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Propriétés physiques des minéraux I : cristaux et clivage

Physical Properties Of Minerals I: Crystals and Cleavage

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Physical Properties Of Minerals I: Crystals and Cleavage

3.3: Making a Geologic Cross Section

3.5: Physical Properties Of Minerals II: Polymineralic Analysis

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07:33 min

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April 30, 2023

Overview

Source : Laboratoire de Alan Lester – Université du Colorado Boulder

Les propriétés physiques des minéraux comprennent divers attributs mesurables et perceptibles, y compris la couleur, la strie, propriétés magnétiques, dureté, forme de croissance cristalline et clivage de cristal. Chacune de ces propriétés sont minérales spécifiques, et elles sont fondamentalement liées à d’un minéral particulier composition chimique et structure atomique.

Cette expérience porte sur deux propriétés qui en découlent principalement de répétition symétrique de groupements atomiques fondamentales, structurels, appelées cellules d’unité, au sein d’un réseau cristallin, une forme de croissance cristalline et clivage de cristal.

Forme de croissance cristalline est l’expression macroscopique de symétrie au niveau atomique, générée par le processus de croissance naturelle de l’ajout de cellules (les composantes moléculaires de minéraux) pour un réseau cristallin croissant. Zones d’unité-cellule-addition rapide deviennent les bords entre les surfaces planes, c’est-à-dire des visages, du cristal.

Il est important de reconnaître que les roches sont des regroupements de grains minéraux. La plupart des roches sont polyminérales (plusieurs sortes de grains minéraux), mais certains sont effectivement monominéraliques (composé d’un seul minéral). Étant donné que les roches sont des combinaisons des minéraux, roches ne sont pas dénommés ayant la forme cristalline. Dans certains cas, les géologues se référer aux rochers comme ayant un clivage général, mais ici, le terme est simplement utilisé pour faire référence à rupture répétitive des surfaces et n’est pas le reflet de la structure cristalline atomique. Donc, en général, le clivage de forme et de cristal de cristal termes sont utilisés en référence à des échantillons de minéraux et pas des échantillons de roche.

Principles

Tous les minéraux possèdent des propriétés physiques, mais les caractéristiques spécifiques et facilement reconnaissables, associées aux propriétés ne sont pas toujours exprimées dans un cristal individuel. Par exemple, les cristaux de quartz ont une forme hexagonale caractéristique, mais en cas de croissance cristalline dans un environnement où les autres minéraux bloque ou affecter la forme de croissance naturelle (qui est généralement le cas dans la plupart des roches) puis la forme hexagonale ne se forme pas. Donc, dans cette optique, il est important de choisir soigneusement un groupe approprié d’échantillons pour la croissance des cristaux ou analyse de cristal de clivage, que pas tous les échantillons montrent ces principales caractéristiques.

En outre, bien que le clivage cristal est relativement facile de tester — en cassant un échantillon avec un marteau — minéraux différents apportent une gamme de qualité de clivage, tels que les surfaces planes, générées par la rupture peuvent être déchiquetés et rugueux (appelés « pauvres-clivage ») ou très lisses (appelée « bon- » ou « excellent clivage »). Dans certains cas (par exemple le quartz), forces de liaison cristallographiques sont uniformes dans tous les sens, et cela se traduit par un minéral à l’absence de plans de clivage reconnaissable.

Procedure

1. créer un groupe d’échantillons de minéraux

Inclure autant de ce qui suit que possible : quartz, halite, calcite, grenat, biotite et muscovite. Certains sont choisis pour caractéristiques de croissance de cristaux et d’autres fonctionnalités de clivage cristal.

2. observer et d’analyser la forme cristalline

Placez un échantillon sur la surface de l’observation.
Faites tourner afin d’observer tous les côtés. Recherchez les faces du cristal, cristal arêtes (lignes où les faces se rencontrent) et des sommets de cristal (points où se rencontrent les bords).
Si possible, mesurer les angles interfaciales à l’aide du goniomètre. Cela se fait en portant simplement un côté du goniomètre sur un visage particulier de cristal, l’autre côté du goniomètre sur un visage attenant et en lisant ensuite l’angle.
Comparez avec l’ensemble des polyèdres cristallins caractéristiques.
Répétez les étapes 2.1 – 2.4 pour quartz (Remarque hexagonal comme forme (Figure 1)), calcite (note scalenohedron forme (Figure 2)), halite (note cube cristal forme (Figure 3)), grenat (forme de dodécaèdre Remarque (Figure 4)) et biotite (forme Pseudo-hexagonale de note (Figure 5)).

La figure 1. Quartz affichage hexagonal comme formulaire.

Figure 2. Calcite affichage Formulaire scalenohedron. Notez comment plusieurs faces du cristal se croisent sur les rebords de cristal de forme et la combinaison de points de formes bords appelés « sommets ». Formes de croissance cristalline symétrique sont générés par la répétition des structures atomiques fondamentales (cellules) dans le réseau cristallin. Dans ce cas, croissance de cristaux de calcite génère le polyèdre spécifique connu comme un scalenohedron.

La figure 3. Halite, affichage forme cristalline cubique.

La figure 4. Grenat affichage forme dodécaèdre.

La figure 5. Biotite affichage forme hexagonale Pseudo-aléatoire.

3. observer et analyser le clivage

Chaussez les lunettes de protection.
Placez un morceau de quartz sur la surface de rupture.
À l’aide d’un marteau, casser le morceau de quartz dans la moitié.
À l’aide d’une loupe, observer le morceau de quartz pour des surfaces de clivage. Notez que quartz n’en a pas. Quartz montre fracture conchoïdale, mais aucune surface clivage bien définis (Figure 6). Il s’agit d’une conséquence du fait que les cellules d’unité dans le quartz cristallin (SiO₄ groupes, appelés silice tétraédrique) ont des forces de liaison comparable égale dans toutes les directions. Cette uniformité des forces de liaison se traduit par un cristal non préféré casser des avions.
Répétez les étapes 3.2 à 3.4 pour la calcite (doit afficher le clivage rhomboédrique (Figure 7)), halite (doit afficher le clivage cubique (Figure 8)), biotite et muscovite (devrait chacune afficher le clivage planaire (Figure 9)).
Utilisez une loupe pour évaluer les qualités différentes de clivage. Clivage peut survenir à différents niveaux. Lorsqu’il y a une énorme différence en forces de liaison dans une orientation particulière, comme entre deux feuilles de SiO₄ groupements dans le cas de mica, un clivage presque parfait est généré entre ces feuilles. Tel que noté ci-dessus, quartz présente une absence presque totale de clivage. Entre ces extrêmes (d’un clivage parfait et l’absence de clivage), il y a les minéraux qui ont bon clivage (p. ex. , feldspath) et le clivage pauvre (certains visages sur des cristaux d’amphibole).

La figure 6. Quartz affichant une fracture conchoïdale, sans les surfaces de clivage.

Figure 7. Calcite affichant un clivage rhomboédrique. Les surfaces de rupture et rupture symétriques sont générés par des zones de faiblesse relative en liaison atomique dans le réseau cristallin. Clivage de la calcite se traduit par le polyèdre spécifique appelé rhomboèdre.

La figure 8. Halite, affichant un clivage cubique.

La figure 9. Biotite affichant clivage planaire.

Les minéraux sont des substances inorganiques trouvés dans la terre, ayant des propriétés uniques qui aident à l’identification et l’analyse.

Nombreux minéraux présentent la structure cristalline. Ces matériaux cristallins ont fortement commandés des arrangements atomiques, composés de groupements atomiques, appelées cellules d’unité de répéter. Parce que les cellules sont identiques au sein d’un cristal, ils sont responsables de la symétrie du cristal sur le micro – et macro-scale.

Cette symétrie provoque des cristaux minéraux à casser ou fendre, d’une façon prévisible. Le clivage est la tendance d’un cristal à briser le long de plans structurels faibles. Ainsi, la façon dont un minéral fend donne un aperçu de sa structure cristalline.

Cette vidéo fera la démonstration de l’analyse des formes de cristal minéral macro-échelle en brisant des échantillons de minéraux et en observant leur clivage.

Solides cristallins comportent des atomes organisés en un motif répété, tandis que les solides amorphes n’ont aucune commande. Par exemple, le carbone se trouvent sous de nombreuses formes. Les atomes de carbone amorphe sont organisés au hasard, alors que les atomes en diamant sont disposés dans un cristal ordonné.

Un cristal est un tableau de cellules unité répétitive, identiques, qui sont définies par la longueur des bords de cellules d’unité et les angles entre eux. Ces répétés structures étendent infiniment dans trois directions spatiales et définissent les propriétés du cristal et uniformité.

Il y a sept cellules d’unité de base. La maille la plus simple, le cube, a des longueurs égales de bord et un atome à chaque coin. Ses variations incluent tétragonal et orthorhombique, qui possèdent des longueurs de bord différents.

Structures de cristal rhomboédrique possèdent parallèle similaire face à géométrie sans angles droits. Monoclinique et triclinique sont semblables dans la forme, mais avec des angles variés et des longueurs de bord. Enfin, la structure hexagonale est composée de deux faces hexagonales parallèles, avec six faces rectangulaires.

Les variations dans ces structures surviennent lorsque les atomes supplémentaires sont contenues dans le visage de cristal, appelées faces centrées ou dans le corps de cristal, appelés corps centré.

Lorsque les cristaux est cassés, ils ont tendance à s’attacher le long des plans de cristal structurellement faibles. La qualité du clivage dépend de la puissance des liens dans et à travers le plan. Bon clivage se produit lorsque la force des liaisons au sein de la place sont plus forts que ceux à travers le plan. Clivage pauvre peut se produire lorsque l’adhérence est forte dans le plan de cristal. Cristaux peut-être se fendent dans une seule direction, appelée clivage basal, ce qui entraîne deux faces clivées. Il en résulte de fortes liaisons atomiques à bord de l’avion, mais des liaisons faibles entre les plans.

De même, cristaux peut-être se fendent dans deux directions, en raison de deux plans faibles, entraînant quatre faces clivées et deux faces fracturées. Formes cubiques et rhomboédriques résultent de clivage dans trois directions. Les formes octaédriques et dodécaédrique proviennent de quatre et six plans de fractures, respectivement.

Certains minéraux ne cleave le long d’un plan de cristal, en raison des liens solides dans toutes les directions et produisent plutôt rupture irrégulière.

Maintenant que nous avons couvert les bases de la structure cristalline et les différents types de clivage cristal, regardons ces propriétés dans des échantillons de minéraux réel.

Pour analyser les formes cristallines, d’abord rassembler un groupe d’échantillons de minéraux, tels que le quartz, halite, calcite, grenat, biotite et muscovite.

Placer l’échantillon sur la surface de l’observation. Faire tourner l’échantillon afin d’observer tous les côtés. Recherchez les faces du cristal, cristal arêtes et sommets de cristal.

Si possible, mesurer les angles interfaciales à l’aide d’un goniomètre. Pour ce faire, posez un côté du goniomètre sur un visage particulier de cristal et l’autre côté du goniomètre sur une face adjacente. Puis lire l’angle.

Comparer les observations à l’ensemble des polyèdres cristallins caractéristiques. Répétez ces étapes pour les autres minéraux et notez les différences.

Des échantillons de quartz ont une forme cristalline hexagonale comme, comme indiqué par les 6 faces.

Le matériel de calcite, pièces scalenohedron forme, comme en témoignent les 8 faces de la structure pyramidale jumelées.

Halite, montre une structure cubique caractéristique, avec des angles de 90°.

Le grenat a angle surfaces avec 12 côtés, révélateur de sa forme de dodécaèdre.

Enfin, la biotite peut montrer une forme hexagonale apparente.

Ensuite, pour observer un clivage cristal, tout d’abord mis sur la protection des yeux.

Placez un morceau de quartz sur la surface de rupture. À l’aide d’un marteau, casser le morceau de quartz. À l’aide d’une loupe, observer le morceau de quartz pour des surfaces de clivage. Notez que quartz n’en a pas.

Les cellules de l’appareil dans le réseau cristallin de quartz ont des forces de liaison comparable égale dans toutes les directions, ce qui entraîne un cristal avec aucun avion préféré briser, appelée fracture conchoïdale.

Ensuite, répétez cette étape de rupture pour les autres échantillons. Utilisez une loupe pour évaluer les qualités différentes de clivage.

Lorsqu’il y a une énorme différence en forces de liaison dans une orientation particulière, comme entre les feuilles des groupements silicate dans le cas de mica, un clivage presque parfait est généré entre ces feuilles, appelée clivage basal.

Biotite et muscovite chaque affichent le clivage basal, avec un plan de rupture unique.

Halite affiche un clivage cubique, résultant de trois plans de clivage à 90°.

Calcite affiche un clivage rhomboédrique, résultant de trois plans de clivage à 120 et 60 °.

L’analyse de la structure cristalline est importante pour comprendre les types de minéraux présents dans le champ.

L’analyse quantitative de la structure cristalline peut être effectuée en utilisant la diffraction des rayons x, ou XRD.

Dans cet exemple, la structure cristalline de l’oxyde de fer a été synthétisée à partir d’un mélange d’hématite et de fer à haute température et de pression dans une cellule à enclumes de diamant. Le modèle de diffusion de DRX a été analysé tout au long de la réaction pour déterminer la structure cristalline.

Les résultats ont montré Debye lisse ou inégale, anneaux, qui indiquent la cristallinité. L’emplacement de chaque anneau élucide la structure cristalline, comme chaque anneau correspond à un plan de cristal.

Grâce à sa propriété de clivage planaire et par conséquent atomiquement plat, mica est fréquemment utilisé comme substrat pour l’imagerie des petites molécules.

Dans cet exemple, le mica est utilisé comme substrat pour l’imagerie des molécules photoréceptrices en utilisant la microscopie à force atomique, ou AFM. L’échantillon de protéine était adsorbé sur une feuille de mica fraîchement clivé et puis rincé avec un tampon.

L’échantillon a été imagé puis à l’aide d’une cellule de la liquide. Le substrat de mica activé l’imagerie haute résolution de l’échantillon de protéines grâce à sa surface plane atomiquement.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE aux propriétés physiques des minéraux. Vous devez maintenant comprendre les bases des cellules unitaires de cristal et comment déterminer les plans de clivage cristal. Merci de regarder !

Applications and Summary

Historiquement, évaluer les propriétés physiques des minéraux a été une clé de la première étape dans l’identification des minérale. Aujourd’hui encore, lorsque manque d’instruments d’analyse microscopique et moderne (p. ex. les microscope pétrographique, diffraction des rayons x, fluorescence x et techniques microsonde électronique), observe physique propriétés sont toujours très utiles comme outils de diagnostic pour l’identification des minérale. C’est particulièrement le cas dans les études géologiques sur le terrain.

Évaluation et en observant les propriétés physiques des minéraux sont un excellent moyen de démontrer la dépendance critique des caractéristiques macroscopiques sur la structure de l’échelle atomique et l’arrangement.

Les principales propriétés physiques des minéraux ne sont pas toujours exprimées en échantillons spécifiques. Par conséquent, être effectivement en mesure de reconnaître et d’utiliser ces propriétés comme outils de diagnostic exige une combinaison de science, expérience et artisanat. Souvent, le géologue doit utiliser une loupe pour évaluer relativement petits cristaux de minéraux ou de grains au sein de la matrice d’une roche plus grande. Dans ce cas, il peut devenir un défi distinct afin d’identifier les aspects utiles de la forme cristalline et clivage de cristal.

Dans un cadre universitaire ou d’enseignement, l’évaluation des minéraux par analyse d’échantillon de main est un exercice qui montre des motifs répétitifs comment et caractéristiques sont imposées par la physico-chimie des matériaux naturels. En d’autres termes, pour n’importe quel minéral spécifique, il y a certaines caractéristiques cristallographiques (morphologie des cristauxpar exemple ) et des propriétés physiques (par exemple couleur, dureté, strie) qui sont imposées par la composition chimique et la structure atomique.

Dans le domaine des ressources minérales et de géologie de l’exploration, l’identification des minéraux par exemple main est un élément clé du travail sur le terrain, visant à localiser les minerais potentiels et gisements économiquement utiles. Par exemple, l’identification de différents sulfures métalliques (pyrite, sphalérite, galène) en liaison avec hydrothermale oxy-hydroxydes de fer (hématite, goethite, limonite) peut être indicative des régions et des veines Au et Ag-riches potentiels.

Dans le cadre de la géologie historique (déchiffrer l’histoire temporal profond d’une région), identification de minéraux peut préparer un interprétations des anciennes conditions. Par exemple, certains minéraux métamorphiques (p. ex. l’Al₂SiO₅ polymorphes, disthène, andalousite et sillimanite) est des marqueurs de pressions particulières et des conditions de température dans la croûte antique.

Transcript

Minerals are inorganic substances found in the Earth, with unique properties that aid in identification and analysis.

Many minerals exhibit crystalline structure. These crystalline materials have highly ordered atomic arrangements, made up of repeating atomic groupings, called unit cells. Because unit cells are identical within a crystal, they are responsible for the symmetry of the crystal on the micro- and macro-scale.

This symmetry causes mineral crystals to break, or cleave, in a predictable way. Cleavage is the tendency of a crystal to break along weak structural planes. Thus, the way a mineral cleaves provides insight into its crystal structure.

This video will demonstrate the analysis of macro-scale mineral crystal forms by breaking mineral samples and observing their cleavage.

Crystalline solids contain atoms organized in a repeated pattern, whereas amorphous solids have no order. For example, carbon can be found in many forms. The atoms in amorphous carbon are randomly organized, whereas the atoms in diamond are arranged in an ordered crystal.

A crystal is an array of repeating, identical unit cells, which are defined by the length of the unit cell edges and the angles between them. These repeated structures extend infinitely in three spatial directions, and define the uniformity and properties of the crystal.

There are seven basic unit cells. The simplest unit cell, the cube, has equal edge lengths, and an atom at each corner. Variations include tetragonal and orthorhombic, which possess different edge lengths.

Rhombohedral crystal structures possess similar parallel face geometry without right angles. Monoclinic and triclinic are similar in shape, but with varied angles and edge lengths. Finally, the hexagonal structure is composed of two parallel hexagonal faces, with six rectangular faces.

Variations in these structures arise when additional atoms are contained in the crystal face, called face-centered, or in the crystal body, called body centered.

When crystals are broken, they tend to cleave along structurally weak crystal planes. The cleavage quality depends on the strength of the bonds in and across the plane. Good cleavage occurs when the strength of the bonds within the place are stronger than those across the plane. Poor cleavage can occur when the bond strength is strong across the crystal plane. Crystals may cleave in one direction, called basal cleavage, resulting in two cleaved faces. This results from strong atomic bonds within the plane, but weak bonds between the planes.

Similarly, crystals may cleave in two directions, due to two weak planes, resulting in four cleaved faces and two fractured faces. Cubic and rhombohedral forms result from cleavage in three directions. Octahedral and dodecahedral forms arise from four and six fracture planes, respectively.

Some minerals don’t cleave along a crystal plane at all, due to strong bonds in all directions, and instead result in irregular fracture.

Now that we’ve covered the basics of crystal structure, and the different types of crystal cleavage, let’s look at these properties in real mineral samples.

To analyze crystal forms, first collect a group of mineral samples, such as quartz, halite, calcite, garnet, biotite, and muscovite.

Place the sample on the observation surface. Rotate the sample in order to observe all sides. Look for crystal faces, crystal edges, and crystal vertices.

Where possible, measure the interfacial angles using a goniometer. To do so, lay one side of the goniometer on a particular crystal face, and the other side of the goniometer on an adjoining face. Then read the angle.

Compare the observations to the set of characteristic crystalline polyhedra. Repeat these steps for other minerals, and note the differences.

Quartz samples have a hexagonal dipyramidal crystal form, as indicated by the 6 sides.

The calcite material, exhibits scalenohedron form, as shown by the 8 faces of the twinned pyramid structure.

Halite, shows characteristic cubic structure, with 90° angles.

Garnet has angled surfaces with 12 sides, indicative of its dodecahedron form.

Finally, biotite can show an apparent hexagonal form.

Next, to observe crystal cleavage, first put on eye protection.

Place a piece of quartz on the breaking surface. Using a hammer, break the piece of quartz. Using a hand lens, observe the broken piece of quartz for cleavage surfaces. Notice that quartz has none.

The unit cells in the quartz crystal lattice have comparably equal bond strengths in all directions, resulting in a crystal with no preferred breaking planes, called conchoidal fracture.

Next, repeat this breaking step for other specimens. Use a hand lens to evaluate different cleavage qualities.

When there is a dramatic difference in bond strengths in a particular orientation, such as between sheets of silicate groupings in the case of mica, a nearly perfect cleavage is generated between these sheets, called basal cleavage.

Biotite and muscovite each display basal cleavage, with a single break plane.

Halite displays cubic cleavage, resulting from three cleavage planes at 90°.

Calcite displays rhombohedral cleavage, resulting from three cleavage planes at 120 and 60°.

The analysis of crystal structure is important to understanding the types of minerals found in the field.

The quantitative analysis of crystal structure can be performed using X-ray diffraction, or XRD.

In this example, the crystal structure of an iron oxide was synthesized from a mixture of hematite and iron at high temperature and pressure in a diamond anvil cell. The XRD scattering pattern was analyzed throughout the reaction to determine the crystal structure.

The results showed smooth or spotty Debye rings, which indicate crystallinity. The location of each ring elucidates the crystal structure, as each ring corresponds to a crystal plane.

Due to its planar cleavage property, and therefore atomically flat surface, mica is frequently used as a substrate for small molecule imaging.

In this example, mica was used as a substrate for the imaging of photoreceptor molecules using atomic force microscopy, or AFM. The protein sample was adsorbed to a freshly cleaved mica sheet, and then rinsed with buffer.

The sample was then imaged using a fluid cell. The mica substrate enabled high resolution imaging of the protein sample due to its atomically flat surface.

You’ve just watched JoVE’s introduction to physical properties of minerals. You should now understand the basics of crystal unit cells, and how to determine crystal cleavage planes. Thanks for watching!

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