О свойствах минералов.
Плотность оксигидроксидов алюминия АЮ(ОН) — бёмита и диаспора — равна соответственно 3,0—3,1 и 3,3—3,5. При одинаковом в октаэдрах А1(О, ОН)6 — диаспор имеет довольно плотную цепную (точнее, ленточную) структуру, а бёмит — более "рыхлую" слоистую (точнее, слоисто-молекулярную), с ослабленными связями между слоями-молекулами; отсюда и различия в плотности.
В ряду полиморфов Al2SiQ5 андалузит (плотность 3,1— 3,2) — силлиманит (3,2) — кианит (3,5—3,6) половина атомов AI в структуре всегда имеет КЧ=6; в кианите и у второй половины их тоже КЧ=6, но в анадалузите оно равно 5, а в алюмосиликате силлиманите Al(AlSiO5) — 4. Этим объясняется заметно более высокая плотность кианита по сравнению с двумя другими полиморфами.
Если рассмотреть структуру всех трех минералов на основе единой плотнейшей кубической упаковки атомов кислорода, то в ряду кианит—андалузит—силлиманит в ней будет наблюдаться увеличение числа свободных вакансий, связанное с частичным изменением КЧА1 и отражающее разуплотнение структуры, что непосредственно сказывается на плотности минералов.
Кварц SiO2 (его низкотемпературная модификация, три-гональный а-кварц) при одновременном воздействии высоких давлений (что особенно существенно) и температур переходит в моноклинный коэсит, имеющий так же, как и кварц, каркасную структуру с K4Si=4, но несколько уплотненную за счет лучшей упаковки (кладки) кремнекислород-ных тетраэдров SiO4; соответственно плотность возрастает от 2,65 у сс-кварца до 2,91-2,93 у коэсита. Дальнейшее повышение давления (до весьма больших значений) и температуры вызывает резкое изменение и уплотнение структуры SiO2 с переходом в тетрагональный стишовит, относящийся уже к структурному типу рутила; в нем K4Si=6 и соответственно его плотность — 4,28—4,35. Полученные вначале искусственно, оба минерала — коэсит и стишовит — были затем найдены в природе — в метеоритных кратерах, или астроб-лемах, возникших от удара метеоритов о земную поверхность, при котором горные породы испытывают ударный метаморфизм — кратковременное воздействие очень высоких давлений и температур.
Влияние координационного числа на плотность минералов наглядно иллюстрируется двумя парами минералов: сульфидами сфалерит ZnS — троилит FeS и галогенидами бромаргирит AgBr — йодаргирит Agl. Хотя размеры ионов Zn2+ и Fe2+ близки, а атомная масса Zn намного больше, чем Fe, и структурный мотив обоих минералов одинаков (координационный), плотность сфалерита (4,0) значительно ниже, чем троилита (4,8), поскольку в структурном типе сфалерита K4Zn=4, а в структуре троилита K4Fe=6 (структурный тип никелина). Пример второй пары демонстрирует существенное влияние КЧ (в данном случае и катионов, и анионов) на плотность даже таких тяжелых минералов как галогениды серебра. Плотность бромаргирита — 6,4, йодаргирита — 5,7, несмотря на то, что по атомной маcсе йод гораздо тяжелее брома (правда, ион 1~ крупнее, чем Вг~); структурный мотив в обоих случаях координационный, но бромаргирит относится к структурному типу гали-та с K4Ag=K4Br=6, тогда как йодаргирит — к структурному типу вюртцита с K4Ag=K4]=4.
А вот плотность двух полиморфных модификаций ZnS — кубической (сфалерита) и гексагональной (вюртцита) практически одинакова, хотя они принадлежат разным структурным типам: в основе структурного типа сфалерита — кубическая плотнейшая упаковка атомов серы, в основе структурного типа вюртцита — гексагональная. Но в обоих структурных типах K4Zn=K4s=4, чем и обусловлено постоянство плотности. Число подобных примеров легко умножить, но и приведенных достаточно.
Еще один фактор, оказывающий существенное влияние на плотность, — переход минералов (как правило, под воздействием радиоактивности) в метамиктное состояние.. Плотность метамиктных (рентгеноаморфньгх) минералов, в том числе большинства минералов, содержащих уран и/или торий, оказывается значительно ниже плотности их кристаллических аналогов (и ниже теоретической, расчетной). Вероятно, гидратация (сорбция воды), обычно сопровождающая метамиктизацию минералов, вносит весомыю вклад в уменьшение плотности, но и само по себе разрушение кристаллической структуры под воздействием ионизирующего излучения, т.е. собственно переход в метамиктное состояние, играет важную роль, действуя в том же направлении.
В минералогической практике принято подразделять все минералы по плотности на две большие группы, соответствующие двум фракциям, выделяемым при подготовке шлихов и протолочек (дробленых проб горных пород и руд) к минералогическому анализу. Обе фракции получаются путем разделения проб в тяжелых органических жидкостях; чаще всего для этой цели используется бромоформ (трибром-метан) СНВг3, имеющий при комнатной температуре плотность 2,892 (а с добавками спирта и бензола — 2,88). Минералы с более высокой плотностью тонут в бромоформе, с меньшей — всплывают. Соответственно вторые (с плотностью ниже 2,9) составляют легкую фракцию, первые — тяжелую фракцию. Большинство светлых породообразующих минералов таких, как кварц, полевые шпаты, нефелин, цеолиты и пр., входят в состав легкой фракции, которая поэтому всегда окрашена в светлые тона. Цветные минералы гор- ных пород — биотит, амфиболы, пироксены, оливин, эпи-дот, турмалин и др. — оказываются в тяжелой фракции, обычно имеющей темную окраску; туда же попадают в основном акцессорные минералы. В тяжелой фракции концентрируется и большинство рудных минералов. Дальнейшее, более дробное разделение тяжелой фракции по плотности производится с помощью других, более тяжелых жидкостей, таких, как жидкость Туле (водный раствор тет-раиодомеркурата калия К2 [Hgl4] с плотностью 3,196), дийодметан (прежние названия — йодистый метилен, мети-ленйодид) СН212 с плотностью 3,324—3,325 и жидкость Кле-ричи — водный раствор малоната и формиата таллия СН2(СООТ!)2 и НСООТ1 с плотностью 4,25 (возрастающей с повышением температуры). Особенно удобна самая тяжелая жидкость Клеричи, хорошо смешивающаяся с водой, что позволяет достичь любых желаемых (промежуточных) значений плотности. Однако эта жидкость весьма токсична; впрочем, токсична (хотя и в меньшей степени) также жидкость Туле, а пары бромоформа и дийодметана раздражают дыхательные пути и слизистые оболочки, оказывают наркотическое и снотворное действие. Поэтому оперировать тяжелыми жидкостями следует с большой осторожностью, в хорошо вентилируемых помещениях (лучше всего — под тягой, т.е. в вытяжных шкафах) или на открытом воздухе. Те же тяжелые жидкости служат и для ориентировочного определения плотности минералов. Более точное ее измерение производится путем гидростатического взвешивания (например, на весах Вестфаля) или с помощью пикнометра; а если в распоряжении исследователя имеется очень малое количество минерала (несколько чисто отобранных мелких зерен), то применяется микрометод Руденко-Василевского: плотность измеряется по скорости падения частиц минерала в мерной бюретке, заполненной жидкостью с известной плотностью и закрепленной на штативе перед горизонтально ориентированным тубусом микроскопа, с помощью которого считыва-ются деления на бюретке; время отсчитывается по часам с секундной стрелкой.
Плотность минералов может быть вычислена теоретически; для этого необходимо иметь рентгеновские данные о параметрах элементарной ячейки минерала, располагать его полным химическим анализом и знать число формульных единиц (Z) в э.я. Надо сказать, что теоретическое (расчетное) и экспериментальное (измеренное) значения плотности, как правило, несколько расходятся, так как в реальных минералах обычно присутствуют различные примеси, микровключения, дефекты, дислокации, отклонения от стехиометрии и прочие проявления микронеоднородности или несовершенства структуры. По той же причине могут варьировать и измеренные значения плотности одного минерального вида, вследствие чего для многих минералов в справочниках приводятся интервальные оценки плотности; интервал обычно составляет п* 10~2г/см3 и, как правило, не превышает 0,1—0,2 г/см3, но иногда (преимущественно у минералов переменного состава) достигает 0,5—1,0 г/см3 .
<1> <2> <3> <4> <5> <6> <7> <8> <9> <10> <11> <12> <13> <14> <15> <16> <17> <18> <19> <20> <21> <22> <23> <24> <25> <26> <27>