Физические свойства минералов II: Полиминеральный анализ

Physical Properties Of Minerals II: Polymineralic Analysis

JoVE Science Education
Earth Science

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Science Education Earth Science

Physical Properties Of Minerals II: Polymineralic Analysis

3.3: Making a Geologic Cross Section

3.7: Igneous Intrusive Rock

38,440 Views

•

07:16 min

•

February 27, 2015

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Overview

Источник: Лаборатория Алана Лестера – Университет Колорадо в Боулдере

Физические свойства минералов включают в себя различные измеримые и различимые атрибуты, включая цвет, полосы, магнитные свойства, твердость, форму роста кристаллов и расщепление кристаллов. Эти свойства специфичны для минерала и в корне связаны с химическим составом и атомной структурой конкретного минерала.

В этом видео рассматриваются несколько физических свойств, которые полезны при идентификации минералов в полевых условиях и вручную: цвет, блеск, полосы, твердость, магнетизм и реакция с кислотой. В отличие от кристаллической формы и расщепления кристаллов, эти свойства несколько более тесно связаны с химическим составом минералов, чем с атомной структурой, но и то, и другое играет свою роль.

Важно понимать, что горные породы представляют собой агрегаты минеральных зерен. Большинство горных пород являются полиминеральными (несколько видов минеральных зерен), но некоторые из них являются мономинеральными (состоят из одного минерала). В отличие от кристаллической формы и спайности, которые являются терминами, зарезервированными для образцов минералов, геологи могут иногда ссылаться на породу как на имеющую общий вид цвета, твердости, магнетизма или реакцию с кислотой. Другими словами, физические свойства, рассмотренные здесь, потенциально пригодны для использования как с горными породами, так и с конкретными минералами.

Principles

Один образец минерала может проявлять очень немногое, если вообще есть, ключевые физические свойства. Для любых демонстраций или экспериментов, связанных с физическими свойствами, сначала необходимо выбрать подходящую группу образцов минералов, которые действительно демонстрируют ключевые особенности или свойства исследуемого. Ниже мы рассмотрим фундаментальные определения физических свойств — цвета, блеска, полосы, твердости, магнетизма и реакции с кислотой в геологическом контексте.

Цвет — цвет просто относится к видимому цвету, видимому невооруженным глазом при взгляде на минерал. В конечном счете, это результат длин волн света, которые преимущественно отражаются от минеральной поверхности. (Рисунок 1)

Полоса — это цвет порошкообразного, т.е. очень мелкозернистого, образца минерала. Это наблюдается, если взять образец минерала и провести его по фарфоровой пластине, чтобы создать линию порошкообразного материала. (Рисунок 1)

Твердость — Твердость — это, по сути, поверхностная прочность минерала или устойчивость к разукрупнению, т.е. можно ли его поцарапать. Говорят, что минерал тверже другого минерала, если он способен царапать поверхность другого минерала. Шкала твердости минералов в диапазоне от 1 до 10 была разработана в начале 19^века минералогом Фридрихом Моосом, но, исходя из современного материаловедения, шкала не является линейной. (Рисунок 2)

Магнетизм — это способность минерала влиять на магнит или компас. В целом, это свойство присуще исключительно минералу магнетиту (рис. 3), но другие минералы могут проявлять слабый магнетизм (особенно после нагрева), такие как гематит и борнит. В конечном счете, магнетизм является результатом пространственной организации направлений спинов электронов, или моментов.

Реакция с кислотой — Геологи часто испытывают горные породы и минералы с разбавленной кислотой (почти всегда 2-3% HCl), чтобы оценить наличие карбонатных соединений. Существует множество карбонатных минералов, но наиболее распространенными являются кальцит (ключевой компонент каменного известняка), который сильно шипит с разбавленным HCl, и доломит (ключевой компонент горного доломита), который слабо шипит.

Блеск — это субъективная мера того, как минеральная поверхность имеет тенденцию отражать свет. Он делится на две основные категории:
– металлический (хорошо отражающий и блестящий), как видно из таких минералов, как пирит (Рисунок 4) и галенит (Рисунок 5)
– неметаллический (более тусклый на вид), как видно из таких минералов, как полевой шпат (Рисунок 6), кварц (Рисунок 7) и мусковит (Рисунок 8).

Поскольку блеск является субъективным свойством (возможно, лучше его назвать «качеством») и, как правило, больше беспокоит геммологов, а не геологов, остальная часть урока будет сосредоточена на свойствах цвета, полосы, твердости, магнетизма и реакции с кислотой.

Рисунок 1. Цвет, полоса и блеск. Минерал гематит является хорошим примером того, как объемный цвет (в данном случае серебристо-темный) и цвет порошка, который называется «полосой» (в данном случае красновато-оранжевым), могут быть совершенно разными. Гематит может выражать различные виды блеска, но здесь он проявляет металлический блеск.

Рисунок 2. Шкала твёрдости. Шкала твердости — это способ сравнения минералов на основе того, насколько легко минеральная поверхность может быть дезагрегирована, т.е. поцарапана. Минерал, который «тверже», поцарапает «более мягкий» минерал.

Рисунок 3. Образец минерала магнетит. Магнетит – это оксид железа. Хотя железо является основным компонентом планеты Земля, оно присутствует в чистой элементарной форме только в отдаленном районе ядра Земли (около 2900 км под поверхностью). В земной коре и на поверхности железо связывается с кислородом и гидроксильными группами, образуя распространенные минералы магнетит, гематит и лимонит. Магнетит является самым магнитным из всех природных минералов на Земле.

Рисунок 4. Пирит. Пирит также известен как золото дураков из-за металлического блеска и бледного латунно-желтого оттенка.

Рисунок 5. Галенит. Галенитал (иногда называемый свинцовым блеском) – еще один пример минерала с металлическим блеском. Это основная руда свинца, источник серебра (иногда содержащего до 1-2% серебра), имеет низкую температуру плавления.

Рисунок 6. Полевой шпат. Полевые шпаты — это группа породообразующих минералов, которые составляют до 60% земной коры. Они являются хорошим примером минерала, который имеет неметаллический блеск.

Рисунок 7. Кварц. Кварц – еще один хороший пример минерала с неметаллическим блеском. Это второй по распространенности минерал в земной коре после полевого шпата.

Рисунок 8. Москвич. Мусковит, широко известный как слюда, является еще одним минералом, который имеет неметаллический блеск.

Procedure

Подготовка

Для того, чтобы наблюдать и анализировать физические свойства минералов, как это сделано в этом видео, необходимо предпринять несколько подготовительных шагов. Сначала соберите группу проб минералов. Предлагаемые образцы включают гематит, магнетит, кальцит, доломит и галенит. Установите поверхность для исследования образцов. Подойдет чистая столешница, возможно, с листом белой бумаги на поверхности стола. Приобретите фарфоровую пластину для полос, набор для определения твердости, магнит и компас и разведите HCl (2-5%).

1. Наблюдайте и анализируйте цвет

Изучите выбранные образцы минералов и обратите внимание на видимый цвет.
Обратите внимание, есть ли цветовые вариации в самом образце.
Обратите внимание, есть ли различия в цвете в разных образцах одного и того же минерала.

2. Наблюдайте и анализируйте серию

Возьмите образец минерала и перетащите его через пластину с полосами.
Сравните объемный цвет образца минерала с цветом полосы, который остался на пластине.
В большинстве случаев разница между основным цветом и цветом полосы будет небольшой, однако некоторые минералы заметно отличаются, например, галенит, гематит><. Полоса, т.е. цвет порошкообразных микроскопических зерен, иногда отличается от объемного цвета из-за эффектов отражения или ограниченного контроля примесей над цветом в мелкозернистом масштабе.
Повторите 2.1-2.3 с другими образцами минералов

3. Наблюдайте и анализируйте твердость

В качестве первого шага возьмите каждый образец минерала и попытайтесь поцарапать им стеклянную пластину.
Разделите эти экземпляры на те, которые царапают стекло, и те, которые этого не делают.
1. Стеклянная пластина находится примерно в середине шкалы твердости по шкале Мооса (твердость 5,5). Это разделяет группу на то, что геологи называют в основном твердыми, и обычно мягкими минералами.
В каждой группе (твердые минералы, мягкие минералы) проверьте, какие из них тверже или мягче. Это делается путем того, чтобы посмотреть, какой минерал поцарапает другой.

4. Наблюдайте и анализируйте магнетизм

Легко измеряемый и идентифицируемый магнетизм ограничен магнитной группой, известной как ферромагнетизм (в отличие от парамагнетизма или диамагнетизма, которые очень слабы и трудно поддаются измерению).
Минералы, с помощью которых мы можем оценить магнетизм, — это магнетит, и в некоторой степени гематит и борнит.
С помощью каменного гвоздя отслайте от образца несколько крупинок магнетита.
Посмотрите, будет ли стержневой магнит (сильный ферромагнетик) улавливать зерна минералов, упомянутых выше, в пункте 4.2.
Посмотрите, повлияют ли какие-либо из вышеупомянутых минералов (4.2) на стрелку компаса.
1. Поместите образец минерала и компас рядом друг с другом на расстоянии около 6 дюймов между ними.
2. Медленно уменьшайте пространство, разделяющее образец и циркуль, перемещая их по направлению друг к другу.
3. Стрелка компаса должна начать указывать на образец, тем сильнее по мере уменьшения пространства, разделяющего компас и образец.

5. Наблюдаем и анализируем реакцию с кислотой

Минералы, которые вступают в реакцию с разбавленной соляной кислотой, являются карбонатами. Примеры: кальцит — CaCO₃; доломит — CaMg(CO₃)₂. Это основные составляющие важных и распространенных карбонатных пород, известняка и доломита.
Возьмите флакон-капельницу с разбавленным HCl и осторожно капните одну-две капли на поверхность образца.
Примечание: Хотя разбавленный HCl не особенно опасен, лучше не попадать кислотой на кожу (возможна сыпь) или на одежду (возможное окрашивание), а после тестирования рекомендуется смыть образец.
Обратите внимание, как кальцит бурлит бурлит с разбавленным HCl.
Возьмите образец доломита и, проведя им по фарфоровой пластине или поцарапав его каменным гвоздем, создайте немного порошка/хлопьев.
Повторите шаг 5.2, но на этот раз поместите образец доломита (а не порошок/хлопья) в HCl.
Обратите внимание, как доломит почти не реагирует с разбавленным HCl.
Теперь поместите немного доломитового порошка/хлопьев в HCl и обратите внимание на повышенную реакционную способность при измельчении.

Физические свойства минералов включают в себя различные измеримые и различимые свойства, которые являются уникальными и специфичными для минералов.

Горные породы представляют собой агрегаты минеральных зерен. Большинство горных пород являются полиминеральными, что означает, что они состоят из нескольких типов минеральных зерен. Некоторые породы являются мономинеральными и фактически состоят из одного минерала. Анализ кристаллической формы и расщепления кристаллов обычно используется для классификации мономинеральных соединений. Тем не менее, геологи часто классифицируют полиминеральные породы по другим физическим свойствам, таким как цвет, твердость, магнетизм и реакция с кислотой. В этом видео мы познакомимся с физическими свойствами минералов и продемонстрируем классификацию минералов с помощью простых стандартных тестов.

Один образец минерала обладает рядом уникальных физических свойств, которые используются при идентификации и классификации. Во-первых, минералы имеют широкий спектр цветов, часто образующихся в результате следов переходных металлов. Минеральный цвет просто относится к видимому цвету минерала, полученному в результате длин волн света, которые преимущественно отражаются от минеральной поверхности.

Полоса относится к цвету порошкообразного образца минерала. За полосой наблюдают, перетаскивая образец минерала по грубой фарфоровой пластине, чтобы создать линию порошкообразного материала. Видимый цвет минерала может варьироваться из-за примесей, которые поглощают или отражают свет. Тем не менее, цвет полос более воспроизводим, так как мелкие зерна ориентированы случайным образом и меньше подвержены влиянию кристаллической структуры и примесей.

Далее можно изучить минеральный блеск. Блеск — это субъективная мера того, как минерал отражает свет. Он делится на две основные категории; металлические материалы, которые блестят и отражают, и неметаллические минералы, которые кажутся тусклыми.

Твердость, или устойчивость минерала к дезагрегированию, является еще одним свойством, используемым для классификации. Твердость измеряется в соответствии со шкалой твердости Мооса, которая представляет собой набор из десяти эталонных минералов, ранжированных в зависимости от их твердости. Минералы ранжируются по этой шкале по их способности царапать другой материал или быть поцарапанными другим материалом. Способность минералов царапать эталонный материал подразумевает, что он тверже, чем эталон, и наоборот.

Некоторые минералы проявляют магнетизм, что позволяет им воздействовать на магнит или компас. В целом, это свойство присуще исключительно минералу магнетиту, однако некоторые другие минералы могут проявлять слабый магнетизм после нагрева. Наконец, измеряется реакционная способность минерала с разбавленной кислотой для проверки на наличие карбонатных соединений. Существует множество карбонатных минералов, наиболее распространенным из которых является кальцит.

Теперь, когда вы ознакомились с принципами, лежащими в основе этих свойств, давайте рассмотрим, как некоторые из них тестируются в лаборатории.

Чтобы проанализировать минеральный цвет, сначала поместите все образцы минералов на чистую столешницу, покрытую белой бумагой. Рассмотрите каждый минерал и обратите внимание на его видимый цвет. Обратите внимание, есть ли цветовые вариации в самом образце. Рассмотрите разные образцы одного и того же минерала и обратите внимание, есть ли различия в цвете между образцами. Вариации могут свидетельствовать о примесях в минерале. Затем понаблюдайте за минеральной полосой, перетащив образец минерала по фарфоровой пластине. Сравните цвет полосы с цветом минерала. В большинстве случаев цвет полосы схож с минеральным цветом. Тем не менее, некоторые минералы демонстрируют различия между цветом полосы и общим цветом. Повторите эти шаги с другими образцами минералов.

Чтобы проанализировать твердость минералов, сначала попытайтесь поцарапать стеклянную пластину образцами минералов. Стекло находится примерно в середине шкалы твердости по шкале Мооса. Минералы, которые способны царапать стекло, обычно классифицируются как твердые материалы. Разделяйте образцы по возможности царапать стекло. Испытайте материалы в твердой и мягкой группах, соскребая минералы друг с другом. Те, которые способны поцарапать минерал, сложнее, чем те, которые поцарапаны. Ранжируйте минералы в соответствии с их твердостью.

Далее, ферромагнетизм можно измерить, сначала отслаивая несколько зерен минерала, в данном примере магнетита, с помощью каменного гвоздя. С помощью стержневого магнита наблюдайте за поведением минеральных хлопьев с помощью магнита. Если магнит захватывает хлопья, минерал проявляет ферромагнетизм. Далее проверьте взаимодействие со стрелкой компаса. Поместите образец минерала рядом друг с другом на расстоянии около шести дюймов между ними. Постепенно уменьшайте расстояние между минералом и компасом. Если образец магнитный, стрелка компаса будет указывать на образец, увеличиваясь по мере уменьшения пространства. Повторите эти действия для других образцов минералов.

Идентификация физических свойств горных пород и минералов является ключевым первым шагом в идентификации минералов. В то время как эти тесты на физические свойства являются ценными инструментами для идентификации минералов в полевых условиях, в настоящее время доступны лабораторные методы, которые позволяют детально определить характеристики материалов. Например, подробное определение характеристик материалов для использования в таких приложениях, как литий-ионные аккумуляторы, может быть проведено с помощью рентгеновской дифракции или XRD. Дифракционный анализ использует регулярную дифракционную картину рентгеновских лучей для определения кристаллической структуры материала и позволяет детально определить структурные характеристики.

Ячейки с алмазной наковальней — это устройства, способные достигать чрезвычайно высокого давления благодаря чрезвычайной твердости алмазов. В этом примере ячейка с алмазной наковальней была использована для синтеза и анализа новых фаз вещества при чрезвычайно высоком давлении. Образец был загружен в ячейку с алмазной наковальней и установлен внутри медной камеры с водяным охлаждением. Затем устройство было установлено на сцене на одной линии с источником синхротронного рентгеновского излучения.

Синтез материала при давлении 15 ГПа и 1700 Кельвинов измеряли с помощью рентгеновской дифракции.

Вы только что посмотрели второе видео JoVE о физических свойствах минералов. Теперь вы должны понять основные полевые испытания с использованием цвета, полосы, твердости, магнетизма и реакционной способности с кислотой для идентификации и определения характеристик образца минерала.

Спасибо за просмотр!

Applications and Summary

Historically, the evaluation of the physical properties of minerals has been a key first step in mineral identification. Because microscopic and modern analytical instrumentation (e.g. petrographic microscopy, x-ray diffraction, x-ray fluorescence, and electron microprobe techniques) are not available in the field, recognition and use of observed physical properties can be important diagnostic tools.

Evaluating and observing the physical properties of minerals is an excellent means to demonstrate how the macroscopic features of minerals are in fact the external manifestation of either atomic-level structure or chemical composition. This process provides insight into:

1) How chemical composition influences the interplay of light with reflecting surfaces.
2) How chemical composition and atomic bond strengths influence a mineral’s resistance to disaggregation (scratching).
3) How chemical composition and atomic scale ordering influence properties such as magnetics (e.g. presence of Fe-bearing substances) and reaction with dilute acid (e.g. presence of the CO₃^2- anion group).

There are also industrial and engineering applications that require some knowledge of the physical properties discussed in this video. For example, machines that need to cut or grind may use mineral substances to aid in the process. Additionally, gemologists (who typically identify and prepare gem-quality minerals for sale) may be concerned with properties like color and luster.

Transcript

Физические свойства минералов включают в себя различные измеримые и различимые свойства, которые являются уникальными и специфичными для минералов.

Горные породы представляют собой агрегаты минеральных зерен. Большинство горных пород являются полиминеральными, что означает, что они состоят из нескольких типов минеральных зерен. Некоторые породы являются мономинеральными и фактически состоят из одного минерала. Анализ кристаллической формы и расщепления кристаллов обычно используется для классификации мономинеральных соединений. Тем не менее, геологи часто классифицируют полиминеральные породы по другим физическим свойствам, таким как цвет, твердость, магнетизм и реакция с кислотой. В этом видео мы познакомимся с физическими свойствами минералов и продемонстрируем классификацию минералов с помощью простых стандартных тестов.

Один образец минерала обладает рядом уникальных физических свойств, которые используются при идентификации и классификации. Во-первых, минералы имеют широкий спектр цветов, часто образующихся в результате следов переходных металлов. Минеральный цвет просто относится к видимому цвету минерала, полученному в результате длин волн света, которые преимущественно отражаются от минеральной поверхности.

Полоса относится к цвету порошкообразного образца минерала. За полосой наблюдают, перетаскивая образец минерала по грубой фарфоровой пластине, чтобы создать линию порошкообразного материала. Видимый цвет минерала может варьироваться из-за примесей, которые поглощают или отражают свет. Тем не менее, цвет полос более воспроизводим, так как мелкие зерна ориентированы случайным образом и меньше подвержены влиянию кристаллической структуры и примесей.

Далее можно изучить минеральный блеск. Блеск — это субъективная мера того, как минерал отражает свет. Он делится на две основные категории; металлические материалы, которые блестят и отражают, и неметаллические минералы, которые кажутся тусклыми.

Твердость, или устойчивость минерала к дезагрегированию, является еще одним свойством, используемым для классификации. Твердость измеряется в соответствии со шкалой твердости Мооса, которая представляет собой набор из десяти эталонных минералов, ранжированных в зависимости от их твердости. Минералы ранжируются по этой шкале по их способности царапать другой материал или быть поцарапанными другим материалом. Способность минералов царапать эталонный материал подразумевает, что он тверже, чем эталон, и наоборот.

Некоторые минералы проявляют магнетизм, что позволяет им воздействовать на магнит или компас. В целом, это свойство присуще исключительно минералу магнетиту, однако некоторые другие минералы могут проявлять слабый магнетизм после нагрева. Наконец, измеряется реакционная способность минерала с разбавленной кислотой для проверки на наличие карбонатных соединений. Существует множество карбонатных минералов, наиболее распространенным из которых является кальцит.

Теперь, когда вы ознакомились с принципами, лежащими в основе этих свойств, давайте рассмотрим, как некоторые из них тестируются в лаборатории.

Чтобы проанализировать минеральный цвет, сначала поместите все образцы минералов на чистую столешницу, покрытую белой бумагой. Рассмотрите каждый минерал и обратите внимание на его видимый цвет. Обратите внимание, есть ли цветовые вариации в самом образце. Рассмотрите разные образцы одного и того же минерала и обратите внимание, есть ли различия в цвете между образцами. Вариации могут свидетельствовать о примесях в минерале. Затем понаблюдайте за минеральной полосой, перетащив образец минерала по фарфоровой пластине. Сравните цвет полосы с цветом минерала. В большинстве случаев цвет полосы схож с минеральным цветом. Тем не менее, некоторые минералы демонстрируют различия между цветом полосы и общим цветом. Повторите эти шаги с другими образцами минералов.

Чтобы проанализировать твердость минералов, сначала попытайтесь поцарапать стеклянную пластину образцами минералов. Стекло находится примерно в середине шкалы твердости по шкале Мооса. Минералы, которые способны царапать стекло, обычно классифицируются как твердые материалы. Разделяйте образцы по возможности царапать стекло. Испытайте материалы в твердой и мягкой группах, соскребая минералы друг с другом. Те, которые способны поцарапать минерал, сложнее, чем те, которые поцарапаны. Ранжируйте минералы в соответствии с их твердостью.

Далее, ферромагнетизм можно измерить, сначала отслаивая несколько зерен минерала, в данном примере магнетита, с помощью каменного гвоздя. С помощью стержневого магнита наблюдайте за поведением минеральных хлопьев с помощью магнита. Если магнит захватывает хлопья, минерал проявляет ферромагнетизм. Далее проверьте взаимодействие со стрелкой компаса. Поместите образец минерала рядом друг с другом на расстоянии около шести дюймов между ними. Постепенно уменьшайте расстояние между минералом и компасом. Если образец магнитный, стрелка компаса будет указывать на образец, увеличиваясь по мере уменьшения пространства. Повторите эти действия для других образцов минералов.

Идентификация физических свойств горных пород и минералов является ключевым первым шагом в идентификации минералов. В то время как эти тесты на физические свойства являются ценными инструментами для идентификации минералов в полевых условиях, в настоящее время доступны лабораторные методы, которые позволяют детально определить характеристики материалов. Например, подробное определение характеристик материалов для использования в таких приложениях, как литий-ионные аккумуляторы, может быть проведено с помощью рентгеновской дифракции или XRD. Дифракционный анализ использует регулярную дифракционную картину рентгеновских лучей для определения кристаллической структуры материала и позволяет детально определить структурные характеристики.

Ячейки с алмазной наковальней — это устройства, способные достигать чрезвычайно высокого давления благодаря чрезвычайной твердости алмазов. В этом примере ячейка с алмазной наковальней была использована для синтеза и анализа новых фаз вещества при чрезвычайно высоком давлении. Образец был загружен в ячейку с алмазной наковальней и установлен внутри медной камеры с водяным охлаждением. Затем устройство было установлено на сцене на одной линии с источником синхротронного рентгеновского излучения.

Синтез материала при давлении 15 ГПа и 1700 Кельвинов измеряли с помощью рентгеновской дифракции.

Вы только что посмотрели второе видео JoVE о физических свойствах минералов. Теперь вы должны понять основные полевые испытания с использованием цвета, полосы, твердости, магнетизма и реакционной способности с кислотой для идентификации и определения характеристик образца минерала.

Спасибо за просмотр!

Tags

Физические свойства минералы полиминеральный анализ кристаллическая форма расщепление кристаллов мономинеральные соединения цвет твердость магнетизм реакция с кислотой классификация минералов стандартные тесты уникальные физические свойства следы переходных металлов цвет минералов полоса