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Physical Properties Of Minerals I: Crystals and Cleavage
  • 00:00Overview
  • 01:03Principles of Crystal Cleavage
  • 03:32Observing and Analyzing Crystal Form
  • 04:51Observing and Analyzing Cleavage
  • 06:04Applications
  • 07:16Summary

物性 i: 鉱物の結晶と胸の谷間

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Overview

ソース: アラン ・ レスター – コロラド大学ボルダー校講座

鉱物の物理的性質は、色、ストリーク、磁気的性質、硬度、結晶成長形結晶劈開など様々 な測定をし、認識できるような属性を構成します。これらの各プロパティは、鉱物固有であり、それらは基本的に特定の鉱物の化学メイクアップと原子構造に関連。

この実験では、結晶格子、結晶成長形と結晶劈開内の単位細胞と呼ばれる、基礎、構造の原子グループの対称の繰り返しに由来する主に 2 つのプロパティを調べます。

結晶成長形は、原子レベルの対称性、成長結晶格子単位セル (鉱物の分子ビルディング ブロック) を追加することの自然な成長プロセスによって生成される巨視的な式です。急速な単位-細胞-追加のゾーンは、平面、すなわち顔の水晶の間のエッジになります。

岩が鉱物粒子の集合体であることを認識することが重要です。ほとんどの岩が組合せ (複数の種類の鉱物粒子) が、一部は効果的に monomineralic (単一の鉱物から成る) です。岩石は鉱物の組み合わせであるため結晶の形を持つものとして岩がないに呼ばれます。によって、地質学者は一般的な胸の谷間があると岩を参照してくださいが、ここでは単に用語を参照する反復的な表面し、原子の結晶構造の反射ではないです。だから、一般に、条件結晶の形態と結晶劈開は鉱物試料とない岩石に関して使われて。

Principles

すべての鉱物は、物理的性質を所有しているが、常に、プロパティに関連付けられている特定しやすい機能は個々 の水晶では表されません。たとえば、水晶のある特徴的な六角形の形状が、他の鉱物がブロックまたは、(これは通常ほとんどの岩石の場合) 自然な成長形、六角形の形に影響を与える環境を形成していない結晶成長で発生した場合。それで、これを念頭に、すべてのサンプルがこれらの主要な機能を示す結晶または結晶胸の谷間解析のためのサンプルの適切なグループを慎重に選択することが重要です。

さらに、結晶劈開がテストする比較的簡単ですが、サンプルをハンマーで割って-さまざまな鉱物、不規則と大まかな平面の破壊によって生成された可能性があります (「貧しい胸の谷間」と呼ばれる) 胸谷間品質範囲を示すまたは非常滑らか (と呼ばれる”良い-“または”優秀な谷間」).場合によっては (例えば水晶) 結晶構造の接着強さはすべての方向で均一、この結果認識可能な開裂の平面の欠如と鉱物。

Procedure

1 鉱物試料のグループを確立すること 可能な限り次の多くが含まれて: 石英や岩塩、方解石、ガーネット、黒雲母、白雲母。一部は結晶胸の谷間機能の結晶成長の特徴と他の選択されます。 2. 観察し、結晶の形を分析 観察表面にサンプルを配置します。 すべての側面を観察するために回転します。結晶面、クリスタル エッジ (面が交わる線)、および結晶の頂点を探す (エッジが交わるポイント)。 可能であれば、ゴニオ メーターを用いた界面の角度を測定します。これは、単に特定の結晶面、隣接する顔にゴニオ メーターの反対側、ゴニオ メーターの 1 つの側面を置くと、その角度で。 特徴的な結晶性多面体のセットと比較します。 石英 (注六角錐形フォーム (図 1))、方解石 (注 scalenohedron フォーム (図 2))、岩塩 (注立方結晶形 (図 3))、ガーネット (注正十二面体フォーム (図 4))、および黒雲母 (注擬似六角形 (図 5)) について、手順 2.1-2.4. 図 1。水晶六角錐形フォームを表示します。 図 2。Scalenohedron フォームを表示する方解石。どのようにいくつかの結晶面が交差するフォーム クリスタル エッジとエッジ フォーム ポイント「頂点」として知られているの組み合わせに注意してください。対称結晶成長形は結晶格子内の基本的な原子構造 (単位格子) の繰り返しによって生成されます。この例では、方解石の結晶成長は、scalenohedron として知られている特定の多面体を生成します。 図 3。岩塩は立方晶系結晶フォームを表示します。 図 4。ガーネットは正十二面体のフォームを表示します。 図 5。黒雲母は擬似六角形のフォームを表示します。 3. 観察・胸の谷間を分析 目の保護に置きます。 破壊面に石英の小片を置きます。 ハンマーを使用して、半分に石英のかけらを破る。 手のレンズを使用すると、胸の谷間の表面の石英の破片を観察します。石英がなしていることに注意してください。石英は、貝殻状の破壊がない明確に定義された胸の谷間表面 (図 6) を展示します。これは、石英結晶 (シリカを四面体と呼ばれる SiO4グループ) の単位セルがすべての方向に対等平等の接着強さを持っているという事実の結果です。接着強さのこの均一性結果結晶面の破壊を優先なしで。 (それぞれは平面胸の谷間 (図 9) を表示する必要があります) の方解石 (菱面体晶胸の谷間 (図 7) を表示する必要があります)、岩塩 (立方胸の谷間 (図 8) を表示する必要があります)、黒雲母、白雲母に 3.2-3.4 の手順を繰り返します。 手のレンズを使用して、異なる胸の谷間の資質を評価します。胸の谷間は、さまざまなレベルで発生します。マイカの場合 SiO4グループのシートの間など、特定の向きに接着強さの劇的な違いがあるときこれらのシートの間ほぼ完璧な胸の谷間が生成されます。前述のように、水晶は胸の谷間のほぼ完全な欠如を展示します。(完璧な胸の谷間と胸の谷間の欠如) のこれらの極端の間に良い胸の谷間 (例えば長石) と貧しい胸の谷間 (角閃石結晶の特定の面) を持つ鉱物があります。 図 6。胸の谷間表面なし、貝殻状の破壊を表示する水晶。 図 7。菱面体晶の胸の谷間を表示する方解石。対称の破壊と破面は結晶格子内の原子間結合の相対的な弱さの地帯によって生成されます。方解石胸の谷間は、rhombohedron として知られている特定の多面体の結果します。 図 8。岩塩は立方胸の谷間を表示します。 図 9。黒雲母平面胸の谷間を表示します。

Applications and Summary

Historically, evaluating the physical properties of minerals has been a key first step in mineral identification. Even today, when lacking microscopic and modern analytical instrumentation (e.g. petrographic microscopy, x-ray diffraction, x-ray fluorescence, and electron microprobe techniques), observed physical properties are still quite useful as diagnostic tools for mineral identification. This is particularly the case in field geologic studies.

Evaluating and observing the physical properties of minerals is an excellent means to demonstrate the critical dependence of macroscopic features on atomic-level structure and arrangement.

The key physical properties of minerals are not always expressed in specific samples. Therefore, actually being able to recognize and use these properties as diagnostic tools requires a combination of science, experience, and craft. Often, the geologist must utilize a hand lens to evaluate relatively small mineral crystals or grains within the matrix of a larger rock. In such cases, it can become a distinct challenge to identify the useful aspects of crystal form and crystal cleavage.

In an academic or teaching setting, the evaluation of minerals via hand sample analysis is an exercise that demonstrates how repetitive patterns and characteristics are imposed by the physical chemistry of natural materials. In other words, for any specific mineral, there are certain crystallographic features (e.g. crystal morphology) and physical properties (e.g. color, hardness, streak) that are imposed by chemical composition and atomic structure.

In the realm of mineral resources and exploration geology, the identification of minerals via hand sample is a key component of fieldwork, aimed at locating potential ores and economically useful deposits. For example, the identification of various metal sulfides (pyrite, sphalerite, galena) in association with hydrothermal iron oxy-hydroxides (hematite, goethite, limonite) can be indicative of potential Au- and Ag-rich veins and regions.

In the context of historical geology (deciphering the deep temporal history of a region), mineral identification can set the stage for interpretations of ancient conditions. For example, certain metamorphic minerals (e.g. the Al2SiO5 polymorphs, kyanite, andalusite, and sillimanite) are markers of particular pressure and temperature conditions in the ancient crust.

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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JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Physical Properties Of Minerals I: Crystals and Cleavage. JoVE, Cambridge, MA, (2023).