – твердомеров (склерометров), и является величиной условной – твердость талька и алмаза отличается не в 10, как по шкале Мооса, а в 420 раз.

Таблица 3.2

Относительная шкала твердости (по Моосу)

Приведем пример типичного описания свойств минералов для ангидрита СaSO₄, приводимое в справочниках: сингония – ромбическая; цвет – бесцветный, белый, голубоватый, лиловый, красный, коричневый; черта – белая; блеск – перламутровый до стеклянного; прозрачность – прозрачный до просвечивающего; удельная плотность – 2,8-3,0 г/см³; твердость – 3-3,5; спайность – хорошая; излом – занозистый до неровного.