Раздел 4. Современные проблемы минералогии и петрографии.
Тема 4.1.Современные проблемы минералогии и петрографии.
Знать:
очередные проблемы минералогии и петрографии, теоретические предпосылки для применения новых методов исследования. Развитие комплекса исследований направленных на повышение интенсификации использования недр.
Очередные проблемы минералогии и петрографии в связи с задачами изучения земной коры и установлением закономерностей размещения месторождений полезных ископаемых.
Задачи минералогических исследований и тенденции их развития. Теоретические предпосылки для применения новых методов исследования. Основные направления минералогических исследований. Изучение свойств и распространенности минералов с целью использования их новых видов минерального сырья. Развитие комплекса исследований, направленных на повышение интенсификации использования недр.
Рациональное и комплексное использование минерального сырья . Задачи технологической минералогии. Синтетические ювелирные камни. Развитие исследований по генетической минералогии.
Мероприятия по усилению охраны природы и улучшению использования природных ресурсов.
Литература Основная
Миловский А.В. Минералогия и петрография. М: Недра, 1985г.
Дополнительная
Белоусова О.И., Михеева В.В. Общий курс петрографии, М.; Недра, 1972г.
Бетехтин А.Г. Минералогия, М.: Госгеотехиздат, 1961г.
Годовиков А.А. Минералогия, М.: Недра, 1983г.
Емельяненко П.Ф., Яковлева Е.Б. Петрография магматических и метаморфических пород. М., Изд. Моск. Унив-та, 1985г.
Логвиненко И.В. Петрография осадочных пород М.: Высшая школа, 1971г.
Магматические горные породы. М: Недра, 1989г.
Миловский А.В., Кононов О.В. Минералогия. М.: Изд. Моск. Универ-та, 1982г.
Классификация и номенклатура магматических горных пород. М.: Недра, 1981г.
Малеев Е.Ф. Вулканисты. М.: Недра, 1980г.
Смольянинов Н.А. Практическое руководство по минералогии. М.: Недра, 1982г.
Справочник по литологии. М.: Недра, 1983г.
Трусова И.Ф., Чернов В.И. Петрография магматических и метаморфических пород. М.: Недра, 1982г.
Аудиовизуальные средства и видеофильм.
Удивительные камни, Географическое общество.
В конспект лекций
Раздел I кристаллография
1.1 Свойства кристаллических веществ, основы его строения и методы исследования.
Кристаллография – наука о кристаллах. Она изучает форму, внутреннее строение, происхождение и свойства кристаллических веществ. По-гречески «кристаллос» означает «застывший на холоде». Так греки называли лед и горный хрусталь, полагая, что последний образовался так же, как и лед, при низкой температуре. Впоследствии кристаллами стали называться все твердые тела, образующиеся в природе и в лабораторных условиях и имеющие многогранную форму.
В природе хорошо ограненные кристаллы встречаются сравнительно редко; они образуются преимущественно в полых трещинах и пустотах горных пород, где они могут свободно расти. Размеры кристаллов могут быть различными. Мелкие кристаллы, имеющие ясную огранку, видны только под микроскопом, крупные могут достигать в длину 1м т более.
Поверхность кристаллов ограничена плоскостями, которые носят название граней. Места соединения граней называются ребрами, точки пересечения которых называются вершинами (рис.1).
Но в большинстве случаев кристаллические вещества не имеют ясно ограненной формы, хотя и обладают закономерным внутренним кристаллическим строением.
Кристаллические вещества чрезвычайно широко распространены в природе. Разнообразные горные породы, слагающие кору (границы, мраморы, пески, соли и др.), представлены агрегатом кристаллических зерен. Такое же строение имеют все металлы, их сплавы и большинство окружающих нас предметов.
Кристаллическим веществам присущи следующие важнейшие свойства.
1. Анизотропность (т.е. неравносвойственность).
Анизотропными называются такие тела, которые имеют одинаковые свойства в параллельных направлениях и неодинаковые – в непараллельных. Различные физические свойства кристаллов, такие, как теплопроводность, твердость, упругость, распространение света и др., изменяются с изменением направления. В противоположность анизотропным, изотропные тела имеют одинаковые свойства во всех направлениях.
2. Способность самоограняться. Этой специфической особенностью обладают только кристаллические вещества. При свободном росте кристаллы ограничиваются плоскими гранями и прямыми ребрами, принимая многогранную форму.
3. Симметрия. Симметрией называется закономерная повторяемость в расположении предметов или их частей на плоскости или в пространстве. Все кристаллы являются телами симметричными; «кристаллы блещут симметрией», - писал академик Е.С. Федоров.
Перечисленные свойства кристаллических веществ объясняются их внутренним закономерным строением. Материальные частицы (атомы, ионы, молекулы) в кристаллическом веществе размещаются не хаотично, а в определенном строгом порядке. Они расположены параллельными рядами, причем расстояние между материальными частицами в этих рядах одинаковы. Эта закономерность в строении кристаллов выражается геометрически в виде пространственной решетки, являющейся как бы скелетом (рис.2)
Рис.1 Кристаллы поваренной соли (1) и магнетита (2)
а – грани, б – ребра, в - вершины
Представить пространственную решетку можно как бесконечно большое число одинаковых по форме и размеру параллелепипедов, сдвинутых один относительно другого и сложных так, что они выполняют пространство без промежутков. Вершины параллелепипедов, в которых находятся атомы, ионы или молекулы, называются узлами пространственной решетки, а прямые линии, проведенные через них, - рядами. Любая плоскость, которая проходит через три узла пространственной решетки (не лежащих на одной прямой), называется плоской сеткой. Элементарный параллелепипед, в вершинах которого находятся узлы решетки, носит название ячейки данной пространственной решетки.
Таким образом, кристаллическое вещество имеет строго закономерное (решетчатое, или ретикулярное) внутреннее строение (от латинского слова «ретикуля» - сетка).
Отсюда можно дать и более точное определение кристалла.
Кристаллами называются твердые тела в виде многогранников, в которых слагаются их частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены закономерно, или иначе кристаллы – это твердые тела ретикулярного строения.
Структура вещества, т.е. расположение атомов в данном веществе, при сходных термодинамических условиях всегда одинакова. Это означает, например, что все кристаллы кварца SiO2 имеют одинаковое расположение атомов кремния и кислорода.
Закономерное внутреннее строение кристаллов предполагалось учеными давно. Начало этим взглядам было положено М. В. Ломоносовым и X. Гюйгенсом. В конце XVIII в. французский ученый Р. Ж Аюи высказал мысль, что составляющие, кристалл молекулы имеют форму параллелепипедов. Впоследствии эти идеи были развиты его соотечественником А. Бравэ.
С исчерпывающей полнотой на основе математического анализа теория расположения атомов в пространстве была разработана в конце прошлого века крупнейшим русским кристаллографом Е. С. Федоровым. Эта теория блестяще подтвердилась после
Рис.
2. Пространственная решетка
открытия М. Лауэ в 1912 г. дифракции рентгеновых лучей и кристаллах с последующей расшифровкой кристаллических структур.
Все важнейшие свойства кристаллических веществ являются следствием их внутреннего закономерного строения. Так, например, анизотропность кристаллов можно легко уяснить, если вести измерение, каких-либо свойств в различных направлениях. В отношении твердости это хорошо видно на примере кристалла дистена (по-гречески «ди» двояко, «стенос - сопротивляющийся): в продольном направлении твердость его равна 4,5 (по шкале Мооса), в поперечном 6.
Если кристалл покрыть тонким ровным слоем воска и дотронуться до него концом нагретой иголки или проволоки, то воск будет таять, образуя ямки таяния в виде кругов или эллипсов. В одних кристаллах на всех гранях эти ямки 6удут иметь форму круга, в других кристаллах они будут кругами и эллипсами или только эллипсами. Эллиптическая форма ямок таяния доказывает неравномерное распределение тепла по разным направлениям в кристаллах.
Особенно четко анизотропия выявляется в оптических свойствах кристаллов, на чем основан один из важнейших методов их изучения, применяемый в минералогии и петрографии.
Способность кристаллов самоограняться также является естественным следствием их внутреннего строения. Грани кристаллов соответствуют плоским сеткам, ребра - рядам, а вершины узлам пространственной решетки. Пространственная решетка имеет бесконечное множество плоских сеток, рядов и узлов. Но реальным граням кристаллов могут соответствовать лишь те плоские сетки решетки, которые имеют наибольшую ретикулярную плотность, т.е. на которых на единицу площади будет приходиться наибольшее число составляющих ее частиц (атомов или ионов). Таких плоских сеток сравнительно немного, отсюда и кристаллы имеют вполне определенное число граней.
Структура кристалла, т.е. расположение в нем отдельных частиц, является симметричной. Можно привести плоскости, по отношению к которым все слагающие кристалл частицы располагаются симметрично, можно провести также прямые линии – оси, вокруг которых эти частицы будут закономерно повторяться.
Рис. 3. Кривые охлаждения кристаллического (слева)
и аморфного (справа) вещества, а и б - точки начала и конца кристаллизации
Отсюда становится ясным, что и сам кристалл будет обладать плоскостями и осями симметрии, т.е. будет симметричным.
Все отмеченные выше свойства характерны лишь для кристаллических веществ. В аморфных веществах («аморфный» по-гречески означает «бесформенный») нет общего закономерного внутреннего строении; составляющие их частицы расположены беспорядочно, поэтому они изотропны, не обладают симметрией и не могут самоограняться. Расположение частиц в них такое же, поэтому их сравнивают с переохлажденными жидкостями. Примерами аморфных веществ могут служить стекло, пластмасса, клей, смола, затвердевшие коллоиды (гели).
Аморфные вещества в отличие от кристаллических не имеют четко выраженной температуры плавления. Наблюдая кривые охлаждения (или нагревания) кристаллических и аморфных веществ (рис. 3), можно видеть, что в первом случае имеются два резких перегиба (точка а и б), соответствующие началу и концу кристаллизации; в случае же охлаждения аморфного вещества мы имеем плавную кривую. По этому признаку можно легко отличить кристаллические вещества от аморфных.