Основні теоретичні положення

Верхня оболонка Землі – земна кора складена різноманітними мінералами і гірськими породами.

Мінерали – природні сполуки або самородні елементи з певним хімічним складом, внутрішньою будовою, морфологічними і фізичними властивостями, що утворилися в природних умовах в результаті різноманітних геологічних процесів.

Мінерали в природі знаходяться переважно у твердому стані, рідше зустрічаються рідинні (ртуть) і газоподібні (горючі гази, вуглекислий газ та ін).

Серед твердих мінералів виділяють кристалічні та аморфні, які різко відрізняються між собою не тільки внутрішньою будовою, але й зовнішнім виглядом. Ці особливості, в основному, визначають ті геологічні і термодинамічні умови, в яких формуються окремі мінерали або їх асоціації, тобто гірські породи і руди. Знання цих особливостей необхідно як при пошуково-розвідувальних роботах, так і при розробці технологій буріння свердловин, системи розробки нафтових і газових родовищ.

Тверді мінерали в більшості випадків є кристалічними речовинами. Характерною особливістю для них є їх кристалічна внутрішня будова, яка виражається в закономірному розташуванні в просторі атомів, іонів або молекул. Таке закономірне розташування атомів, іонів або молекул призводить до того, що кристалічні мінерали зовнішньо набувають правильної геометричної форми, утворюючи різноманітні багатогранники. В аморфних - подібні структури відсутні, а тому відстані між атомами, іонами або молекулами можуть бути різноманітними.

Визначення агрегатного стану мінералів проводиться на реальних зразках. При цьому необхідно встановити, в якому стані знаходиться мінерал – кристалічному чи аморфному. Визначення цих особливостей рекомендується проводити як візуально, так і з допомогою бінокулярної лупи або мікроскопа.

При вивченні аморфних мінералів необхідно пам’ятати, що для них характерні різні натічні форми у вигляді окремих концентрично-зональних виділень або корок без правильного зовнішнього огранювання, часто фарфоро- або склоподібного вигляду. Аморфні мінерали переважно набувають форми простору, в котрому вони сформувались.

Для більшості кристалічних багатогранників характерною особливістю є їх симетрія, яка проявляється в повторенні окремих частин кристалу відносно так званих елементів симетрії, певне ціле число разів.

В комплекс елементів симетрії, за допомогою яких визначається симетрія кристалу, входять центр інверсії, поворотні осі симетрії, інверсійні осі симетрії, площини симетрії та одиничні напрями.

Центр інверсії (С) - це точка всередині фігури, через яку, якщо провести пряму, то по обидві сторони від неї на однакових відстанях знаходяться аналогічні частини фігури.

Поворотні осі симетрії (L) - це прямі, при обертанні навколо яких на 360⁰ частини фігур повторюються “n” ціле разів. Осі симетрії бувають другого (L₂-180⁰), третього (L₃-120⁰), четвертого (L₄-90⁰) і шостого (L₆-60⁰) порядків. Осі першого порядку (L₁-360⁰) присутні в усіх кристалах в необмеженій кількості і визначального значення для систематики кристалічних тіл не мають. Осі п’ятого, сьомого і вище непарних, а також парних восьмого, дванадцятого та ін. порядків в кристалах відсутні в зв’язку з тим, що їх наявність привела б до порушення щільності кристалів.

Площини симетрії (Р) - це площини, які ділять кристал на дві рівнозначні частини, розміщені одна відносно другої як предмет і його дзеркальне відбиття. Площини симетрії проходять через ребра, перпендикулярно до граней і через вершини, ділячи гранні кути на дві рівні частини.

За комплексом елементів симетрії всі кристалічні багатогранники об’єднуються в 32 види (класи симетрії), які в свою чергу згруповані в сім наступних сингоній: триклінну, моноклінну, ромбічну, тригональну, тетрагональну, гексагональну і кубічну, які об’єднані в три категорії - нижчу, середню і вищу. При цьому кожній із названих сингоній і категорій притаманні свої визначальні елементи симетрії та параметри елементарної комірки кристалічної структури.

На кристалах можуть бути розвинутими як грані однакові за своєю зовнішньою формою і розмірами (в ідеальному випадку), так і грані різні за своєю формою і розмірами. Грані кристалів однакові за своєю формою і розмірами і пов’язані між собою відповідними елементами симетрії носять назву простих форм.

Сукупність декількох простих форм розвинутих на одному кристалі і пов’язаних між собою елементами симетрії носить назву комбінації.

Мінерали, сформовані в надрах Землі або на її поверхні, можуть бути представлені як окремими індивідами (кристалами або їх уламками і зернами), так і різними агрегатами (зростками).

За своєю зовнішньою формою (габітусом) мінеральні індивіди діляться на три основні типи: ізометричний, видовжений і сплюснутий.

Серед мінеральних агрегатів виділяють два типи зростань - закономірні і незакономірні.

До закономірного типу зростань належать епітаксичні і паралельні зростання, двійники, трійники, п’ятірники, шестірники тощо.

До незакономірного типу зростань належать зернисті і землисті агрегати, а також дендрити, друзи, конкреції, секреції, ооліти, сфероліти, сталактити і сталагміти тощо.

Головними фізичними властивостями мінералів є:

- густина;

- механічні: твердість, спайність, злам, ковкість;

- оптичні: прозорість, забарвлення, колір риси, блиск;

- магнітність;

- радіоактивність;

- горючість;

- розкладання;

- смак.

Густина являє собою масу речовини, яка припадає на 1 см³ дистильованої води при 1-4 С⁰. Величина густини мінералів коливається від 0.8 г/см³(озокерит) до 23г/см³ (осмієвий іридій).

Визначення густини проводиться зважуванням мінералів “на руці”, тобто визначається його відносна вага.

Для визначення густини мінералів рекомендується користуватися нижче приведеною шкалою (таблиця 1.1).

В природі найчастіше зустрічаються мінерали густиною від 2 до 5г/см³.

Таблиця 1.1 - Групи відносних густин мінералів і їх характеристика

Групи	Густина	Границі густини, г/см³	Типові мінерали і їх густина
І	Дуже легкі	< 1,0	Озокерит – 0,8-0,9
ІІ	Легкі	1,0-4,0	Янтар – 1,05 Флюорит – 3,25
ІІІ	Середні	4,0-7,0	Халькопірит – 4,3 Барит – 4,7
ІV	Важкі	7,0-10,0	Галеніт – 7,6
V	Дуже важкі	> 10,0	Золото – 18,0

Твердість являє собою одну із найважливіших діагностичних ознак мінералів. Під твердістю розуміють ступінь опору мінералу зовнішньому механічному впливу. Для визначення твердості в лабораторних і польових умовах прийнято шкалу Мооса, у якій в якості сталих наводяться мінерали з відомою і постійною твердістю.

Ці мінерали розташовуються в порядку зростання твердості так, що попередній мінерал подряпується наступним (таблиця 1.2).

Для визначення твердості мінералу гострим кінцем уламка мінералу-еталону натискають на мінерал. Якщо еталон залишає подряпину на мінералі, то його твердість вища, якщо залишає слід еталону у вигляді порошку, то його твердість нижча від твердості досліджуваного мінералу. Підбираючи так еталони і визначають відносну твердість.

На практиці часто застосовують для визначення твердості різні широко розповсюджені предмети. Так, твердість олівця – 1, нігтя -2, бронзової монети – 3,5-4, скла – 5, голки і ножа – 6, напильника – 7.

Таблиця 1.2 - Шкала Мооса і основні її показники

Відносна твердість	Найменування мінералу-еталону	Основні показники мінералу-еталону
	Тальк	Залишає сліди на папері, дереві, шкірі
	Гіпс	Подряпується нігтем
	Кальцит	Подряпується мідною голкою
	Флюорит	Подряпується залізною голкою, цвяхом
	Апатит	Слабо подряпується сталевою голкою
	Ортоклаз	Слабо ріже скло під великим натиском
	Кварц	Добре ріже скло під великим натиском
	Топаз	Ріже скло під невеликим натиском
	Корунд	Слабо ріже скло без натиску
	Алмаз	Добре ріже скло

Спайність - це здатність мінералу розколюватися або розчіплюватися по паралельних площинах, які відповідають певним кристалографічним напрямкам, по яких в кристалічній структурі проявляється найменша сила зчеплення атомів, іонів або молекул. В залежності від характеру площин спайності виділяють п’ять типів спайності (таблиця 1.3).

Таблиця 1.3 - Спайність мінералів і їх характеристика

Типи спай-ності	Назва спайності	Характер площин спайності	Типові мінера-ли
І	Дуже досконала	Мінерал легко розчіплюється на тонкі листи із утворенням дзеркальних площин спайності	Муско-віт
ІІ	Доскона-ла	Мінерал розчіплюється на пластини з утворенням поодиноких східців	Гіпс
ІІІ	Середня	Мінерал слабо розколюється на пластини. Характерні раковисті сходинки і слабо виражені площини спайності	Мікро-клін
ІV	Малопо-мітна	Мінерал не розколюється по певних площинах, а утворює одиничні східці. В цілому поверхня розлому нерівна, пагорбкова	Кварц
V	Відсутня	Мінерал утворює тільки мушлевидну поверхню зламу	Золото

При визначенні типу спайності мінералу необхідно пам’ятати, що вона в залежності від типу структури може проходити в одному (слюди), двох (амфіболи), трьох (галіт), в чотирьох (флюорит) напрямках. Спайність визначається при подрібненні мінералів. При необхідності тип спайності рекомендується визначити під бінокулярним мікроскопом.

Необхідно вміти відрізнити площини спайності від граней кристалу. Площини спайності мають більш сильний блиск і свіжий вигляд. Крім того вони утворюють ряд паралельних одна одній поверхонь які в більшості випадків гладкі або глянцюваті.

Злам - це вид поверхні, утвореної при розколюванні мінерального індивіду. Він є важливою діагностичною ознакою ряду мінералів. Виділяють наступні типи зламів (таблиця 1.4).

Визначення типу зламу проводиться візуально або під бінокулярним мікроскопом.

Ковкість – властивість мінералів під дією механічних сил розплющуватися на тонкі пластинки.

Для визначення ковкості по зерну або кристалу мінералу необхідно вдарити молотком. Якщо зерно або кристал розплющуються на тонкі пластинки, то мінерал ковкий, а якщо кришиться, то мінерал крихкий.

Таблиця 1.4 - Основні типи зламів та їх характеристика

Типи зламу	Назва зламу	Характеристика поверхні зламу	Характерні мінерали
	Дзеркально-рівний	Рівна, дзеркальна	Мусковіт,біотит
	Сходинковий	Сходинкова в декількох напрямках	Польові шпати, флюорит, галіт
	Нерівний без дзеркальних поверхонь	Нерівна без дзеркальних площин	Берил, турмалін
	Мушлевидний (раковистий)	Пагорбкова, мушлевидна	Кварц, халцедон, бурштин
	Скалкоподіб-ний	Скалковидна, гачкувата	Торці волокнистих серпентину, гіпсу

Прозорість – це властивість мінералу пропускати через себе певну кількість світлових променів у видимому спектрі. Прозорість тіснішим чином пов’язана з блиском і визначається коефіцієнтом поглинання світла. В залежності від коефіцієнта поглинання світла всі мінерали можна поділити на три групи: прозорі, напівпрозорі і непрозорі.

Визначення прозорості мінералів в лабораторних умовах проводиться на спеціальних приладах – рефрактометрах, які дозволяють встановити показник внутрішнього відбиття мінералу в процентах.

В польових умовах визначення типу прозорості рекомендується проводити згідно шкали прозорості, в яку входять: прозорий гірський кришталь, напівпрозорий сфалерит (клейофан) і непрозорий пірит. Однак визначення прозорості рекомендується проводити в тонких уламках або пластинках за допомогою бінокулярного мікроскопу в проходячому світлі.

Забарвлення - характер взаємодії електромагнітного випромінювання видимого діапазону світлових хвиль з електронами атомів, іонів або молекул, які входять в склад кристалічної структури мінералів. Встановлено, що видимий спектр електромагнітних хвиль коливається в межах 3800-7600А. Їх довжини викликають сім основних типів забарвлення: фіолетове, синє, блакитне, зелене, жовте, оранжеве, і червоне. Крім хімічного складу мінералу, на його забарвлення часто впливають механічні домішки, дефекти в кристалічних структурах, мікротріщини та ряд інших факторів. Ряд мінералів змінюють своє забарвлення в залежності від кристалографічних напрямків.

Згідно сучасної класифікації, виділяють три типи забарвлення: ідіохроматичне, алохроматичне і псевдохроматичне.

Ідіохроматичне (власне) забарвлення обумовлене певними особливостями хімічних елементів, які входять в його склад (структуротворні, ізоморфні домішки – хромофори), характером електронної, так званої зонної структури мінералів, а також наявністю в структурах мінералів різних дефектів.

Алохроматичне забарвлення мінералів є наслідком включень в них сторонніх домішок у вигляді різнозабарвлених інших мінералів, пухирців газів і рідин. Це забарвлення не пов’язане з власне хімічним складом мінералів. Отже воно не постійне.

Псевдохроматичне забарвлення обумовлене процесами дифракції і інтерференції світлових променів в кристалічних структурах мінералів, а також розсіюванням, заломленням, повним внутрішнім відбиттям білого світла, з особливостями будови мінеральних індивідів (закономірне повторення фаз різного складу в іризуючих сонячних і місячних різновидностях польових шпатів), глобулярної будови атомів, наявності органічних домішок в перлах, утворення іризуючих плівок на поверхні зерен або кристалів в результаті їх окислення та ін.

Вивчення та визначення забарвлення в лабораторних умовах проводиться шляхом одержання кривих спектрального поглинання, при якому фіксується поглинання відповідних ліній головніших хромофорів з певною довжиною хвилі. Для візуального визначення кольорів мінералів рекомендується користуватися нижче наведеною шкалою забарвлення яка включає 11 мінералів-еталонів (таблиця 1.5).

Таблиця 1.5 - Шкала основних кольорів мінералів

№ п/п	Колір	Типовий мінерал
	Водянопрозорий	Гірський кришталь
	Білий	Каолін
	Свинцево-сірий	Галеніт
	Бурий	Гематит
	Червоний	Кіновар
	Мідно-червоний	Самородна мідь
	Фіолетовий	Флюорит
	Зелений	Малахіт
	Жовтий	Сірка
	Латунно-жовтий	Піротин
	Залізисто-чорний	Магнетит

За характером забарвлення мінеральних індивідів чи агрегатів виділяють: однорідне забарвлення (пірит), зональне (малахіт), плямисте (галіт) та ін.

При визначенні природи забарвлення мінералів у штуфах, кристалах або в зернах необхідно відрізняти первинне забарвлення, яке виникає в процесі їх формування і вторинне, яке виникає в процесі вторинної зміни мінералу. Так, первинним є темно-зелене забарвлення рогової обманки, що обумовлене входженням в її структуру хромофору Fe²⁺ в Fe³⁺. Визначення забарвлення мінералів проводиться візуально.

Колір риси – являє собою колір мінералу в порошку. Багато мінералів в розтертому стані мають інший колір, ніж у монолітних зразках. Порошок можна одержати, проводячи куском мінералу по білій шорсткій поверхні фарфорової пластинки при умові, що твердість його менша від твердості фарфору. Якщо твердість мінералу вища твердості фарфору, то мінерал утворює на фарфорі подряпину.

Колір риси – важлива діагностична ознака цілого ряду мінералів. Так гематит, лімоніт і магнетит в зразках мають майже однаковий колір і їх можна розрізнити тільки по різному кольору риси – відповідно червоному, жовтому або чорному.

Блиск також є важливою діагностичною ознакою мінералів. Він залежить від показника заломлення мінералу і його здатності відбивати від своєї поверхні світло. Показник відбиття світла (блиск) в мінералах визначається в процентах і змінюється від 1% в озокериті до 95% в полірованому самородному сріблі. Для визначення типу блиску рекомендується користуватись нижче наведеною шкалою (таблиця 1.6).

Таблиця 1.6 - Основні типи блисків і їх характеристика

Тип	Назва блиску	Показник відбиття світла, %	Типові мінерали
	Скляний	1-10	Кварц, флюорит, гранати
	Алмазний	10-19	Алмаз, сфалерит
	Напівметалевий	20-25	Кіновар, гематит
	Металевий	>25	Галеніт, золото

Для визначення блиску необхідно враховувати характер поверхні мінералу, величину і форму його зерен, так як ці фактори приводять до появи специфічних блисків: жирного – для тонкозернистих світлозабарвлених і білих мінералів; смолистого – для темнозабарвлених мінералів; матового – для тонкодисперсних мінералів; шовковистого – для волокнистих мінералів; перламутрового – для лускуватих мінералів та ін. Визначення типу блиску проводиться візуально. Характер поверхні мінералу рекомендується продивитися під бінокулярним мікроскопом.

Магнітність – властивість мінералів взаємодіяти з магнітним полем. Магнітність визначається магнітними властивостями атомів, іонів і молекул, які складають мінерал, і його структурою. По суті всі мінерали можуть намагнічуватися в магнітному полі. Однак, найбільш здатними до намагнічування є мінерали, в склад яких входять атоми, що мають власний магнітний момент, обумовлений наявністю в них неспарених електронів. Це Fe³⁺, Fe²⁺, Mn⁴⁺, Mn³⁺, Cr³⁺, Co²⁺, Ni²⁺,Cu²⁺ та ін.

Визначення магнітності проводиться за допомогою магнітної стрілки. Якщо ж необхідно визначити величину магнітної сприйнятливості, то користуються магнітними вагами – вагою Калашникова та ін.

Радіоактивність – властивість мінералів випромінювати a-, b- і g- частинки при радіоактивному розпаді деяких елементів U,To,K,Cs та їх ізотопів. За величиною радіоактивного випромінювання всі мінерали діляться на три класи: 1 – сильнорадіоактивні; 2 – слаборадіоактивні; 3 – нерадіоактивні. В склад сильнорадіоактивних мінералів входять в основному уран і торій. В склад слаборадіоактивних мінералів входять калій, цезій та ін.

Горючість – властивість мінералів вільно горіти в атмосфері. Переважно випробування на горючість проводяться у полум’ї спиртівки. Для цього невеликий шматочок зразка мінералу закріплюється у пінцеті і поміщається в найбільш гарячу частину полум’я. Якщо мінерал загориться, то випробування закінчують, вдаючи мінерал горючим. У випадку, якщо мінерал не загориться після перебування у полум’ї 5-6 хвилин, його вважають негорючим. При визначенні мінералів на горючість рекомендується провести випробування із самородною сіркою (горить синім полум’ям із виділенням сірчистого газу) і озокеритом (горить жовтим полум’ям із виділенням копоті).

Розчинність – здатність мінералів розчинятися у воді або в інших рідинах. За ступенем і швидкістю розчинення мінерали діляться на 4 класи: легкорозчинні, розчинні, слабо розчинні і нерозчинні (таблиця 1.7).

Швидкість і величина розчинності залежить від ряду факторів, головним з яких є температура. Таким чином, при визначенні розчинності мінералів, рекомендується проводити її як при кімнатній температурі розчинника, так і при його підігріві в скляній пробірці на спиртівці або газовому пальнику.

Розкладання – здатність деяких мінералів розкладатися у кислотах або інших хімічно активних речовинах із виділенням в атмосферу деяких компонентів (таблиця 1.8).

Для визначення розкладання мінерал необхідно розтовкти в порошок, висипати в пробірку і залити відповідною кислотою. При такій методиці ступінь розкладання мінералу можна визначити як при кімнатній температурі, так і підігріві. Підігрів проводиться на газовому пальнику або полум’ї спиртівки. Одночасно із визначенням ступеню розкладання проводиться визначення виділень газів. Так, виділення H₂S супроводжується запахом “затхлих яєць”, розкладання миш’якових мінералів – запахом часнику та ін.

Таблиця 1.7 - Ступінь розчинності деяких мінералів

Ступінь розчинності	Розчинник	Температура	Типові мінерали
Легко розчинні	Вода Хлороформ	Без підігріву Без підігріву	Галіт, силь-він, карналіт Парафін, озокерит
Розчинні	Бензол Вода Соляна кислота	Без підігріву З підігрівом	Янтар, гіпс Ангідрит
Слаборозчинні	Вода Соляна кислота	Без підігріву З підігрівом	Ангідрит Магнезит
Нерозчинні	Вода	З і без підігріву	Кварц

Таблиця 1.8 - Найбільш характерні реакції розкладання деяких мінералів у різних кислотах

Назва кислоти, в якій розкладається мінерал	Назва мінералу	Виділяє	Без підігріву або з підігрівом
HCl	Кальцит Анортит Малахіт Магнезит Сфалерит	CO₂ CO₂ CO₂ CO₂ H₂S	Без підігріву З підігрівом Без підігріву З підігрівом З підігрівом
HNO₃	Сфалерит Галеніт	S S	З підігрівом З підігрівом

Смак – це здатність впливу мінералу на смаковий органолептичний апарат людини. Більшість мінералів не мають смаку, але для деяких характерним є специфічний смак. Особливо це відноситься до розчинних мінералів. За смаком виділяють солені (галіт), гірко-солені (карналіт) і пекучо-солені (сильвін) мінерали. Визначення смаку проводиться доторканням до мінералів кінчиком язика.

Оформлення звіту

Звіт про виконану роботу виконується на стандартних аркушах паперу. В звіті необхідно коротко викласти мету роботи та основні теоретичні відомості. Навести необхідні схематичні зарисовки та опис зразків.

Запитання для самоконтролю

1 Що таке мінерал?

2 Що таке кристалічний та аморфний стан мінералів та чим вони відрізняться один від одного?

3 За якими морфологічними ознаками можна відрізнити кристалічний стан мінералів від аморфних?

4 Назвіть основні елементи симетрії кристалів.

5 Назвіть основні габітусні типи мінеральних індивідів.

6 Що таке мінеральний агрегат і які основні їх типи виділяються за мінеральним складом?

7 Що таке густина мінералів і якими методами вона вимірюється?

8 Від чого залежить твердість мінералів?

9 Що таке спайність мінералів і від чого вона залежить?

10 Охарактеризуйте теплопровідність і радіоактивність мінералів?

11 Які головні радіоактивні елементи входять до складу мінералів?