Аморфний стан мінеральної речовини різко відрізняється від кристалічного за фізичними і морфологічними ознаками. Пов’язано це з тим, що характер розташування структуротворних вузлів в просторі в цих мінералах незакономірний і не відповідає правильній просторовій решітці із чітко закономірними лінійними (a, b, c) і кутовими (a, b, g) параметрами.
Причиною формування аморфних мінеральних агрегатів є те, що вони утворюються не з перенасичених розчинів, а з колоїдального або, при різкому пониженні температури і тиску, мінералотворного середовища. Їх морфологія представлена різноманітними безформними, ниркоподібними і горбоподібними виділеннями, бурульками та іншими морфологічними формами.
Визначення морфології мінеральних агрегатів проводиться на реальних взірцях мінералів. При цьому спочатку визначається тип агрегату, потім його мінеральний склад (агрегат мономінеральний чи полімінеральний) і, нарешті, величину зерен, що складають агрегат мінералів.
4 Необхідні приладдя і зразки для виконання роботи
Для виконання лабораторної роботи необхідні наступні приладдя і зразки:
1. Набір дерев’яних моделей кристалів окремих сингоній.
2. Набір реальних кристалів мінералів основних габітусних типів.
3. Набір зразків аморфних мінералів.
4. Набір реальних зразків основних типів мінеральних агрегатів.
5. Бінокулярна лупа.
6. Лінійка.
5 Контроль засвоєного матеріалу
1. Що таке мінерал? Дайте його визначення.
2. Що таке кристалічний та аморфний стан мінералів та чим вони відрізняться один від одного?
3. Які елементи огранювання характеризують кристал?
4. За якими морфологічними ознаками можна відрізнити кристалічний стан мінералів від аморфних?
5. Назвіть основні елементи симетрії кристалів.
6. Що таке вид симетрії, сингонія, категорія?
7. Назвіть основні форми і комбінації кристалів.
8. Скільки основних простих форм встановлено на кристалах?
9. Назвіть основні габітусні типи мінеральних індивідів.
10.Що таке мінеральний агрегат і які основні їх типи виділяються за мінеральним складом?
Лабораторна робота № 2
Основні фізичні властивості мінералів та методи їх визначення
Вступ
Виконання цієї лабораторної роботи становить перед собою завдання навчити студентів визначати головні фізичні властивості мінералів. Для того, щоб розпізнавати мінерали за зовнішніми ознаками і визначити приблизно їх склад, необхідно знати фізичні властивості кожного мінералу. При цьому слід зазначити, що окремі фізичні властивості можуть бути однаковими у різних мінералів і, навпаки, яка-небудь властивість, наприклад, колір або густина у одного і того ж мінералу можуть змінюватися в залежності від їх хімічного складу, кількості і характеру домішок. Тому при вивченні мінералу необхідно встановити оптимальну кількість його ознак, що дозволить провести його діагностику. При геологорозвідувальних роботах і особливо при бурінні нафтових і газових свердловин вивчення і визначення речовинного складу кернового матеріалу відіграє надзвичайно важливу роль як в коректуванні основного напряму ведення пошуково-розвідувальних робіт, так і в розробці нових технологій розкриття продуктивних пластів і впровадження ефективних методів підвищення нафтогазоконденсатовіддачі продуктивних пластів.
Обґрунтування і порядок виконання роботи
Головними фізичними властивостями мінералів є:
- густина;
- механічні: твердість, спайність, злам, ковкість;
- оптичні: прозорість, забарвлення, колір риси, блиск;
- магнітність;
- радіоактивність;
- горючість;
- розкладання;
- смак.
Густина
Густина являє собою масу речовини, яка припадає на 1 м3 дистильованої води при t-4°С. Величина густини мінералів коливається від 800 кг/м3 (озокерит) до 23000 кг/м3 (осмістий іридій).
Визначення густини проводиться зважуванням мінералів “на руці”, тобто визначається його відносна вага.
Для визначення густини мінералів рекомендується користуватись нижчеприведеною шкалою (табл. 2.1).
В природі частіше всього зустрічаються мінерали густиною від 2000 до 5000 кг/м3.
Таблиця 2.1 - Групи відносних густин мінералів і їх характеристика
| Група | Густина | Границі густини, кг/м3 | Типові мінерали і їх густина |
| Дуже легкі | <1000 | Озокерит – 800-900, лід- 920 | |
| Легкі | 1000-4000 | Янтар – 1050 Флюорит – 3250 | |
| Середні | 4100-7000 | Халькопірит – 4300 Барит – 4700 | |
| Тяжкі | 7100-10000 | Галеніт – 7600 | |
| Дуже тяжкі | >10000 | Золото – 18000 |
Твердість
Твердість являє собою одну із найважливіших діагностичних ознак мінералів. Під твердістю розуміють ступінь опору мінералів зовнішньому механічному впливу. Для визначення твердості в лабораторних і польових умовах прийнято шкалу Маоса, в котрій в якості еталонів використовуються мінерали з відомою і постійною твердістю. Ці мінерали розташовуються в порядку зростання твердості так, що попередній мінерал подряпується наступним (табл. 2.2).
Для визначення твердості мінералу гострим кінцем уламка мінералу-еталона натискують на мінерал. Якщо еталон залишає подряпину на мінералі, то його твердість вища, а якщо залишає слід еталону у вигляді порошку, то його твердість нижча від твердості досліджуваного мінералу. Підбираючи так еталони, визначають відносну твердість.
На практиці часто застосовують для визначення твердості різні розповсюджені предмети. Так, твердість олівця - 1,
Таблиця 2.2 – Шкала твердості Мооса і основні її показники
| Відносна твердість | Найменування мінералу-еталону | Основні показники мінералу - еталону |
| Тальк | Залишає сліди на папері, дереві, шкірі | |
| Гіпс | Подряпується нігтем | |
| Кальцит | Подряпується мідною голкою | |
| Флюорит | Подряпується залізною голкою, цвяхом | |
| Апатит | Слабо подряпується сталевою голкою | |
| Ортоклаз | Слабо ріже скло під великим натиском | |
| Кварц | Добре ріже скло під великим натиском | |
| Топаз | Ріже скло під невеликим натиском | |
| Корунд | Слабо ріже скло без натиску | |
| Алмаз | Добре ріже скло |
нігтя - 2, бронзової монети - 3,5-4, скла - 5, голки і ножа - 6, напильника - 7. Мінерали з більшою твердістю зустрічаються рідко. В світовій практиці часто використовують металеві стержні з відповідною твердістю.
Спайність
Спайність -це здатність мінералу розколюватися або розщеплюватися по паралельних площинах, які відповідають певним кристалографічним напрямкам, по яких в кристалічній структурі проявляється найменша сила зчеплення атомів, іонів або молекул. В залежності від характеру площин спайності виділяють чотири типи спайності (табл. 2.3).
Для визначення типу спайності мінералу необхідно пам’ятати, що вона в залежності від типу структури може проходити в одному (слюди), двох (амфіболи), трьох (галіт), в чотирьох (флюорит) напрямках. Спайність визначається при подрібненні мінералів. При необхідності тип спайності рекомендується визначати під бінокулярним мікроскопом.
Необхідно вміти відрізнити площини спайності від граней кристалу. Площини спайності мають більш сильний блиск і свіжий вигляд. Крім того, вони утворюють ряд паралельних одна одній поверхонь, які в більшості випадків гладкі або глянцеваті.
Таблиця 2.3 - Спайності мінералів і їх характеристика
| Типи спайності | Найменування спайності | Характер площин спайності | Типові мінерали |
| Дуже досконала | Мінерал легко розчіплюється на тонкі листи з утворенням дзеркальних площин спайності | Мусковіт, біотит | |
| Досконала | Мінерал розчіплюється на пластини з утворенням одиноких східців | Гіпс, галіт | |
| Середня | Мінерал слабо розколюється на пластини. Характерні раковисті сходинки і слабо виражені площини спайності | Мікроклін, магнетит | |
| Малопомітна | Мінерал не розколюється по певних площинах, а утворює одиничні східці. В цілому поверхня розлому нерівна, пагорбкова | Кварц, олівін, берил |
Злам
Злам – це вид поверхні, утвореної при розколюванні мінерального індивіду. Він є важливою діагностичною ознакою для ряду мінералів. Виділяють наступні типи зламів (табл. 2.4). Визначення типу зламу проводиться візуально або під бінокулярним мікроскопом.
Таблиця 2.4 - Основні типи зламів та їх характеристика
| Тип зламу | Назва зламу | Характеристика поверхні зламу | Характерні мінерали |
| Дзеркально-рівний | Рівна, дзеркальна | Мусковіт, біотит | |
| Сходинковий | Сходинкова в деяких напрямах | Польові шпати, флюорит, галіт | |
| Нерівний без дзеркальних поверхонь | Нерівна без дзеркальних площин | Берил, турмалін | |
| Раковистий | Раковиста без площин спайності | Кварц, халцедон, бурштин | |
| Скалкоподібний | Скалковидна, гачкувата | Торці волокнистих серпентину, гіпсу |
Крихкість
2.5 Крихкість – властивість мінералів подрібнюватися при механічній дії з утворенням тріщин або уламків різної величини і форми.
Пластичність – властивість мінералів деформуватися під зовнішнім механічним впливом без утворення тріщин або уламків.
Обидві властивості тісно взаємопов’язані між собою і мають не тільки діагностичне, але й технологічне значення у визначенні розробки схем видобутку та збагачення корисних копалин.
Крихкість і пластичність визначається двома методами: експериментальним – на склерометрах і відносним – дряпанням мінералу загостреним сталевим предметом. За крихкістю і пластичністю всі мінерали згруповано в п’ять ступенів крихкості (табл. 2.5).
Таблиця 2.5 - Шкала крихкості і пластичної мінералів
| Ступінь крих-кості | Характеристика крихкості | Навантаження, при якому утворюються тріщини | Мінерали – еталони |
| Дуже крихкі | <20 | Гіпс | |
| Крихкі | 20-50 | Пірит | |
| Слабо пластичні | 50-100 | Кварц | |
| Пластичні | 100-200 | Самородне золото | |
| Дуже пластичні | >200 | Самородна мідь |
Прозорість
Прозорість – це властивість мінералу пропускати через себе певну кількість світлових променів у видимому спектрі. Прозорість тіснішим чином пов’язана з блиском і визначається коефіцієнтом поглинання світла. В залежності від коефіцієнта поглинання світла всі мінерали умовно можна поділити на три групи: прозорі, напівпрозорі і непрозорі (табл. 2.6).
Таблиця 2.6 - Основні типи прозорості мінеральних індивідів
| № п/п | Типи прозорості | Межі показників заломлення, N, % | Межі показників відбиття, R, % | Характерні мінерали - еталони |
| Прозорі | 1,3-2,4 | 3,1-17,2 | Гірський кришталь, алмаз, смарагд | |
| Напівпрозорі | 2,4-3,0 | 17,2-15,0 | Кіновар, клейфан, гематит | |
| Непрозорі | 3,0-4,9 | 25,0-95,0 | Антимоніт, молібденіт, срібло |
Визначення прозорості мінералів в лабораторних умовах проводиться на спеціальних приладах – рефрактометрах, які дозволяють встановити показник внутрішнього відбиття мінералу в процентах.
В польових умовах визначення типу прозорості рекомендується проводити згідно шкали прозорості, в яку входять: прозорий гірський кришталь, півпрозорий сфалерит (клейофан) і непрозорий пірит. Однак при визначенні прозорості рекомендується проводити в тонких уламках або пластинах за допомогою бінокулярного мікроскопу в проходячому світлі.
Забарвлення
Забарвлення – характер взаємодії електромагнітного випромінювання видимого діапазону світлових хвиль з електронами атомів, іонів або молекул, які входять до складу кристалічної структури мінералів. Встановлено, що видимий спектр електромагнітних хвиль коливається в межах 3800 – 7600А. Їх довжини викликають сім типів забарвлення: фіолетове, синє, блакитне. Зелене, жовте, оранжеве і червоне. Крім хімічного складу мінералу, на його забарвлення часто впливають механічні домішки, дефекти в кристалічних структурах, мікротріщини та ряд інших факторів. Ряд мінералів змінюють своє забарвлення в залежності від кристалографічних напрямків.
Згідно сучасної класифікації, виділяють три групи забарвлення – ідіохроматичне, алохроматичне і псевдохроматичне.
Ідіохроматичне (власне) забарвлення обумовлене певними особливостями хімічних елементів, які входять до його складу (структуротворні, ізоморфні домішки – хромофори), характером електронної, так званої зонної структури мінералів різних дефектів. За здатністю оптичного поглинання, виділяють наступні підтипи ідіохроматичного забарвлення:
а – металовидне забарвлення з максимумом відбиття світлових променів. Це мінерали з металічним і ковалентним типами зв’язку як наслідок міжзонних переходів електронів (пірит, золото) або фундаментальної смуги поглинання (кіновар, ауріпігмент, куприт);
б – забарвлення, обумовлене електронними переходами між різними іонами, а також між різновалентними іонами металів – це мінерали трьохвалентного заліза (О2- Fe3+), мінерали які вміщують різновалентні іони Fe2+ і Fe3+ (аквамарин, вівіаніт);
в – забарвлення пов’язане з іонами перехідних металів Fe, Co, Ni, Cu, Mn, Cr, Ti, V (ізумруд, рубін, рубеліт, малахіт, родоніт);
г – радіаційне забарвлення, пов’язане з утворенням під дією радіоактивного розпаду радіоактивних елементів електронно-дирчастих центрів забарвлення (синє і фіолетове забарвлення галіту і флюориту, жовте і димчасте забарвлення кальциту і кварцу та ін.).
Найбільш типовими хромофорами (забарвлюючі елементи), які викликають те, чи інше забарвлення, є: титан, ванадій, хром, марганець, залізо, мідь та деякі інші елементи. Так Fe2+ - зелені, Ті4+ - інтенсивні червоно-бурі, Cr3+ - зелені, Ni2+ - зелені та ін.
Алохроматичне забарвлення мінералів є наслідком включень в них сторонніх домішок у вигляді інших мінералів різного забарвлення, пухирців газів і рідин. Це забарвлення не пов’язане із власне хімічним складом мінералів. Отже воно не постійне. Як приклад можна навести ряд різновидностей кварцу:
- празем-зеленуватий, за рахунок включень актиноліту або хлориту;
- сердолік – оранжево-червоний за рахунок включень гідрооксидів заліза;
- авантюрин – буро-червоний до золотистого за рахунок включень залізної слюди (різновидності гетиту);
- котяче око – зеленуватий за рахунок включень азбесту;
- соколине око – синюватий за рахунок включень волокнистої синьої рогової обманки та ін.
Псевдохроматичне забарвлення зумовлене процесами дифракції та інтерференції світлових променів в кристалічних структурах мінералів, а також розсіюванням, заломленням, повним внутрішнім відбиттям білого світла, з особливостями будови мінеральних індивідів (закономірне повторення фаз різного складу в іризуючих сонячних і місячних різновидностях польових шпатів), глобулярної будови атомів, наявності органічних домішок в перлах, утворення іризуючих плівок на поверхні зерен або кристалів в результаті їх окислення та ін.
Вивчення та визначення забарвлення в лабораторних умовах проводиться шляхом одержання кривих спектрального поглинання, при якому фіксується поглинання відповідних ліній головніших хромофорів з певною довжиною хвиль. Для візуального визначення кольорів мінералів рекомендується користуватися нижче наведеною шкалою забарвлення, яка включає 11 мінералів-еталонів (табл. 2.7).
За характером забарвлення мінеральних індивідів або агрегатів виділяють: однорідне забарвлення (пірит), зональне (малахіт), п’ятнисте (галіт) та ін.
Таблиця 2.7 - Шкала основних кольорів мінералів
| № п/п | Колір | Типовий мінерал |
| Водяно-прозорий | Гірський кришталь | |
| Білий | Каолін | |
| Свинцево-сірий | Галеніт | |
| Бурий | Гематит | |
| Червоний | Кіновар | |
| Мідно-червоний | Самородна мідь | |
| Фіолетовий | Флюорит | |
| Зелений | Малахіт | |
| Жовтий | Сірка | |
| Латунно- жовтий | Піротин | |
| Залізисто- чорний | Магнетит |
При визначенні природи забарвлення мінералів у штуфах, кристалах або зернах необхідно відрізняти первинне забарвлення, яке виникає в процесі їх формування і вторинне, яке виникає в процесі вторинної зміни мінералу. Так первинне темно – зелене забарвлення рогової обманки, що обумовлене входженням її в структуру хромофору Fe2+ в Fe3+ .Визначення забарвлення мінералів проводиться візуально.
Колір риси
Колір риси – являє собою колір мінералу в порошку. Багато мінералів в розтертому стані мають інший колір, ніж у монолітніх зразках. Порошок можна одержати, проводячи куском мінералу по більш шорсткій поверхні фарфорової пластинки при умові, що твердість його менша від твердості фарфору. Якщо твердість мінералу вища твердості фарфору, то мінерал утворює на фарфорі подряпину.
Колір риси – важлива діагностична ознака цілого ряду мінералів. Так гематит, лимоніт і магнетит в зразках мають майже однаковий колір і їх можна розрізнити тільки по іншому кольору риси – відповідно червоному, жовтому або чорному.
Блиск
Блиск також є важливою діагностичною ознакою мінералів. Він залежить від показника заломлення мінералу і його здатності відбивати від своєї поверхні світло. Показник відбиття світла (блиск) в мінералах визначається в процентах і змінюється від 1% в озокериті до 95% в полірованому самородному сріблі. Для визначення типу блиску рекомендується користуватися нижче наведеною шкалою (табл. 2.8).
Для визначення блиску необхідно враховувати характер поверхні мінералу, величину і форму його зерен, оскільки ці фактори призводять до специфічних блисків: жирного – для тонкозернистих світло забарвлених і білих мінералів; смолистого – для темно забарвлених мінералів; матового – для тонко дисперсних мінералів; шовковистого – для волокнистих мінералів; перламутрового – для лускуватих мінералів і інше. Визначення типу блиску проводиться візуально. Характер поверхні мінералу рекомендується продивитись під бінокулярним мікроскопом.
Теплопровідність
Теплопровідність – це швидкість поширення теплоти в мінеральному індивіді або агрегаті. Швидкість і напрям поширення тепла в мінералі залежить від кристалічної структури, типу зв’язку, розміру іонних радіусів, симетрії тощо. При вивченні і визначенні теплопровідності мінералів необхідно пам’ятати, що величина теплопровідності в значній мірі залежить від хімічного складу мінералу.
Таблиця 2.8 - Основні типи блисків мінералів та їх характеристика
| Тип блиску | Показники заломлення, % | Показники відбиття, % | Характерні мінерали | Значення N | Значення R |
| Скляний | 1,3-1,9 | 4-10 | Флюорит Кварц Корунд Гранати | 1,43 1,54 1,76 1,76-1,89 | 3,1 4,5 7,8 7,6-9,5 |
| Алмазний | 1,9-2,6 | 10-19 | Циркон Каситерит Сфалерит Алмаз | 1,95 2,00 2,37 2,42 | 10,2 11,7 16,5 17,2 |
| Напівметалевий | 2,6-3,0 | 19-25 | Колумбіт Кіновар Гематит | 2,45 2,85 3,00 | 17,4 23,1 25,0 |
| Металевий | >3,0 | >25 | Антимоніт Молібденіт | 4,05 4,70 | 36,0 42,0 |
Швидкість поширення тепла рекомендується визначати на добре розвинутих кристалах. Для цього грані кристалу покриваються тонким шаром розплавленого парафіну або воску. Після цього кінцем нагрітої голки необхідно доторкнутися до центру кожної грані. Теплота голки передається на поверню плоскої сітки і поширюється в різні сторони, розплавляючи віск або парафін і утворюючи фігуру плавлення різної конфігурації.
Магнітність
Магнітність – властивість мінералів взаємодіяти з магнітним полем. Магнітність визначається магнітними властивостями атомів, іонів і молекул, які складають мінерал, і його структурою. По суті всі мінерали можуть намагнічуватися в магнітному полі. Однак, найбільш здатними до намагнічування є мінерали, до складу яких входять атоми, що мають власний магнітний момент, обумовлений наявністю в них неспарених електронів. Це Fe3+, Fe2+, Mn4+, Mn3+, Cr3+, Co2+, Ni2+, Cu2+ та інше.
Визначення магнітності проводиться за допомогою магнітної стрілки. Якщо ж необхідно визначити величину магнітної сприйнятливості, то користуються магнітними вагами - вагою Калашнікова та ін.
Радіоактивність
Радіоактивність – це властивість мінералів випромінювати a, b і g- частинки при радіоактивному розпаді деяких елементів U, Th, K, Cs, та їх ізотопів. По величині радіоактивного випромінювання всі мінерали діляться на три класи: 1 – сильно радіоактивні; 2 – слабо радіоактивні; 3 – нерадіоактивні. До складу сильно радіоактивних мінералів входять в основному уран і торій. До складу слабо радіоактивних мінералів входять калій, цезій та ін.
Горючість
Горючість – властивість мінералів вільно горіти в атмосфері. Переважно випробування на горючість проводять в полум’ї спиртівки. Для цього невеликий кусочок визначального мінералу закріплюється в пінцеті і поміщується в найбільш гарячу частину полум'я. Якщо мінерал загориться, то випробування закінчують, вважаючи мінерал горючим. У випадку, якщо мінерал не загориться після перебування в полум’ї 5-6 хв., його вважають негорючим. При вивченні мінералів на горючість рекомендується провести випробування із самородною сіркою (горить синім полум’ям із виділенням сірчистого газу) і озокеритом (горить жовтим полум’ям із виділенням кіптяви).
Розчинність
Розчинність – здатність мінералів розчинятися у воді або інших рідинах. За ступенем і швидкістю розчинення мінерали діляться на чотири класи: легкорозчинні, розчинні, слабо розчинні і нерозчинні (табл. 2.9).
Таблиця 2.9 - Ступінь розчинності деяких мінералів
| Ступінь розчинності | Розчинник | Температура | Типові мінерали |
| Легко розчинні | Вода Хлороформ | Без підігріву Без підігріву | Галіт, сильвін, корналіт Парафін, озокерит |
| Розчинні | Бензол Вода Соляна кислота | Без підігріву З підігрівом | Янтар Гіпс Ангідрит |
| Слабо розчинні | Вода Соляна кислота | Без підігріву З підігрівом | Ангідрит Магнезит |
| Нерозчинні | Вода | З і без підігріву | Кварц |
Швидкість і величина розчинності залежить від ряду факторів, головним з яких є температура. Таким чином, при визначенні розчинності мінералів, рекомендується проводити її як при кімнатній температурі розчинника, так і при його підігріві в скляній пробірці на спиртівці або газовому пальнику.
Розкладання
Розкладання – здатність деяких мінералів розкладатися в кислотах або інших хімічно активних речовинах із виділенням в атмосферу деяких компонентів (табл. 2.10).
Для визначення розкладання мінерал необхідно розтовкти в порошок, висипати в пробірку і залити відповідною кислотою. При такій методиці ступінь розкладання мінералу можна визначити як при кімнатній температурі. Так і при підігріві. Підігрів проводиться на газовому пальнику або в полу-
Таблиця 2.10 - Найбільш характерні реакції розкладання деяких мінералів в різних кислотах
| Назва кислоти, в якій розкладається мінерал | Назва мінералу | Виділяє | З підігрівом або без підігріву |
| HCl | Кальцит Анортит Малахіт Магнезит Сфалерит | СО2 СО2 СО2 СО2 Н2S | Без підігріву З підігрівом Без підігріву З підігрівом З підігрівом |
| HNO3 | Сфалерит Галеніт | S S | З підігрівом З підігрівом |
м’ї спиртівки. Одночасно з визначенням ступеню розкладання проводиться визначення виділених газів. Так, виділення H2S супроводжується запахом “затхлих яєць”, розкладання миш’якових мінералів – запахом часнику та ін.
Смак
Смак – це здатність впливу мінералу на смаковий органолептичний апарат людини. Більшість мінералів не мають смаку, але для деяких характерним є специфічний смак. Особливо це відноситься до розчинних мінералів. По смаку виділяють солені (галіт), гірко-солені (карналіт) і пекучо-солені (сильвін) мінерали. Визначення смаку проводиться доторканням до мінералів кінчиком язика.
