Арсенал минералогии [1975 Здорик Т.Б.

С точки зрения геохимика минералы - это концентраторы химических элементов, продукты реакций, протекающих в земной коре. Физики и кристаллографы рассматривают их как природные кристаллические тела. Для геологов, исследующих месторождения полезных ископаемых, минералы - это прежде всего составные части горных пород и руд, свидетели и участники их возникновения. Технолог-обогатитель четко разделяет минералы на рудные (полезные компоненты) и все прочие (пустая порода).

Как же изучают минералы сегодня? А это смотря по тому, кто и зачем их изучает. Многочисленные весьма разнообразные методики сменяют одна другую в зависимости от стадии и цели исследований. Остановимся на основных из них.

Началом всех начал и сейчас остается первичная визуальная диагностика: основным прибором служит внимательный глаз наблюдателя. У каждого из почти 4000 минералов и их разновидностей, установленных на сегодняшний день, свой "характер", свой неповторимый "букет" признаков; диагностическим часто служит именно их сочетание. Даже для первичного полевого определения минерала, как правило, недостаточно установить его главные свойства (цвет, размер и характер выделений, примерные плотность и твердость, спайность, цвет черты, пластичность или хрупкость). А иногда важны казалось бы второстепенные, но индивидуальные особенности.

Ключом к определению минерала часто служат такие характерные детали его облика, которые замечаешь лишь после некоторой тренировки внимания. Например, насколько минерал прозрачен и везде ли в равной степени? Как распределяется окраска в разных частях кристалла? Все ли грани имеют одинаковую поверхность и блеск, или лишь некоторые из них гладкие, а другие покрыты штрихами, неровными бороздками или треугольничками? Как выглядит свежий скол минерала и какие налеты, корочки, присыпки на его выветрелой поверхности? Очень важно установить, какие минералы сопровождают определяемый. В мире минералов пословица "с кем поведешься, от того и наберешься" часто приобретает буквальный смысл.

Примерное определение большинства диагностических свойств требует лишь внимания, некоторого навыка и несложных приспособлений. Цвет черты смотрится, например, на матовой фарфоровой пластинке. Детали строения кристаллов видны через лупу, твердость определяется путем сопоставления с эталонной минеральной или чаще "бытовой" шкалой.

Чтобы различить карбонатные минералы, надо капнуть десятипроцентной соляной кислотой: кальцит и арагонит бурно "вскипают" в капельке кислоты, доломит и магнезит реагируют спокойнее и "вскипают" только в порошке, а сидерит и анкерит с соляной кислотой почти не реагируют. Но если добавить к кислоте капельку синих чернил, яркое синее пятнышко крепко "въедается" в зерно анкерита, а с кальцита легко смывается водой.

Присутствие в минерале таких характерных элементов, как железо, кобальт, хром, марганец, обнаруживают с помощью микрохимических реакций. Магнитные минералы четко и быстро выявляются по отклонению стрелки компаса.

Для минералога-любителя исследования минерала завершаются на стадии полевой диагностики, а для минералога-специалиста они только начинаются. В лаборатории нас уже не удовлетворяют свойства, определенные с точностью до оконного стекла или перочинного ножа.

Твердость измеряется по шкале, градации которой оцениваются в трех- и даже четырехзначных цифрах. Для этого в грань или отполированную поверхность кристалла вдавливают алмазную пирамидку и потом изучают размер и характер отпечатка на этой плоскости. Оказывается, у большинства минералов в разных направлениях твердость несколько меняется.

Особенно важно точное определение плотности (удельного веса): оно позволит связать между собой состав и структуру минерала. И если в поле нас удовлетворяло определение "тяжелый" или "легкий", то при детальном измерении необходимо знать плотность минерала с точностью до второго или даже третьего знака после запятой. В зависимости от количества исследуемого минерала пользуются разными приспособлениями, устройство которых основано на законе Архимеда: пикнометрами (для измельченного в порошок минерала), гидростатическим взвешиванием (определение в крупных обломках), тонкими тщательно градуированными трубочками (измерение плотности отдельных мелких зерен) и т. д. Остроумный метод "поплавка" позволяет определить плотность минерала даже в одном единственном зерне.

Изучение спектров поглощения света позволяет перевести на точный язык цифр и кривых все оттенки окраски минералов. Неоднородность (анизотропия) кристаллической среды выявляется при этом еще более отчетливо: окраска часто меняется с изменением направления луча и по цвету, и по интенсивности. Это явление называется плеохроизмом.

Магнитные свойства минералов также могут быть охарактеризованы в точном цифровом выражении, путем измерения их магнитной восприимчивости и ряда других магнитных характеристик.

До сих пор речь шла главным образом об уточнении физических констант, знакомых нам по визуальному облику минерала и полевым методам диагностики. Но главная ценность лабораторных исследований - в возможности более глубокого и всестороннего изучения физической природы минералов, позволяющего расширить наши представления о минеральном веществе.

Нестареющей "классикой" лабораторных исследований остаются различные методы изучения минералов под микроскопом. Сюда можно отнести и большую бинокулярную лупу, похожую внешне на микроскоп. Она позволяет рассматривать кристаллы и их обломки с увеличением в 10 - 20 раз. При таком увеличении минерал весь как на ладони: великолепно видно, что поверхность граней не гладкая, а испещрена штриховкой, на ней вырисовывается скульптура роста, или, наоборот, фигуры частичного растворения минералов; виден характер сростков минералов, зональное строение зерен, мелкие включения посторонних примесей, обрастание вторичными минералами.

Когда речь идет об уточнении диагностики минералов - первую скрипку всегда играет кристаллооптика. Это весьма увлекательная и на первый взгляд подчас ошеломляющая область исследований. Взять хотя бы самый элементарный школьный пример: ложечка, опущенная в стакан, кажется переломленной, так как скорость распространения света в воде и в воздухе неодинакова. Аналогичное явление можно увидеть и в кристалле прозрачного исландского шпата, если накрыть им линию на бумаге. Удвоенные линии то сбегаются, то расходятся, смотря, как повернуть этот прозрачный кристалл. Что же происходит? Луч, входя в кристалл исландского шпата, как бы расщепляется на два новых, преломляющихся по-разному. Впервые этот эффект, называемый двойным лучепреломлением, заметил и описал датский профессор математики и медицины Эразм Бартолин еще в 1669 году.

В кристалле меняется не только направление луча, но и сам характер световых колебаний (рис. 30). Обычно они распространяются во все стороны. Кристаллическая же решетка как бы концентрирует все колебания в одной единственной плоскости, перпендикулярной к плоскости луча (вспомните волну - "змейку" на веревке, в которой колебания проходят также в одной плоскости). Это явление называется поляризацией света.

Рис. 30. Распространение световых лучей: слева - в обычном свете, справа - в поляризованном свете

Представим себе светящуюся точку. Поверхность распространения световой волны в воздухе или другой однородной среде выглядит как шар. Но внесем мысленно нашу светящуюся точку внутрь кристалла, и наш шар немедленно исказится - вытянется или, напротив, сожмется: шар превратится в геометрическую фигуру - эллипсоид. Именно форму эллипсоида имеет в общем виде мысленная поверхность, построенная на показателях преломления^*, как на координатных осях (рис. 31).

^* (Показателем преломления называется отношение скоростей распространения волн в пустоте (вакууме) и в какой-либо среде.)

Рис. 31. Изменение показателя преломления с изменением направления световых колебаний: слева - в оптически отрицательном кристалле, справа - в оптически положительном кристалле

Облик эллипсоида будет зависеть от того, насколько симметричен трехмерный узор расположения атомов в решетке минерала. Если симметрия проявлена в кристалле слабо (например, в полевых шпатах), то и показатели преломления света в разных направлениях будут сильно различаться, а следовательно, эллипсоид будет трехосным - наименее симметричным.

Если кристалл имеет тройную, четверную или шестерную ось симметрии (соответственно кристаллы кварца, циркона, берилла), то эллипсоид принимает облик эллипсоида вращения - два из трех показателей преломления становятся одинаковыми. Наконец, в решетке кубического кристалла (поваренная соль, флюорит) атомы чередуются в одинаковом порядке во всех направлениях, и поверхность мысленной световой волны превращается в этом случае в шар: все показатели преломления сливаются, двупреломление света исчезает.

Английский физик У. Николь в свое время весьма заинтересовался эффектом двулучепреломления в исландском шпате, решив использовать его в качестве поляризатора света^*. Призма Николя (или просто "николь"), позволяющая исследовать минералы в поляризованном свете^**, входит в конструкцию всех поляризационных микроскопов. Установка в оптической системе микроскопа пары скрещивающихся николей (поляризующих свет во взаимно перпендикулярных плоскостях) позволяет изменить направление колебаний проходящей волны. Детально проанализировав характер прохождения света через минерал, мы получим определенный набор оптических констант.

^* (Уникальность этого минерала состоит в том, что он совмещает идеальную прозрачность и отсутствие окраски с очень высоким двупреломлением. Блестящим примером гениально простого конструктивного решения явилась призма, вырезанная Николем из кристалла исландского шпата и ориентированная таким образом, что после прохождения через нее один луч. отраженный поверхностью распила, уходит из кристалла, и свет, прошедший через кристалл, оказывается поляризованным в одной плоскости.)

^** (В лучших современных микроскопах с кальцитовойоптикой применяются усовершенствованные конструкции призм (модели Франка - Риттера или Глана - Томпсона) или синтетические поляроиды.)

Прозрачные в тонком срезе минералы изучают в проходящем свете, рассматривая под микроскопом специальный препарат - шлиф, изготовленный из минерала или горной породы и представляющий собой тонкую (0,02 - 0,03 мм) пластиночку. Непрозрачные, так называемые рудные минералы (магнетит, ильменит, большинство сульфидов и др.) изучают в отраженном свете в полированных шлифах, или аншлифах, с помощью особого микроскопа. Однако, как бы ни совершенствовалась микроскопия, непосредственно увидеть частицы глины, минералы бокситов, или, например, даже самые "крупные" молекулы под оптическим микроскопом нельзя: наш глаз не может различить частицы, значительно меньшие, чем длина волны видимого света (т. е. меньше, чем 0,3 микрона). Свет просто "не заметит" такую частицу, "не донесет" ее изображение до нашего глаза.

Чтобы получить видимое изображение таких крошечных объектов, нужно использовать электромагнитные колебания, у которых длина волны значительно меньше размера наших невидимок. Такие волны в природе есть - это волны электронов, разогнанных в мощном электрическом поле. Их длина порядка 0,000005 микрона, и они уже могут фиксировать объекты размером около 0,2 микрона. Само "изображение" частицы мы видеть не в состоянии, но вот "изображение изображения" - удается. Именно на этом принципе устроен электронный микроскоп.

Источником "света" в этом микроскопе служит раскаленная вольфрамовая нить - "электронная пушка", испускающая поток электронов. Электронный луч проходит через объект изучения и специальные магнитные линзы, фокусирующие и проецирующие изображение предмета на экран. Полученное изображение фотографируют и изучают.

С помощью электронного микроскопа ученые впервые смогли спроецировать на экран облик основных минералов глин - каолинита, монтмориллонита, гидрослюд и почти таких же тонкозернистых (тонкодисперсных) руд алюминия - бокситов. Для этого понадобились увеличения в 25 - 30 тысяч раз! Электронный микроскоп позволил впервые подтвердить послойный механизм роста кристаллов, механизм образования дислокаций (дефектов) в кристаллической решетке, помог выяснить состав и расположение тончайших включений в минералах.

Часто и не менее успешно, чем в медицине, в минералогии применяют рентгеновы лучи, представляющие собой электромагнитные колебания с длиной волны порядка 0,2 миллимикрона. Этот диапазон волн, соизмеримый с межатомными расстояниями в кристалле, словно создан для изучения кристаллических структур минералов, в частности для измерения расстояний между атомами или ионами в решетке. Рентгеновы лучи могут проникать внутрь кристалла и отражаться от наиболее плотных атомных или ионных сеток (плоскостей решетки, параллельных реальным или возможным граням кристалла).

Отражения, зафиксированные на фотопленке в виде пятен (при исследовании одного кристалла) или дуг (при исследовании кристаллического порошка), дают возможность измерить расстояния между различными наиболее плотными плоскостями кристалла. Рентгеноструктурный анализ позволяет связать свойства минералов с их составом и строением, т. е. определить кристаллическую структуру минерала.

Некоторые изменения минералов происходят с выделением или поглощением тепла: обезвоживание, окисление и восстановление структуры метамиктных минералов и другие. На этом свойстве минералов основан дифференциальный термический анализ (ДТА), который дает возможность построить термические кривые (термограммы). Для многих минералов эти кривые столь характерны, что могут служить надежным подспорьем при диагностике. Созданы атласы термических кривых различных минералов.

При детальном изучении минерала исследователя интересует и его химический состав. Классические методы аналитической химии позволяют установить количественное содержание всех компонентов минерала. Как связать реальный химический состав минерала с его структурой? Для этого надо знать, как компонуются атомы в решетке минерала, и определить размер элементарной, периодически повторяющейся, клеточки - ячейки. Эти сведения дает нам рентгеноструктурный анализ. Необходимо знать и плотность минерала. Если эти сведения известны, можно вычислить из данных химического анализа реальное соотношение атомов в составе минерала, т. е. рассчитать его формулу. Кристаллохимическая (структурная) формула минерала связывает всегда несколько непостоянный состав минерала с его более стабильной структурой.

Однако не всегда задача состоит в вычислении конкретной формулы минерала. Значительно чаще приходится решать такие вопросы: как "выдерживается" в рудном теле содержание полезного компонента, в каких именно минералах он концентрируется. Часто важно заметить даже незначительную примесь (десятитысячную долю!) рудного вещества. Например, повышенное содержание тантала в граните позволяет определить, в каких гранитных массивах, вообще, имеет смысл искать руду. Но анализов для этого нужно иметь сотни, а то и тысячи. Полный прямой химический анализ здесь не подходит. На помощь химии приходит физика.

Еще в конце прошлого века ученые пришли к идее изучения состава вещества по спектру его паров. Ведь именно исследование спектра Солнца и других звезд позволило установить единство состава вселенной! Чтобы довести исследуемый минерал до состояния ионизированной раскаленной плазмы (приблизительно до состояния Солнца!), его сжигают в высоковольтной электрической дуге. При этом вещество минерала начинает подобно Солнцу излучать видимый свет. Спектр излучаемого света у каждого химического элемента свой: натрий дает двойную желтую линию, калий - фиолетовую и красную, литий - красную и оранжевую. По спектру минерала мы можем рас-шифровать его состав: интенсивность тех или иных линий спектра позволяет судить о содержании в минерале различных элементов. Спектральный метод отличается высокой чувствительностью, намного превышающей чувствительность химического анализа.

В последнее время широко входят в жизнь сравнительно новые ядерно-физические методы анализа. Они основаны на свойстве химических элементов образовывать радиоактивные изотопы под действием радиоактивного или рентгеновского облучения. Пробу исследуемого минерала помещают в атомный реактор, где подвергают облучению. Содержание определяемых элементов устанавливают по продуктам ядерных превращений радиометрическим или радиохимическим способом. Этим методом, имея небольшое количество вещества (10 - 100 мг), можно получить точные данные о содержании таких элементов, как вольфрам, тантал, скандий и другие.

Кристалломорфологические исследования долгое время ограничивались главным образом установлением набора граней и измерением углов между гранями кристалла, выявлением его симметрии - словом, реконструкцией его идеальной кристаллической формы. Атласы идеальных кристаллических форм несомненно способствуют диагностике реальных минералов. Однако в последние двадцать - тридцать лет кристаллографы и минералоги заинтересовались не столько выявлением идеализированного кристаллического облика - символа, сколько действительным развитием подлинных, "живых" кристаллов. Их реальная форма, а часто и сами дефекты и искажения этой формы могут дать ценнейшую информацию об условиях образования конкретных кристаллов. Почему у взятого нами кристалла преобладают те или иные грани? В каком положении он рос? Прерывался ли этот рост? Растворялся или замещался кристалл в процессе роста? На все эти и подобные вопросы ответы дает онтогенический анализ минералов.

В процессе роста кристалл захватывает массу мельчайших посторонних включений - пузырьков газа и жидкости или твердых частиц соседних минеральных зерен. Изучение состава и распределения этих включений, влияния их на процесс роста и на возникновение различных дефектов кристаллической решетки минерала-"хозяина" составляют большую и весьма перспективную область современной минералогии.

Изучение включений в кристаллах дает информацию о температуре, давлении и составе растворов, из которых выросли эти кристаллы, а также помогает кристаллографам, занимающимся промышленным синтезом кристаллов, понять условия выращивания бездефектных кристаллов для нужд современной техники.

В мире минералов известный афоризм "Скажи мне, кто твой друг, и я скажу, кто ты" можно перефразировать примерно так: "Покажи мне, с кем вместе ты вырос, и я скажу, кто ты". Справедливость подобного утверждения не вызывает сомнения. Из расплава или раствора при каких-то определенных температурах, давлении и концентрации выпадает, как правило, определенная постоянная "компания" - парагенетическая ассоциация минералов. Часто один и тот же минерал, например кварц, встречается в разных парагенетических ассоциациях. По набору минералов, с которыми он сосуществует, можно судить об условиях образования всей ассоциации. Так, если кварц встречен в составе гранита вместе с калиевым полевым шпатом, плагиоклазом и биотитом, то, очевидно, он образовался из магматического расплава при относительно высоких температурах (600 - 800°С). Если же кварц встречен в виде жил с сульфидами (галенитом, сфалеритом, халькопиритом), он образовался при температурах 100 - 300°С. Метод парагенетического анализа позволяет расчетно-графическим способом представить различные ассоциации минералов, сменяющие одна другую.

Наряду с изучением природных минералов и их ассоциаций, современная генетическая минералогия все шире применяет экспериментальное моделирование процессов минералообразования в лабораторных условиях. Этот метод заключается в искусственном получении минералов и минеральных парагенезисов, близких к природным, с использованием различных минералообразующих сред и определенного режима температуры и давления. Сравнение экспериментальных результатов с минералогическими наблюдениями над природными объектами позволяет лучше понять физико-химические закономерности образования минералов, руд и горных пород.

Одним из самых молодых разделов минералогии является технологическая минералогия, которая занимается изучением свойств минералов, играющих важную роль в процессе обогащения руд и химико-металлургической переработки рудных концентратов. К числу таких свойств минералов относятся, например, поверхностные (смачиваемость, сорбционная способность и др.), электрические, растворимость в кислотах и щелочах, поведение при нагревании и т. д.