Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Earth Science

This content is Free Access.

Hebrew
תכונות פיזיות של מינרלים I
 
Click here for the English version

תכונות פיזיות של מינרלים I: גבישים ומחשוף

Overview

מקור: המעבדה של אלן לסטר - אוניברסיטת קולורדו בולדר

המאפיינים הפיזיים של מינרלים כוללים תכונות מדידה ומובחנות שונות, כולל צבע, פס, תכונות מגנטיות, קשיות, צורת צמיחת גביש ומחשוף גביש. כל אחד מהתכונות הללו הן ספציפיות למינרלים, והן קשורות ביסודם לאיפור הכימי של מינרל מסוים ומבנה אטומי.

ניסוי זה בוחן שתי תכונות הנובעות בעיקר מחזרה סימטרית של קבוצות אטומיות בסיסיות ומבניות, הנקראות תאי יחידה, בתוך סריג גביש, צורת גדילה גבישית ומחשוף גביש.

צורת צמיחה גבישית היא הביטוי המקרוסקופי של סימטריה ברמה אטומית, הנוצרת על ידי תהליך הצמיחה הטבעי של הוספת תאי יחידה (אבני הבניין המולקולריות של המינרלים) לסריג גביש גדל. אזורים של תוספת תא יחידה מהירה הופכים לקצוות בין המשטחים המשטחיים, כלומר פרצופים, של הגביש.

חשוב להכיר בכך שסלעים הם אגרגטים של גרגרים מינרליים. רוב הסלעים הם פולימינראליים (סוגים רבים של דגנים מינרליים) אך חלקם מונומינרליים ביעילות (המורכבים ממינרל יחיד). מכיוון שסלעים הם שילובים של מינרלים, סלעים אינם מכונים בצורת גביש. במקרים מסוימים, גיאולוגים מתייחסים סלעים כבעלי מחשוף כללי, אבל כאן המונח משמש פשוט להתייחס משטחים שבירה חוזרת ונשנית ואינו השתקפות של מבנה הגביש האטומי. אז, באופן כללי, המונחים צורת גבישי ומחשוף קריסטל משמשים בהתייחסות לדגימות מינרלים ולא דגימות סלע.

Principles

כל המינרלים הם בעלי תכונות פיזיות, אך תכונות ספציפיות וקלות לזיהוי הקשורות למאפיינים אינן תמיד באות לידי ביטוי בגביש בודד. לדוגמה, גבישי קוורץ יש צורה משושה אופיינית, אבל אם צמיחת הגביש מתרחשת בסביבה שבה מינרלים אחרים לחסום או לעכב את צורת הצמיחה הטבעית (וזה בדרך כלל המקרה ברוב הסלעים) אז הצורה המשושה לא נוצרת. לכן, עם זה בחשבון, חשוב לבחור בקפידה קבוצה מתאימה של דגימות עבור צמיחת גביש או ניתוח מחשוף קריסטל, כמו לא כל הדגימות להראות תכונות מפתח אלה.

יתר על כן, למרות שמחשוף קריסטל קל יחסית לבדיקה - על ידי שבירת מדגם עם פטיש - מינרלים שונים מדגימים מגוון של איכות מחשוף, כך שהמשטחים המשטחיים שנוצרו על ידי שבירה עשויים להיות מרופטים ומחוספסים (המכונים "מחשוף גרוע") או חלקים במיוחד (המכונים "טוב" או "מחשוף מעולה"). במקרים מסוימים(למשל קוורץ), חוזקות הקשר הקריסטלוגרפי אחידות לכל הכיוונים, והתוצאה היא מינרל עם מחסור במישורי מחשוף מוכרים.

Procedure

1. להקים קבוצה של דגימות מינרליות

  1. כלול כמה שיותר מהבאים: קוורץ, חליט, קלציט, גארנט, ביוטיט ו/או מוסקוביט. חלקם נבחרים עבור תכונות צמיחת קריסטל ואחרים עבור תכונות מחשוף קריסטל.

2. התבונן ונתח צורת קריסטל

  1. מניחים דגימה על משטח התצפית.
  2. סובב כדי להתבונן בכל הצדדים. חפשו פרצופי קריסטל, קצוות קריסטל (קווים שבהם נפגשים הפנים) וקתורי קריסטל (נקודות בהן הקצוות נפגשים).
  3. במידת האפשר, למדוד את הזוויות הבין-דתיות באמצעות גוניומטר. זה נעשה פשוט על ידי הנחת צד אחד של גוניומטר על פני קריסטל מסוים, הצד השני של גוניומטר על פנים סמוכות, ולאחר מכן לקרוא את הזווית.
  4. השווה לקבוצה של polyhedra גבישי אופייני.
  5. חזור על שלבים 2.1 – 2.4 עבור קוורץ (הערה בצורת דיפרמידל משושה (איור 1)), קלציט (צורת גודל הערה (איור 2)), חליט (צורת גביש מעוקב הערה (איור 3)), גארנט (צורת dodecahedron הערה (איור 4)) וביוטייט (הערה פסאודו-משושה צורה (איור 5)).

Figure 1
איור 1. קוורץ מציג צורה דיפרמידלית משושה.

Figure 2
איור 2. קלציט המציגה טופס scalenohedron. שים לב כיצד מספר פרצופי קריסטל מצטלבים ויוצרים קצוות קריסטל ושילוב הקצוות יוצר נקודות המכונות "קודקודים". צורות צמיחה של גביש סימטרי נוצרות על ידי חזרה על מבנים אטומיים בסיסיים (תאי יחידה) בתוך סריג הגביש. במקרה זה, צמיחת גביש קלציט מייצרת את פוליהדרון ספציפי המכונה scalenohedron.

Figure 3
איור 3. חליט מציג צורת גביש מעוקב.

Figure 4
איור 4. גארנט מציג טופס דודקהדרון.

Figure 5
איור 5. ביוטייט המציג צורה פסאודו-משושה.

3. התבונן וניתח מחשוף

  1. שים על הגנה על העיניים.
  2. מניחים חתיכת קוורץ על משטח שבירה.
  3. בעזרת פטיש, לשבור את חתיכת קוורץ לשניים.
  4. באמצעות עדשת יד, התבונן בחתיכת קוורץ שבורה למשטחי מחשוף. שים לב שלקווירץ אין. קוורץ מציג שבר קונכוידאלי, אך אין משטחי מחשוף מוגדרים היטב(איור 6). זוהי תוצאה של העובדה כי תאי היחידה בסריג גביש קוורץ (SiO4 קבוצות, הנקרא סיליקה tetrahedral) יש עוצמות קשר שווה יחסית לכל הכיוונים. אחידות זו של חוזקות הקשר גורמת לקריסטל ללא מישורי שבירה מועדפים.
  5. חזור על שלבים 3.2 – 3.4 עבור קלציט (אמור להציג מחשוף rhombohedral (איור 7)), חליט (צריך להציג מחשוף מעוקב (איור 8)), ביוטיט ו/או מוסקוביט (אם כל מחשוף מתכנן תצוגה(איור 9)).
  6. השתמש בעדשת יד כדי להעריך תכונות מחשוף שונות. מחשוף יכול להתרחש במגוון רמות. כאשר יש הבדל דרמטי בחוזקות הקשר בכיוון מסוים, כגון בין גיליונות של קיבוצים SiO4 במקרה של נציץ, מחשוף כמעט מושלם נוצר בין גיליונות אלה. כפי שצוין לעיל, קוורץ מציג חוסר כמעט מוחלט של מחשוף. בין הקצוות האלה (של מחשוף מושלם וחוסר מחשוף), ישנם מינרלים שיש להם מחשוף טוב(למשל פצלת קרלד) ומחשוף גרוע (פרצופים מסוימים על גבישי אמפיבול).

Figure 6
איור 6. קוורץ מציג שבר קונכוידי, ללא משטחי מחשוף.

Figure 7
איור 7. קלציט המציגה מחשוף רומבוהדרלי. משטחי שבירה ושברים סימטריים נוצרים על ידי אזורים של חולשה יחסית בקשר אטומי בתוך סריג הגביש. מחשוף קלציט גורם לפוליהדרון הספציפי המכונה רומבוהדרון.

Figure 8
איור 8. חליט מציג מחשוף מעוקב.

Figure 9
איור 9. ביוטיט המציג מחשוף.

מינרלים הם חומרים אנאורגניים הנמצאים בכדור הארץ, עם תכונות ייחודיות המסייעות בזיהוי וניתוח.

מינרלים רבים מציגים מבנה גבישי. לחומרים גבישיים אלה יש סידורים אטומיים מסודרים ביותר, המורכבים מקבוצות אטומיות חוזרות, הנקראות תאי יחידה. מכיוון שתאי היחידה זהים בתוך גביש, הם אחראים לסימטריה של הגביש בקנה המידה הזעירי והמאקרו.

סימטריה זו גורמת גבישים מינרליים לשבור, או לבקע, באופן צפוי. מחשוף הוא הנטייה של גביש לשבור לאורך מישורים מבניים חלשים. לפיכך, האופן שבו דבק מינרלי מספק תובנה על מבנה הגביש שלו.

וידאו זה ידגים את הניתוח של צורות גבישים מינרליים בקנה מידה מאקרו על ידי שבירת דגימות מינרלים והתבוננות במחשוף שלהם.

מוצקים גבישיים מכילים אטומים המאורגנים בתבנית חוזרת ונשנית, ואילו מוצקים אמורפיים אין סדר. לדוגמה, פחמן ניתן למצוא בצורות רבות. האטומים בפחמן אמורפי מאורגנים באופן אקראי, ואילו האטומים ביהלום מסודרים בגביש מסודר.

גביש הוא מערך של תאי יחידה זהים וחוזרים, המוגדרים על ידי אורך קצות תא היחידה וזוויות ביניהם. מבנים חוזרים אלה משתרעים לאין שיעור בשלושה כיוונים מרחביים, ומגדירים את האחידות והמאפיינים של הגביש.

ישנם שבעה תאי יחידה בסיסיים. לתא היחידה הפשוט ביותר, לקוביה, יש אורכי קצה שווים ואטום בכל פינה. הווריאציות כוללות טטרגונאלי ואורתו-אתומבי, בעלי אורכי קצה שונים.

למבני גביש Rhombohedral יש גיאומטריית פנים מקבילה דומה ללא זוויות ישרות. חד-קוליני וטריקלין דומים בצורתם, אך עם זוויות ואורכי קצה מגוונים. לבסוף, המבנה המשושה מורכב משני פרצופים משושים מקבילים, עם שישה פרצופים מלבניים.

שינויים במבנים אלה מתעוררים כאשר אטומים נוספים כלולים בפני הגביש, הנקראים פנים מרוכזות, או בגוף הגביש, הנקראים גוף ממורכז.

כאשר גבישים נשברים, הם נוטים להיצמד לאורך מישורי קריסטל חלשים מבחינה מבנית. איכות המחשוף תלויה בעוצמת הקשרים במטוס ובחוצה לו. מחשוף טוב מתרחש כאשר כוחם של הקשרים בתוך המקום חזק יותר מאלה שמעבר למישור. מחשוף מסכן יכול להתרחש כאשר חוזק הקשר חזק על פני מישור הגביש. גבישים עשויים להבקע בכיוון אחד, הנקרא מחשוף בזאלי, וכתוצאה מכך שני פרצופים מחשופים. התוצאה היא קשרים אטומיים חזקים בתוך המישור, אך קשרים חלשים בין המטוסים.

באופן דומה, גבישים עשויים להיצמד לשני כיוונים, בשל שני מטוסים חלשים, וכתוצאה מכך ארבעה פרצופים מבקעים ושני פרצופים שבורים. צורות מעוקבים ורמבוהדרליים נובעות ממחשוף בשלושה כיוונים. צורות אוקטהדרל ודדקהדרל נובעות מארבעה ושישה מטוסי שבר, בהתאמה.

מינרלים מסוימים אינם נצמדים לאורך מישור קריסטל כלל, בשל קשרים חזקים לכל הכיוונים, ובמקום זאת גורמים לשבר לא סדיר.

עכשיו שכיסינו את היסודות של מבנה הגביש, ואת הסוגים השונים של מחשוף קריסטל, בואו נסתכל על המאפיינים האלה בדגימות מינרליות אמיתיות.

כדי לנתח צורות קריסטל, אסוף תחילה קבוצה של דגימות מינרליות, כגון קוורץ, חליט, קלציט, גארנט, ביוטייט ומוסקוביט.

הנח את הדגימה על משטח התצפית. סובבו את הדגימה כדי לצפות בכל הצדדים. חפשו פרצופי קריסטל, קצוות קריסטל וקודקודים גבישיים.

במידת האפשר, למדוד את הזוויות הבין-דתיות באמצעות גוניומטר. כדי לעשות זאת, הנח צד אחד של הגוניומטר על פני קריסטל מסוים, ואת הצד השני של גוניומטר על פנים סמוכות. אז תקרא את הזווית.

השווה את התצפיות לקבוצה של polyhedra גבישי אופייני. חזור על שלבים אלה עבור מינרלים אחרים, ושים לב להבדלים.

דגימות קוורץ יש צורת גביש דיפרמידל משושה, כפי שצוין על ידי 6 הצדדים.

חומר הקלציט, מציג צורת scalenohedron, כפי שמוצג על ידי 8 פרצופים של מבנה הפירמידה התאומה.

Halite, מראה מבנה מעוקב אופייני, עם זוויות של 90°.

לגארנט יש משטחים זוויתיים עם 12 צדדים, מה שמעיד על צורת דודקהדרון שלו.

לבסוף, ביו-ביט יכול להראות צורה משושה לכאורה.

לאחר מכן, כדי לצפות במחשוף קריסטל, תחילה לשים על הגנה על העיניים.

מניחים חתיכת קוורץ על המשטח השובר. בעזרת פטיש, לשבור את חתיכת קוורץ. באמצעות עדשת יד, התבונן בחתיכת הקוורץ השבורה למשטחי מחשוף. שים לב שלקווירץ אין.

לתאי היחידה בסריג הגביש הקוורץ יש עוצמות קשר שוות יחסית לכל הכיוונים, וכתוצאה מכך גביש ללא מישורי שבירה מועדפים, הנקרא שבר קונכוידיאלי.

לאחר מכן, חזור על שלב שבירה זה עבור דגימות אחרות. השתמש בעדשת יד כדי להעריך תכונות מחשוף שונות.

כאשר יש הבדל דרמטי בחוזקות הקשר באוריינטציה מסוימת, כגון בין גיליונות של קיבוצים סיליקט במקרה של נציץ, מחשוף כמעט מושלם נוצר בין גיליונות אלה, הנקרא מחשוף בזאלי.

ביוטיט ומוסקוביט מציגים כל מחשוף בזאלי, עם מישור שבירה אחד.

חליט מציג מחשוף מעוקב, הנובע משלושה מישורי מחשוף ב-90 מעלות.

קלציט מציגה מחשוף רומבוהדרלי, הנובע משלושה מטוסי מחשוף ב-120 ו-60 מעלות.

ניתוח מבנה הגביש חשוב להבנת סוגי המינרלים הנמצאים בשטח.

הניתוח הכמותי של מבנה הגביש יכול להתבצע באמצעות עקיפה של קרני רנטגן, או XRD.

בדוגמה זו, מבנה הגביש של תחמוצת ברזל היה מסונתז מתערובת של המטיט וברזל בטמפרטורה גבוהה ולחץ בתא סדן יהלום. דפוס פיזור XRD נותח לאורך כל התגובה כדי לקבוע את מבנה הגביש.

התוצאות הראו טבעות דבי חלקות או מנומרות, המצביעות על גבישיות. מיקומה של כל טבעת מבהיר את מבנה הגביש, שכן כל טבעת מתאימה למישור קריסטל.

בשל מאפיין המחשוף המישורי שלו, ולכן משטח שטוח מבחינה אטומית, נציץ משמש לעתים קרובות כמצע להדמיית מולקולות קטנות.

בדוגמה זו, נציץ שימש כמצע להדמיה של מולקולות פוטורצפטור באמצעות מיקרוסקופיה של כוח אטומי, או AFM. דגימת החלבון נזרעה לגיליון נציץ שנבקע זה עתה, ולאחר מכן נשטפה עם חוצץ.

לאחר מכן, המדגם צולם באמצעות תא נוזל. מצע הנציץ איפשר הדמיה ברזולוציה גבוהה של דגימת החלבון בשל פני השטח השטוחים מבחינה אטומית.

הרגע צפית בהקדמה של JoVE לתכונות פיזיות של מינרלים. כעת עליכם להבין את היסודות של תאי יחידת הגביש, וכיצד לקבוע את מישורי מחשוף הגביש. תודה שצפיתם!

Applications and Summary

מבחינה היסטורית, הערכת התכונות הפיזיות של מינרלים הייתה צעד ראשון מרכזי בזיהוי מינרלים. גם כיום, כאשר חסר מכשור אנליטי מיקרוסקופי ומודרני (למשל מיקרוסקופיה פטרוגרפית, עקיפה של קרני רנטגן, פלואורסצנטיות של קרני רנטגן וטכניקות מיקרואורגניזמים אלקטרונים), תכונות פיזיות נצפות עדיין שימושיות למדי ככלי אבחון לזיהוי מינרלים. הדבר נכון במיוחד במחקרים גיאולוגיים בשטח.

הערכה והתבוננות בתכונות הפיזיות של מינרלים היא אמצעי מצוין להדגים את התלות הקריטית של תכונות מקרוסקופיות במבנה וסידור ברמה אטומית.

המאפיינים הפיזיים העיקריים של מינרלים לא תמיד באים לידי ביטוי בדגימות ספציפיות. לכן, למעשה היכולת לזהות תכונות אלה ולהשתמש בהן ככלי אבחון דורשת שילוב של מדע, ניסיון ומלאכה. לעתים קרובות, הגיאולוג חייב להשתמש בעדשת יד כדי להעריך גבישים מינרליים קטנים יחסית או דגנים בתוך המטריצה של סלע גדול יותר. במקרים כאלה, זה יכול להיות אתגר ברור לזהות את ההיבטים השימושיים של צורת הגביש ומחשוף הגביש.

במסגרת אקדמית או לימודית, הערכת מינרלים באמצעות ניתוח מדגם יד היא תרגיל הממחיש כיצד דפוסים ומאפיינים חוזרים ונשנים מוטלים על ידי הכימיה הפיזית של חומרים טבעיים. במילים אחרות, עבור כל מינרל ספציפי, ישנן תכונות קריסטלוגרפיות מסוימות (למשל מורפולוגיה של קריסטל) ומאפיינים פיזיים(למשל צבע, קשיות, פס) המוטלים על ידי הרכב כימי ומבנה אטומי.

בתחום המשאבים המינרליים וגיאולוגיה של חקר, זיהוי מינרלים באמצעות מדגם יד הוא מרכיב מרכזי בעבודת שטח, שמטרתו לאתר עפרות פוטנציאליות ומרבצים שימושיים מבחינה כלכלית. לדוגמה, זיהוי של גופרית מתכת שונים (pyrite, sphalerite, galena) בשיתוף עם ברזל הידרותרמי אוקסי-הידרוקסידים (המטיט, גותיט, לימוניט) יכול להצביע על ורידים ואזורים עשירים Au- ו- Ag פוטנציאליים.

בהקשר של גיאולוגיה היסטורית (פענוח ההיסטוריה הזמנית העמוקה של אזור), זיהוי מינרלים יכול להגדיר את הקרקע לפרשנויות של תנאים עתיקים. לדוגמה, מינרלים מטמורפיים מסוימים (למשל Al2SiO5 פולימורפים, כיאניט, אנדלוסיט, וסילמנייט) הם סמנים של לחץ מסוים ותנאי טמפרטורה בקרום העתיק.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Tags

ערך ריק בעיה

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter