Оптические свойства минералов
Оптические свойства относятся к числу наиболее важных диагностических признаков. На них основана методика определения минералов под микроскопом и макроскопически. Световой луч, падая на поверхность минерала, частично отражается от неё, частично преломляется или поглощается минералом. С этими свойствами в минералах связаны явления светопреломления, светоотражения, светопоглащения, цвета минералов и люминесценция.
1. Светопреломление – способность минерала изменять ход световых лучей, обусловленная различными скоростями распространения света в воздухе и в минерале. Проявляется в прозрачных и полупрозрачных минералах.
В разных направлениях минерала скорость распространения может быть разной или наоборот одинаковой. В первом случае такие минералы называются оптически анизотропными, к ним относятся минералы средней и низшей категории сингоний. Во втором случае – оптически изотропными, к ним относятся минералы кубической сингонии или аморфные минералы.
Величина отклонения светового луча в минерале является величиной безразмерной, постоянной и определяется показателем преломления (n), который рассчитывается по формуле:
n = sin α / sin β (угол падения / угол отражения).
Явление светопреломления минералов используется в микроскопах при диагностике минералов в шлифах или шлиховых минералов, в лазерах (рубин, флюорит, кальцит, исландский шпат).
2. Светоотражение – способность минерала отражать часть световых лучей (блеск).
Следует различать блеск, принадлежащий зеркально гладким поверхностям индивидов, и блеск, принадлежащий агрегатам.
В первом случае блеск определяется на гранях или плоскостях спайности минерала. Выделяют следующие основные виды блесков:
2) алмазный(циркон, сфалерит),
3) полуметаллический (киноварь, ильменит),
4) металлический(пирит, халькопирит),
В агрегатах и на неровных поверхностях минералов различают следующие разновидности блесков (отливы) :
1) шелковистый отлив – обусловлен параллельно-волокнистыми агрегатами минерала (хризотил-асбест, селенит),
2) перламутровый отлив – характерен для минералов со слоистым строением агрегатов и весьма совершенной спайностью (мусковит, арагонит),
3) матовый блеск – наблюдается у мелкозернистых агрегатов с грубой неровной поверхностью (пиролюзит, кальцит в известняке),
4) восковой блеск – наблюдается у тонкодисперсных агрегатов минералов (глинистые минералы),
5) жирный блеск – отмечается на сколах светлоокрашенных минералов со стеклянным блеском (кварц, нефелин),
6) смолистый блеск – отмечается на сколах тёмноокрашенных минералов (гидрогётит, ильменит).
Для количественной характеристики силы отражательной способности минерала используется безразмерная величина – коэффициент отражения (R), рассчитывается по формуле:
R = Yo/Yp*100 (%),
где R – коэффициент отражения, Yo – отраженный световой поток, Yp – общий световой поток.
Самый высокий коэффициент отражения у самородных металлов:
RAg = 98 %, RAu = 86 %.
Между двумя оптическими параметрами – показателем преломления (n) и коэффициентом отражения (R) существует следующая зависимость:
n = 1,3-1,9; R = 2-10 % – стеклянный блеск;
n = 1,9-2,5; R = 10-19 % – алмазный блеск;
n = 2,5-3,0; R = 19-25 % – полуметаллический;
3. Светопоглощение – способность минерала пропускать или задерживать световой луч. Зависит от химического состава, строения кристаллической решетки минерала и механических примесей в нём.
По величине показателя поглощения света все минералы делятся на:
1) прозрачные (горный хрусталь, алмаз),
2) полупрозрачные(флюорит, сфалерит),
3) непрозрачные (пирит, марказит, ильменит).
В природе часто наблюдаются постепенные переходы от прозрачных разностей к непрозрачным. Они вызываются изменением химического состава.
Как правило, среди прозрачных минералов не наблюдается полуметаллического блеска, а среди непрозрачных – алмазного.
4. Цвет минерала – способность минерала поглощать свет определенной длины волны, в результате чего прошедший через минерал световой поток, лишившийся ряда волн, окрашивает минерал в тот или иной цвет. Он является важнейшим диагностическим свойством и нередко определяет практическую ценность ряда минералов. Например: ювелирные камни – изумруд, сапфир, александрит.
Минералы глубинного происхождения, возникающие при высоких температурах, характеризуются тёмным цветом (чёрный – ильменит, тёмно-зелёный – роговая обманка, буро-зелёный – энстатит, зелёный – оливин и т.д.), тогда как минералы, образующиеся вблизи поверхности земли и на ней, при низких температурах, обычно светлые, прозрачные (кварц – белый, прозрачный, кальцит – молочно-белый и т.д.). Это объясняется тем, что в конце минералообразующих процессов накапливаются ионы, лишённые сильной поляризации и поэтому дающие бесцветные соединения.
Причина окраски минералов:
1) природа образующих минерал атомов и ионов;
2) их координация;
3) поляризационные свойства химических элементов;
4) тип структуры.
В. И. Севергин в 1824 г. выделил три типа окраски минералов: 1) собственная, 2) зависящая от примесей, 3) случайная, которые А. Е. Ферсман в 1936 г. назвал соответственно идиохроматической, аллохроматической и псевдохроматической окрасками.
Идиохроматическая (идиос – свой собственный, хромос – цвет, греч.) окраска, обусловленная вхождением в минерал элементов-хромофоров(красителей), которыми могут быть основные ионы металлов, или группа ионов, а также изоморфные примеси (Ti, V, Cr, Fe2+, Fe3+, Co, Ni, Cu и в меньшей степени Nb, U, Th). Например: Cr3+ — изумрудно-зеленая окраска уваровита, Fe2+ — зелёная окраска оливина, Fe3+ — бурая, красная окраска гидрогётита и гематита.
Аллохроматическая (аллос – чужой, посторонний, греч.) окраска, не свойственная самому минералу, зависит от вхождения в него механических примесей. Она изменчива и непостоянна. Например: авантюрин – буровато-красный кварц с проблесками золотистого цвета из-за включений железной слюдки (разность гематита) или серицита, празем – зеленоватый кварц с включениями иголочек актинолита или хлорита.
Псевдохроматическая(псевдо – ложный, греч.) окраска, не свойственная самому минералу, зависящая от:
а) дефектов кристаллической решетки или присутствия в минерале разноориентированных кристаллов плагиоколазов различной основности. Такое явление называется ирризация – яркий световой отлив на плоскостях спайности или гранях и наблюдается у лабрадора, олигоклаза (лунного камня);
б) образования пленки выветривания на поверхности минерала, которая придаёт минералу пёструю игру цветов. Такое явление называется побежалостью. Наблюдается у халькопирита, ильменита, вольфрамита.
5. Цвет черты – цвет минерала в порошке. Представляет собой след, оставленный минералом на фарфоровой пластинке. По сравнения с окраской минерала цвет черты является более постоянным свойством и используется для диагностики непрозрачных (рудных) и полупрозрачных минералов. Минералы с твердостью больше 7 не дают черты (твердость фарфоровой пластинки – 7). Цвет черты является характерным признаком для оксидов и сульфидов.
6. Люминесценция –оптическое излучение минерала, вызванное воздействием на минерал определённых внешних факторов (облучение, нагревание, трение, разламывание и пр.). В результате влияния этих факторов минерал приобретает новое возбужденное состояние, результатом которого является свечение минерала в видимом спектре.
По современным представлениям сущность люминесценции заключается в том, что приведённые в возбуждённое состояние электроны атомов, находясь в нестабильном состоянии, стараются перейти на более низкие электронные орбиты, т.е. вернуться в первоначальное состояние и при этом излучают часть поглощённой энергии в виде светового пучка.
Переход из возбуждённого в первоначальное состояние, сопровождаемое свечением, может осуществляться в момент воздействия внешнего возбудителя (флюоресценция – флюорит, алмаз, циркон) или в течение некоторого времени после произведённого возбуждения (фосфоресценция– фосфор).
Люминесценция, вызываемая нагреванием, получила название термолюминесценция, а облучение различными лучами – рентгенолюминесцения, катодолюминесценция, фотолюминесценция (при облучении ультрафиолетовыми лучами). Излучение, обусловленное трением и разламыванием, называют триболюминесценция(трибо – трение, греч.). Последнее явление сильно выражено у светлых разностей сфалерита.
Люминесценция зависит от присутствия в минерале элементов-люминофоров – Mn, Cr, Cd, S, Cu, Th, U. Химические элементы, препятствующие проявлению люминесценции, называются гасителями люминесценции. К ним относятся Mn+2, Fe+2, Fe+3.
Цвет.
Окраска минералов обусловлена
особенностями химического состава,
структурой минералов, наличием в них
механических примесей. Различаютидиохроматическуюокраску (от
греческих «идиос» — свой, собственный,
и «хрома» — цвет), свойственную самому
веществу минерала, иаллохроматическуюокраску (от греческого «аллос» —
посторонний), связанную с присутствием
в минералах посторонних примесей
элемента, называемого хромофором, т.е.
носителем окраски.
Идиохроматическую
окраску имеют желтое самородное золото,
красная киноварь, латунно-желтый пирит,
темно-зеленый малахит, черный магнетит,
зеленый изумруд и др. Аллохроматическая
окраска характерна для кристаллов
кварца (бесцветный горный хрусталь,
фиолетовый аметист, золотистый цитрин,
черный морион, дымчатый раухтопаз),
флюорита, каменной соли и многих других
минералов.
Некоторые
минералы меняют окраску в зависимости
от освещения. Например, на полированной
поверхности лабрадорита при некоторых
углах поворота появляются густые синие
и зеленовато-синие переливы, вызванные
присутствием тончайших пленок ильменита
в трещинах спайности плагиоклаза. Такая
окраска называется псевдохроматической(от греческого «псевдос» — ложный).
Иногда,
кроме основной окраски, минералы имеют
дополнительную окраску – побежалость,
обусловленную тонкой поверхностной
пленкой другого минерала. Побежалость
обычно бывает радужной, напоминая
окраску тонких пленок нефти на поверхности
воды.
Цвет
черты – это цвет тонкого слоя порошка
минерала, остающегося на поверхности
неглазурованной фарфоровой пластинке,
если по ней провести минералом. Цвет
черты является более надежным признаком
по сравнению с окраской минерала (черная
черта у черного магнетита, красная – у
красной киновари). Чаще цвет черты
отличается от цвета минерала. Так, у
черного гематита черта вишнево-красная,
а у латунно-желтого пирита – черная и
т.д.
Блеск.
При отражении световых лучей от
поверхности минерала последние
приобретают характерный для них блеск,
который определяется показателем
преломления минерала и коэффициентом
поглощениях им света. По характеру
блеска минералы делятся на две группы.
1. Минералы
с металлическим блеском, напоминающим
блеск полированной поверхности металла.
Такой блеск характерен для непрозрачных
минералов с высокой отражательной
способностью. К ним относятся самородные
металлы, в также пирит, молибденит и др.
К этой же группе относятся минералы,
обладающиеметалловиднымилиполуметаллическим блеском,
напоминающим блеск потускневшего
металла. Полуметаллический блеск имеют
магнетит, гематит, ильменит, графит,
киноварь и др.
Рис.
2.11. Минералы с металлическим и металлоидным
блескои
2. Минералы
с неметаллическим блеском. Здесь
выделяются несколько разновидностей
блеска, свойственных тем или иным
минералам:
стеклянный– горный хрусталь, кальцит, лед, флюорит;
алмазный– циркон, касситерит, сфалерит, алмаз;
перламутровый
– тальк, гипс, мусковит;
жирный
– сера, нефелин, галит (каменная соль);
шелковистый– гипс-селенит, хризотил-асбест;
матовый– каолинит, пиролюзит, аморфный магнезит.
Рис.
2.11. Минералы с неметаллическим блеском
Прозрачность.
Прозрачностью называется способность
минералов пропускать через себя световые
лучи. По степени прозрачности минералы
делятся на:
прозрачные
– горный хрусталь, топаз, исландский
шпат;
полупрозрачные
– гипс, изумруд, сфалерит;
непрозрачные
– пирит, магнетит, галенит, графит и др.
Спайность– свойство минералов раскалываться по
определенным направлениям с образованием
ровных блестящих плоскостей. По степени
совершенства различают следующие виды
спайности:
весьма
совершенная– минералы легко
расщепляются на тонкие листы, чешуйки,
ограниченные зеркально-гладкими
блестящими поверхностями (тальк,
мусковит, биотит, гипс);
совершенная
– минералы раскалываются на обломки,
ограниченные плоскостями спайности,
причем отбитые кусочки внешне напоминают
кристаллы (галенит, кальцит, галит);
средняя– минералы раскалываются на обломки,
ограниченные как плоскостями спайности,
так и неровными поверхностями излома
по случайным направлениям (полевые
шпаты, амфиболы, пироксены);
несовершенная– минералы раскалываются на обломки,
ограниченные неровными поверхностями,
а спайность обнаруживается с трудом
(оливин, сера, халькопирит, гематит,
касситерит);
весьма
несовершенная– минералы раскалываются
по неопределенным направлениям и дают
неправильные поверхности излома
(магнетит, золото, платина).
Рис.
2.1.3 Спайность минералов
Излом.
Изломом называются неровные поверхности
раскола минерала. Различают несколько
видов излома:
раковистый
излом– похожий на внутреннюю
поверхность раковины с концентрически
расходящимися ребрами (опал, кварц);
занозистый
излом– характерен для игольчатых
или волокнистых минералов (асбест,
селенит);
землистый
излом– свойственен землистым
агрегатам минералов, имеющих шероховатую,
матовую поверхности скола (каолинит,
гëтит, пиролюзит);
зернистый
излом– на поверхности излома отчетливо
видны отдельные зерна, слагающие агрегат
(хромит, магнетит);
неровный
излом– поверхность раскола неровная
(апатит).
Твердость. Под твердостью минерала подразумевается
степень его сопротивляемости внешним
механическим воздействиям. Твердость
определяется царапанием по свежей,
невыветрелой поверхности испытуемого
минерала другим минералом или предметом,
твердость которых известна. Эталонами
твердости приняты десять минералов,
входящих в шкалу Мооса2:
Рис.
2.14. Шкала твердости Мооса
Твердость
минералов по шкале условно обозначена
целями числами, не соответствующими
действительной твердости указанных
минералов. Так, например, твердость
алмаза по шкале Мооса равна 10, кварца –
7, а талька – 1. На самом деле алмаз тверже
талька в 3500 раз, а кварца – в 1150 раз.
Для
определения твердости какого-либо
минерала устанавливают, какой из
эталонных минералов он царапает последним
по порядку. Например, если исследуемый
минерал оставляет царапину на кальците,
но сам царапается флюоритом, то его
твердость 3,5.
Относительную
твердость минералов можно определить,
не имея минералов, приведенных в шкале
Мооса. Так, минералы с твердостью 1 – 2
чертятся ногтем, минералы с твердостью
3 царапаются медной монетой, 4 – царапаются
железным гвоздем, 5,5 – 6 – стальным
ножом, иглой.
Плотность.
По плотности минералы делятся на три
группы:
легкие
– плотность менее 2-2,5 г/см3,
(гипс, сера, галит);
средние
– плотность от 2,5 до 4,0 г/см3(силикаты, карбонаты, кварц);
тяжелые– плотность более 4,0 г/см3(барит,
гематит, самородные металлы).
Для
минералов, в состав которых входят
тяжелые металлы, высокая плотность
является существенным диагностическим
признаком.
Кроме
выше перечисленных свойств, некоторые
минералы обладают магнитностью,
радиоактивностью, ковкостьюиупругостью. Поваренная соль (NaCl)
обладаетсоленым вкусом; исландский
шпат (CaCO3) имеет
двойное лучепреломление.
Магнитность.
Магнитность минерала определяется
путем притягивания магнитом или его
способностью воздействовать на магнитную
стрелку компаса. Магнитностью обладают
сравнительно небольшое количество
минералов, в состав которых входят
железо, кобальт, никель, марганец
(магнетит, титаномагнетит, пирротин,
железистая платина).
Кроме
физических свойств минералов, для их
определения в полевых условиях
используются и некоторые химические
свойства, к которым можно отнести:
растворимость в воде (галит, сильвин),
вскипание под действием разбавленной
соляной кислоты (кальцит, доломит в
тонком порошке) и др.
Классификация
минералов. Одна из распространенных
классификация минералов на основе
структурных и химических признаков
разработана академиком А. Г. Бетехтиным.
В ней все минералы неорганического
происхождения группируются в следующие
классы: самородные элементы, сернистые
соединения (сульфиды), галоидные
соединения, окислы и гидраты окислов,
соли кислородных солей (карбонаты,
сульфаты, фосфаты, силикаты и др).
Представители минералов различных
классов представлены вприложении
Г.
1.
Самородные элементы и интерметаллические
соединения. В настоящее время
известно около 30 элементов в самородном
состоянии, подразделяющиеся наметаллы(золото Au, платинаPt,
сереброAg, медьCu);полуметаллы(мышьякAs,
сурьмаSb);неметаллы(сераS, графитC,
алмазC).
2.
Сульфиды и их аналоги. Сульфидами
называют соединения химических элементов
(в основном металлов) с серой. Сульфиды
представляют особый интерес как руды
цветных металлов и часто как носители
золота. Большинство сульфидов образуется
из горячих водных (гидротермальных)
растворов. Некоторые сульфиды могут
кристаллизоваться из магмы, другие
имеют осадочное происхождение. Например,
вместе с магматическими расплавами
поднялись вверх скопления сульфидов
железа, меди и никеля вблизи Норильска.
Сенсацией стало открытие в рифтовых
зонах океана так называемых «черных
курильщиков» – бьющих из трещин на
дне горячих источников, вокруг которых
вырастают конуса из сульфидных минералов.
В земной коре наиболее широко распространены
сульфиды железа (пиритFeS2) –
серный колчедан, меди (халькопиритСиFеS2), свинца
(галенитРbS), цинка (сфалеритZпS) и некоторые другие.
3.
Галогениды. Класс представлен более
чем 100 минералами – солями галогеноводородных
кислот – HF,HCl,HBr,HI. Шире всего распространены
хлориды Na, K и Mg:галитNaCl;сильвинKCl;карналлитMgCl2∙KCl∙6H2O;
фториды Сa, Na иAl, например,флюоритCaF2.
4. Оксиды и гидроксиды. Минералы
этого класса очень широко распространены
в природе и насчитывают около 200 минералов
оксидов и гидроксидов металлов и реже
полуметаллов, составляющих по массе 5%
литосферы. Особенно развит свободный
кремнезем SiO2–кварци его
многочисленные разновидности,опалSiO2⋅nН2О
и другие, всегда тесно связанные с
силикатами. В глубоких частях земной
коры образуются оксиды Fe, Ti, Ta, Nb, Al, Cr,
Sn, U и другие.
В
класс оксидов попадают важные рудные
минералы: гематитFe2O3,магнетитFe2+Fe23+O4,пиролюзитMnO2,касситерит
SnO2,рутилTiO2,хромитFeCr2O4,ильменитFeTiO3,уранинитUO2, а из гидрооксидов
–бруситMg (OH)2,гётитHFеO2,гидрогётитHFeO2∙nH2O,гиббситAl(OH)3.
Оптические свойства
минералов: цвет, цвет черты, прозрачность
и блеск, определяются визуально.
Цвет
– наиболее яркое и первое свойство,
которое бросается в глаза. Для многих
минералов он непостоянен. Природа
окраски минералов описана в параграфе
2.2.3. пособия 8. Важно помнить, что цвет
также зависит от размера кристаллов и
количества разных примесей в них. Так
у более крупных кристаллов окраска
более насыщенная, чем у мелких кристаллов;
у агрегатов – еще более темная и
разнообразная.
Рис.
1. Морфология кристаллов: 1, 2 – изометричные
кристаллы — октаэдры алмаза
и магнетита
; 3, 4 – изометричные кристаллы пирита
– пентагондодекаэдр
и гексаэдр (или
куба, 4); 5 – столбчатые кристаллы берилла
в виде комбинации гексагональной призмы,
пирамид и пинакоидов; 6 – столбчатые
кристаллы кварца (горного хрусталя) в
виде комбинации тригональных призм и
пирамид; 7 – сростки (агрегат) крупных
и гигантских чешуйчатых кристаллов
слюды; 8 – агрегат гигантских чешуйчатых
кристаллов благородного талька
По цвету выделяют
две основные группы минералов: светлые
и темные. К
светлым
породообразующим минералам
относятся галит, гипс, кальцит, доломит,
ангидрит, кварц и опал, все полевые
шпаты, нефелин и некоторые другие. В
целом перечисленные минералы имеют
светлую окраску с разными оттенками,
часто серую до почти черной за счет
примеси углистого вещества. Их окраска
зависит часто от наличия механических
примесей – своеобразных «заноз» других
минералов, или дефектов кристаллической
решетки. Например, лабрадор имеет
темно-серый до черного цвет и иризацию
(серо-синюю игру цвета при наклоне
образцов) за счет механических примесей
мелких кристалликов темных пироксенов
– авгита.
К темным
породообразующим минералам
относятся авгит, роговая обманка, слюды,
оливин, серпентин и многие другие
силикаты. Их окраска зависит, прежде
всего, от наличия ионов железа различной
валентности, концентрации и разного
положения (координации) в кристаллической
решетки. Другими наиболее распространенными
хромофорами в минералах являются
марганец,
хром, медь, никель и кобальт.
Цвет черты
– цвет тонкого порошка минерала, который
он оставляет на фарфоровой пластинке
– бисквите. Этот свойство минерала
легко определить, проводя испытуемым
минералом черту по шероховатой, непокрытой
глазурью поверхности фарфора. Цвет
черты является наиболее постоянной
характеристикой минерала.
По цвету черты
различаются многие железосодержащие
минералы: красный железняк (гематит)
дает вишнево-красную черту, бурый
железняк (лимонит) – бурую и желтую,
магнитный железняк (магнетит) – черную,
авгит и роговая обманка – зеленоватую
черту. Светлые минералы имеют светлую
черту. Твердость бисквита около 5,5,
соответственно черту оставляют минералы
с меньшей твердостью. Минералы с
относительной твердостью более 6 царапают
фарфоровую пластинку и не имеют цвета
черты.
Прозрачность
– способность минерала пропускать свет
через тонкие пластинки и сколы. Различают
прозрачные (горный хрусталь, мусковит,
исландский шпат), полупрозрачные
(сфалерит, киноварь, гипс, халцедон) и
непрозрачные (магнетит, пирит, графит)
минералы. Таким образом, прозрачность
можно увидеть на тонких сколах.
Блеск
– способность минерала отражать своей
поверхностью свет в различной степени.
Для многих минералов характерен
неметаллический
стеклянный
блеск, который напоминает блеск стекла.
Такой блеск имеют обычно светлые
прозрачные и полупрозрачные минералы
со светлой чертой: флюорит, кварц,
ангидрит, галит, карбонаты: кальцит,
доломит и другие. Они падающий свет в
основном поглощают. У минералов с
неметаллическим
блеском
различают шелковистый (асбест,
гипс-селенит), жирный (тальк, нефелин и
в отдельных местах кварц), матовый
(каолин, лимонит), восковой (кремень,
тальк), перламутровый (тальк, мусковит,
пластинчатый гипс), алмазный (алмаз,
циркон, сфалерит) и другие разновидности
блеска. Полуметаллический
и металлический
блеск имеют полупрозрачные и непрозрачные
минералы обязательно с темной чертой.
Минералы с металлическим блеском
напоминают блеск гладкой поверхности
металла, то есть падающий свет они
отражают.
Таким образом, для
определения блеска следует внимательно
присмотреться к минералу и провести по
бисквиту для определения цвета черты.
