Діагностика мінералів
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.
Что происходит, когда открывают новый минерал (кстати, не такой уж редкий случай, так как ежегодно регистрируют около 50 новых минеральных видов)? Вначале проводятся первые полевые испытания: определяют цвет минерала, его блеск, кристаллографические особенности, спайность и приблизительно плотность. В поле следует обратить особое внимание на все детали, связанные с местонахождением нового минерала, выяснить, в какой минеральной ассоциации он обнаружен, к какой геологической формации приурочен и т. д. Вместе с тем даже очень опытный коллекционер подчас обнаруживает несколько «новинок» одновременно. По большей части эти «новинки» оказываются хорошо известными минеральными видами, названия и описания которых временно улетучились из памяти этого любителя.
Разумеется, все необходимые полевые записи должны быть сделаны немедленно (см. главу 2), а если есть возможность сфотографировать минералы на месте их залегания, то тем лучше. Весьма полезно иметь представление о химическом составе минералов, так как на месторождении, где, например, фигурирует в основном один химический элемент, присутствуют минералы, в составе которых этот элемент превалирует.
Сразу же по возвращении из похода наступает второй этап исследований — работа с литературными источниками (см. главу I). Рентгеноструктурный анализ, хотя и выходит за пределы возможностей минералога-любителя, является очень важным методом, используя который можно получить информацию об элементном составе минерала и о пространственном расположении его атомов. Однако при интерпретации результатов этого анализа надо иметь некоторый опыт, поскольку рентгенограммы для целого ряда минералов могут оказаться достаточно сходными. При определении минерала используются различные виды химических анализов. Не исключено, что обнаруженный минерал (или очень сходный с ним по составу) был ранее получен искусственным путем в лаборатории; это должно быть упомянуто в специальной литературе. Если при ознакомлении с опубликованными материалами вы не обнаружите данных химического или рентгеноструктурного анализа, соответствующих вашей находке, можете считать, что открыт новый минерал. Если это так, вам остается дать его подробное описание.
Вначале надо сделать химический анализ обнаруженного минерала и подсчитать количественные соотношения входящих в него различных элементов или соединений. На этом этапе уже можно вывести его предварительную формулу; окончательная выводится только после получения точного состава минерала. Для установления сингонии, класса и группы минерала придется вновь прибегнуть к помощи рентгеноструктурного анализа. Эти исследования весьма трудоемки, поэтому при некоторых расчетах следует использовать счетные машины. [Определение сингонии начинается с изучения огранки кристалла, и нередко этого бывает вполне достаточно, чтобы установить сингонию.]
Оптические свойства (цвет, прозрачность, показатель преломления, двупреломление и т. д.) могут быть измерены только для достаточно крупного образца минерала (либо для его искусственного дубликата). Если имеется несколько образцов одного и того же минерала, при сопоставлении полученных по ним данных надо обратить внимание на все расхождения. Этого правила следует придерживаться и при проведении других анализов. Необходимо определить плотность испытуемого образца, что связано с некоторыми трудностями, если он представлен мелкими кристаллами. Экспериментальное значение плотности должно соответствовать расчетному значению, полученному по показателям преломления минерала.
Когда уже известны основные свойства и состав минерала, приступают к характеристике его местонахождения. Надо детально описать все сопутствующие минералы, а также зафиксировать их положение относительно вновь открытого вида. Кроме того, должны быть установлены тип и состав вмещающих пород. Следующий этап — наименование «новичка». Это — право основного автора, составившего описание минерала. Его название должно ясно и четко отличаться, как на слух, так и в транскрипции, от названий любых других минералов. Согласно существующему положению, название обязательно должно оканчиваться на «-ит».
Основные данные о минерале и его предполагаемое название представляются на рассмотрение Комиссии по новым минералам и их названиям Международной минералогической ассоциации (International Mineralogical Association Commission on New Minerals and Mineral Names). Эта организация проверяет полученную информацию и обсуждает вопрос о правомерности выделения нового минерального вида, что решается голосованием. [В СССР эти сведения подаются вначале в Комиссию по новым минералам и названиям минералов Всесоюзного минералогического общества АН СССР (199026. Ленинград, Васильевский остров, 21-я линия, д. 2). Эта комиссия создана в 1956 г., именно она послужила прототипом для Международной комиссии, созданной в 1958 г.]
Не исключена возможность, что в результате исследования подлинного статуса <новичка> из номенклатуры окажется исключенным какой-то другой минеральный вид, ранее общепризнанный. Как только Международная минералогическая ассоциация утвердит статус нового минерала, основной его исследователь получает право выпустить в свет стандартное описание этого минерала, публикуемое в соответствующих минералогических журналах и справочниках.
Разумеется, мы привели упрощенное описание всей процедуры, в результате которой минерал оказывается занесенным в официальный список. Многие испытания минералов здесь даже не упомянуты, так как для любителя они просто недоступны. Однако многие полевые наблюдения может выполнить сам коллекционер, а простые физические и оптические испытания вполне можно провести в домашних условиях, запасясь временем и терпением. Каждому любителю по силам охарактеризовать местонахождение минерала непосредственно в полевых условиях, с записью всех необходимых данных. Во многих случаях информация, собранная коллекционерами, может быть использована штатными специалистами музеев и других научных учреждений, что, естественно, облегчает диагностику каменного материала.
СИСТЕМАТИЗАЦИЯ НАБЛЮДЕНИЙ
Начиная с взятия самого первого образца необходимо составлять стандартное описание по определенной форме и в дальнейшем придерживаться этого порядка. Не допускаются беглые наброски в полевых дневниках; упустив ту или иную деталь в каждом конкретном случае, мы рискуем дать неполные сведения о предмете исследования. Учтите, что незафиксированные детали быстро забываются и восстановить их на расстоянии вряд ли удастся. Поэтому записи следует вести всегда в определенной последовательности. С каких свойств начинать и в каком порядке давать описание, целиком зависит от вас, но система ведения полевых записей должна быть разработана раз и навсегда. Это — единственно верный путь. Ниже приводится приблизительная схема такого описания.
- Местонахождение минерала, включая название местности, ближайшего города или деревни; название месторождения (рудника). Если возможно, датьвыкопировкуиз соответствующих топокарт.
- Характеристика места взятия образца. Если это рудник, то действующий или заброшенный? Открытые карьеры или подземные горные выработки? Чем представлены вмещающие породы, наблюдаются ли признаки их изменения? Какие еще минералы обнаружены? В какой связи с ними находится интересующий вас минерал: в тесной ассоциации, в контакте либо перемежается с другими минералами? Встречен ли он в виде друзы, заполняющей пустоту в породе, или в качестве наростов и корочек на других минералах? Может быть, он представлен рыхлым материалом? Где конкретно и на какой высоте по отношению к окружающей местности встречен минерал? (Он мог быть найден, например, у подножия карьера или на ложе действующего либо пересохшего водотока.)
Прежде чем вы отколете образец, сфотографируйте его, если это возможно на месте залегания. Тщательно осмотрите образец. Какого он цвета? До того как решать этот вопрос, смойте с него осторожно грязь (но только в том случае, если вы этим не повредите хрупких кристаллов!). Если ваш минерал прозрачный или полупрозрачный, понаблюдайте, не изменяется ли его окраска в различных направлениях. Проверьте, какой цвет черты у минерала (для этого проведите им по матовой фарфоровой пластинке). Старайтесь не причинить при этом вред вершинам или граням кристаллов. Многие минералы дают бесцветную или белую черту, но все же цвет черты — ценный дополнительный диагностический признак. Для ряда минералов цвет черты не совпадает с цветом самого минерала. Например, черный минерал может оказаться темно-красным в черте или в порошке.
Плотность минерала в поле можно определить весьма приближенно, «прикинув» для этого вес образца на руке и сопоставив его с объемом. Рудные минералы при этом всегда кажутся тяжелыми.
Следует отмечать любые блики на поверхности образца; это тоже диагностический признак, называемый блеском минерала. С этим свойством лучше всего познакомиться не в полевых условиях. Радужные цвета на блестящей поверхности минерала могут послужить индикатором зарождения плоскости спайности и дать представление о внутренней структуре кристалла.
Если найденный минерал имеет четкие грани, надо тут же детально описать их; вы не знаете, насколько хрупким он может оказаться. Имейте в виду, что из-за плохой упаковки на пути к дому разрушилось много прекрасных кристаллов! Если необходимо определить твердость минерала, возьмите в поле набор стержней твердости [стандартный набор заостренных кусочков минералов для определения твердости исследуемых образцов по шкале Мооса]. Впрочем, это можно проделать и в стационарных условиях.
По возвращении на базу образец прежде всего надо как следует почистить (методы чистки и сохранения минералов описаны в главе 2). В результате выявится множество особенностей, ранее скрытых под слоем грязи. Станет отчетливо видна форма кристаллов, можно будет различить двойники (если они имеются), проявятся прозрачность минерала, его спайность и т. д. Приступая к диагностике минерала, не так-то легко решить, с чего начать испытания, ибо до некоторой степени это зависит и от состояния, в котором находится образец.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ МИНЕРАЛОВ
Плотность вещества численно равна отношению его веса к весу того же объема дистиллированной воды при 4°С. В первую очередь с помощью аналитических весов надо взвесить испытуемый образец обычным способом. Затем его полностью погружают в дистиллированную воду, поместив предварительно в проволочную сетку, подвешенную на коромысле весов и соответствующим образом уравновешенную. Образовавшиеся на поверхности образца пузырьки воздуха следует осторожно снять щеточкой. Поверхностное натяжение воды устраняется добавлением в нее нескольких капель толуола (С6Н6СН6). Заметим, что вода имеет довольно высокое поверхностное натяжение, достаточное для того, чтобы воспрепятствовать правильному взвешиванию и привести к неверным результатам, в то время как нам нужна максимальная точность. Вообще вместо воды можно использовать толуол, но не забудьте, что его плотность равна не 1,00 г/см3, как у дистиллированной воды, а 0,88 г/см3.
Во время этих исследований вы не гарантированы от целого ряда недоразумений, начиная с того что минерал может вывалиться из сетки (кстати, описываемый здесь способ нельзя применять как для очень маленьких, так и для очень больших образцов) и кончая простыми ошибками в расчетах. Определения плотности предпочтительно проводить на мономинеральных образцах (а не на агрегатах), иными словами, на возможно более однородном материале. Опыты с пористыми минералами, хорошо впитывающими жидкость, также дадут искаженные результаты.
Образцы минералов, плотность которых по тем или иным причинам не может быть установлена таким методом (получившим название гидростатического), погружают последовательно в стандартный набор жидкостей с известной плотностью. При этом образец либо тонет в жидкости, либо всплывает, либо остается во взвешенном состоянии. В последнем случае разница между плотностью жидкости и образца является минимальной и нам достаточно знать плотность данной жидкости.
Плотность минерала измеряется в граммах на кубический сантиметр (табл. 4).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МИНЕРАЛОВ
Твердость минералов следует испытывать со всей возможной осторожностью, так как их легко при этом повредить. Стандартная шкала твердости была предложена Фридрихом Моосом в 1811 г. Она представляет собой список из 10 минералов под номерами от 1 до 10, расположенных в порядке возрастания твердости. Алмаз, как наиболее твердое из природных веществ, имеет номер 10.
Шкала твердости Мооса:
- Тальк
- Гипс
- Кальцит
- Флюорит
- Апатит
- Полевой шпат
- Кварц
- Топаз
- Корунд
- Алмаз
Следует отметить, что разница в твердости между каждыми двумя соседними эталонами не одинакова. [Обозначение твердости по шкале Мооса носит условный характер: например, хотя твердость алмаза равна 10, кварца — 7, а талька — 1, фактически кварц тверже талька в 3500 раз, а алмаз тверже кварца в 1150 раз.]
Каждый последующий минерал оставляет царапину на всех предыдущих (имеющих меньшие номера по шкале Мооса). Кварц (7) играет особую роль: в воздухе содержится много силикатной пыли, и вещества с относительно более низкой твердостью с течением времени подвергаются абразивному воздействию этой пыли (что надо иметь в виду при хранении драгоценных камней). Промежуточными членами шкалы могут служить ноготь (твердость около 2,5), лезвие перочинного ножа (5,5 [с некоторыми отклонениями в ту и другую сторону в зависимости от качества стали]), а также другие предметы обихода.
Твердость некоторых минералов изменяется в зависимости от направления. Например, у кианита вдоль оси кристалла твердость равна 4, а поперек — 7. В большинстве случаев окислы и силикаты тверже, чем сульфаты и карбонаты, галоиды и фосфаты. Обычно твердость минерала определяется путем нанесения царапины на испытуемом образце каким-либо предметом с известной твердостью, насаженным на деревянную рукоятку (так называемые карандаши твердости); при этом желательно пользоваться микроскопом или лупой. Пыль, образовавшаяся в результате процарапывания минерала, должна быть сдута с его поверхности, а борозда, обычно длиной всего несколько миллиметров, тщательно изучена. Некоторые минералы не могут процарапать исследуемый образец и оставляют на нем лишь незначительную отметину.
Твердость некоторых минералов по шкале Мооса приведена в табл. 5.
При определении твердости всегда испытывайте свежую поверхность минерала, так как поверхности, долгое время бывшие открытыми, могли претерпеть какие-либо изменения. Часто для этого можно использовать плоскости спайности или сделать небольшую пришлифовку. Некоторые минералы легко процарапать, но они почти не поддаются излому или дроблению. Это свойство называют прочностью минералов; ее значения варьируют в широких пределах. Хрупкий минерал легко изломать или растереть в порошок, а ковкий — раскатать на тонкие листы или вытянуть в проволоку (лучшим примером может служить золото). Легко режущиеся, мягкие минералы можно стругать ножом (как при очинке карандаша). Эластичные минералы легко поддаются изгибу, но затем вновь принимают свою форму. Гибкие минералы также изгибаются без нарушения сплошности, но их первоначальная форма уже не восстанавливается.
Примером легко режущихся минералов является гипс, хрупких — кальцит, гибких — селенит.
Если в результате одного из этих испытаний ваш образец разломился, вам остается только изучить природу образовавшегося излома. Наиболее распространенным видом излома является раковистый (со слабо искривленной поверхностью, напоминающей створки раковины). Самый характерный рисунок раковистого излома имеет стекло, в минералах он выражен менее отчетливо. Занозистый или крючковатый излом обладает острыми углами; встречается также волокнистый излом (это название говорит само за себя).
ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
Определить скорость света в большом чистом кристалле нелегко, но вполне возможно измерить предельный угол преломления светового луча с помощью инструмента, который называется рефрактометром. Образцы минералов часто бывают небольших размеров, и поэтому их можно рассматривать в специальной жидкости, показатель преломления которой известен. Если, например, кусок льда погрузить в воду, то его будет довольно трудно разглядеть, поскольку между показателями преломления воды и льда нет существенной разницы. Такой метод используют, чтобы установить показатель преломления различных минералов, которые с этой целью погружают в соответствующие жидкости. Поэтому в каждой лаборатории должен иметься большой набор эталонных жидкостей, получивших название иммерсионных.
Определение показателей преломления в кристаллах и разделение их на изотропные и анизотропные можно проводить с помощью специального микроскопа, называемого поляризационным. Для измерений, связанных с определением показателя преломления, каждый микроскоп должен быть снабжен тонко градуированным лимбом либо другими приспособлениями для выполнения измерений (впрочем, они имеются у всех поляризационных микроскопов). Если минерал погружен в иммерсионную жидкость, при подъеме тубуса микроскопа мы сможем увидеть световую полоску, перемещающуюся в сторону среды (минерала либо жидкости) с относительно большим показателем преломления. При опускании тубуса световая полоска переместится на среду с меньшим показателем преломления. Этот метод, особенно удобный, когда мы имеем дело с микроскопическими кристаллами, получил название «полости Бекке».
Если надо измерить показатель преломления ограненного драгоценного камня либо прозрачного кристалла, это делают в такой последовательности: вначале фокусируют микроскоп на кристалл, выполняют измерение у верхней поверхности кристалла, а затем — на предметном стекле, на котором находится образец. Царапины на поверхности образца и на стекле помогут провести точную фокусировку. После этого фиксируются измерения у основания кристалла. Первое показание (от верхней поверхности кристалла до предметного стекла) будет соответствовать кажущейся глубине кристалла, которая из-за рефракции меньше истинной глубины, отвечающей второму показанию (до основания кристалла). Отношение истинной глубины к кажущейся и даст искомое значение показателя преломления.
Для создания поляризованного света между предметным столиком микроскопа и источником света вмонтирован поляризатор [нижняя призма Николя, или просто николь]. Поляризатор изменяет проходящий свет таким образом, что его поперечные колебания распространяются только в одном направлении. Между объективом и окуляром (несколько ниже его) в тубус вмонтирован анализатор [верхняя призма Николя], пропускающий свет, колебания которого перпендикулярны к колебаниям света, прошедшим через поляризатор. Когда между поляризатором и анализатором на столике микроскопа находится изотропный кристалл, поляризованный луч пройдет через изотропную среду без изменений плоскости колебания и свет не попадет в окуляр, а следовательно, и в глаз наблюдателя, для которого поле зрения микроскопа останется темным. Все изотропные минералы и аморфные вещества (такие, как опал или стекло) остаются темными при любых вращениях столика микроскопа, вплоть до полного оборота на 360°.
ЦВЕТА ИНТЕРФЕРЕНЦИИ
Когда мы имеем дело с анизотропными минералами, световой луч распадается в них на два, каждый из которых плоско поляризован относительно другого. Если такой минерал поместить между двумя призмами Николя (или, как принято говорить, между двумя скрещенными николями), плоскости колебаний пропускаемого света в которых взаимно перпендикулярны, при повороте столика микроскопа на 360° будет наблюдаться четырехкратное погасание (затемнение) кристалла, а в промежуточных положениях кристалл останется освещенным.
Два луча, на которые разлагается падающий луч света при вхождении в кристалл, колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях и распространяются с различными скоростями. Один луч, который имеет большую скорость и меньший показатель преломления, получил название быстрого луча, а другой, с обратными свойствами, — медленного луча. Если пластинку анизотропного минерала с параллельными гранями поместить между скрещенными николями, оба луча будут взаимодействовать друг с другом — интерферировать, что обусловлено разностью их скоростей (быстрый луч придет раньше медленного).
В случае использования сложного белого света явление интерференции в результате усиления одних волн и ослабления других обусловливает цветовой эффект — так называемую интерференционную окраску. В монохроматическом свете при этом происходит усиление либо ослабление света. Это связано с тем, что один луч отстает от другого либо на четное число полуволн (наблюдаем затемнение или погасание), либо на нечетное (просветление минерала). В белом свете вместо погасания мы обнаруживаем цвета, дополнительные по отношению к тем, которые выпадают из спектра. Такие цвета и называются интерференционными.
В соответствии с возрастанием разности хода волн наблюдаются интерференционные цвета различных порядков: первого, второго, третьего и т. д. Поскольку интерференционная окраска возникает вследствие двупреломления света в кристалле и зависит от толщины среза минерала и его ориентировки, изменение направления света будет вызывать последовательную смену цветов интерференции. При любом заданном положении минерала, чем больше его толщина и двупреломление, тем выше порядок интерференционной окраски. Если же рассматривать постоянный по толщине срез минерала (либо по плоскости спайности, либо перпендикулярно к ней), мы получим единственно возможный и постоянный для этого минерала цвет интерференции.
Можно получать интерференционную окраску известных порядков, используя вспомогательные пластинки: гипсовую, слюдяную, кварцевую (кварцевый клин). Распространение быстрого луча либо направление колебаний волны с более низким показателем преломления параллельно длинной стороне любой из этих пластинок. Гипсовая пластинка («красная первого порядка») представляет собой выколотую по плоскостям спайности часть кристалла гипса такой толщины, при которой возникает постоянная красно-фиолетовая интерференционная окраска первого порядка. Слюдяная пластинка, или «пластинка четверть-волны», — это также скол по плоскостям спайности. Разность хода лучей в этой пластинке — 1/4 длины волны (интерференционная окраска в скрещенных николях серая первого порядка). [Такая пластинка увеличивает или уменьшает разность хода лучей в исследуемом кристалле примерно на 1/4 порядка и меняет интерференционную окраску кристалла на какой-либо из соседних с ней по шкале интерференционных цветов в сторону повышения или понижения.]
Кварцевый клин представляет собой удлиненную клиновидную пластинку, вырезанную из кристалла кварца, в которой направление колебания быстрого луча параллельно длинной стороне пластинки (клина), а медленного — перпендикулярно к ней. Когда клин вставляют в тубус микроскопа, постепенно передвигая от тонкого к утолщенному концу, соответственно возрастает разность хода быстрого и медленного лучей, благодаря чему можно наблюдать последовательную смену интерференционных цветов. Чем больше угол кварцевого клина, тем выше порядок цветов интерференции на каждом участке его длины. Если кварцевый клин используется при монохроматическом свете, мы будем видеть чередование темных и светлых полос; при темных разность хода соответствует четному числу полуволн, при светлых — нечетному.
Кристаллы, в которых проходящий свет разлагается на два преломленных луча, могут быть подразделены на два типа. Кристаллы первого типа имеют только одно направление, вдоль которого свет не испытывает двупреломления; это направление называется оптической осью. Такие кристаллы (относящиеся к тетрагональной, гексагональной и тригональной сингониям) называются одноосными. Одноосные кристаллы обладают двумя показателями преломления, один из которых является постоянным, а другой — переменным. Первый показатель обозначают через ω, второй — через ε. Кристаллы, у которых есть две оптические оси, называются двуосными. Они имеют три возможных показателя преломления, но на рефрактометре можно одновременно наблюдать только два из них (не изменяя положения кристалла).
Все три показателя преломления являются переменными величинами. Минимальный показатель обозначается через α, максимальный — через γ; с промежуточным значением — через β. Показатель β, за редкими исключениями, не является строго средним между α и γ, он бывает ближе то к одной, то к другой из этих величин.
Если какой-то срез кристалла (либо даже ограненный самоцвет) рассматривать в скрещенных николях, можно найти положение, при котором мы увидим интерференционную фигуру. Чтобы получить пучок сходящегося света, между изучаемым объектом и анализатором помещают 10-кратную линзу. При наблюдении вдоль оптической оси одноосного кристалла интерференционная фигура имеет форму темного креста с «нанизанными» на нем цветными (в белом свете) концентрическими кольцами (рис. 32). Ветви креста пересекаются в центре фигуры. Исключение составляет кварц, фигура которого имеет полый центр; она является уникальной и может служить диагностическим признаком. Эта фигура выражена очень четко, когда в скрещенных николях рассматриваются бусинки горного хрусталя. В таком случае нам не нужна линза для получения сходящегося пучка лучей, так как эти шарики сами играют роль линзы.

Интерференционная фигура для среза одноосного кристалла
Интерференционная фигура двуосных кристаллов может несколько варьировать по форме при вращении столика, но в основном она представлена цветными полосами, которые образуют замкнутые овалы с наложенными на них по краям двумя темными «кисточками» (неправильными полукружиями), обращенными выпуклостями друг к другу (рис. 33). При некотором положении могут быть получены крестообразные очертания, однако эта фигура отличается от образованной одноосным кристаллом по форме расположения цветных полос — наблюдаются два характерных рисунка, напоминающих «глазки», с каждой стороны от черного креста.

Интерференционная фигура для среза двуосного кристалла
ФЛЮОРЕСЦЕНЦИЯ И ФОСФОРЕСЦЕНЦИИ
Для диагностики многих минералов можно использовать такие характерные явления, как флюоресценция и фосфоресценция. [Люминесценция — испускание света веществом под воздействием внешнего возбудителя (излучателя); включает в себя как флюоресценцию (короткое свечение), так и фосфоресценцию (длительное свечение, или послесвечение).]
Флюоресценция — это свечение вещества, возникающее непосредственно при облучении его коротковолновым источником энергии. В большинстве минералов, обладающих свойством флюоресценции, содержится примесь ионов, получивших название активаторов.
Возбудителем люминесценции могут служить рентгеновское излучение, поток электронов и более знакомое минералогам длинно- и коротковолновое ультрафиолетовое излучение.
В спектре электромагнитного излучения фиолетовый участок характеризуется меньшей длиной волн, чем красный. Фиолетовый свет обладает большей энергией и поэтому представляет собой более мощный источник излучения. За фиолетовым отрезком видимого спектра расположен участок невидимого ультрафиолетового излучения, а далее — рентгеновского излучения, обладающего еще большей энергией. Если некоторые минералы подвергнуть действию ультрафиолетового излучения, они будут испускать более длинные волны, но с меньшей энергией. Так, если на рубин воздействовать длинноволновым ультрафиолетовым излучением, он будет давать красное свечение, имеющее более низкую энергию. Поскольку, однако, рубин во всех случаях имеет красный цвет, более характерным примером могут служить некоторые почти бесцветные алмазы (бледно-желтого оттенка). Многие из них под влиянием ультрафиолетового излучения начинают светиться небесно-голубым светом. При воздействии коротковолнового ультрафиолетового излучения на шеелит, бесцветный при дневном свете, он флюоресцирует ярко-голубым светом.
Источником длинноволнового ультрафиолетового излучения служит обычная ртутная лампа высокого давления, помещенная в тубус с кварцевой оптикой и снабженная светофильтром, пропускающим не только видимые (фиолетовые) лучи, но и широкую полосу с максимальным излучением 365 нм [365•10-9 м]. Эта полоса излучения является стимулятором флюоресценции. Источником коротковолнового ультрафиолетового излучения служит ртутно-кварцевая лампа низкого давления со светофильтром, пропускающим излучение с максимумом 253,7 нм. Через этот фильтр проходит и часть видимого спектра. Здесь необходимо заметить, что глаза следует предохранять от воздействия всякого излучения, а особенно коротковолнового; в противном случае это может привести к серьезным последствиям, а уж временное раздражение будет обеспечено.
Прежде чем приступать к исследованию флюоресцирующих минералов, следует познакомиться с простым методом обнаружения хрома, например, в рубине (или когда мы предполагаем, что имеем дело с рубином). Образец освещают лучами, прошедшими через голубой фильтр (его роль может играть плоскостенный сосуд с раствором сульфата меди). Освещенный образец рассматривают через красный фильтр. Наблюдаемый красный цвет может принадлежать только данному минералу (красная компонента возбуждающего света не проходит через голубой светофильтр), красное свечение является результатом флюоресценции. Это явление впервые обнаружил Дж. Стокс в 1852 г.; эксперимент получил название метода скрещенных фильтров.
Фосфоресценция представляет собой выделение световой энергии веществом, сохраняющееся и после того, как облучение изучаемого объекта прекращается. Поэтому некоторые минералы продолжают испускать свет и после выключения ультрафиолетовой лампы; часть из них может светиться довольно длительное время. Например, виллемит после кратковременного облучения светится в течение нескольких минут. Это явление, так же как и другие виды люминесценции, лучше всего наблюдать в специально затемненной комнате. Так как при использовании ультрафиолетового излучения происходит отражение части голубого или фиолетового участка спектра, вполне возможно ошибиться, приняв отраженное излучение за истинную флюоресценцию, в особенности когда изучаются светлоокрашенные или бесцветные минералы. Для того чтобы устранить сомнения в том, что именно мы наблюдаем, между лампой и образцом надо поместить обычное стекло (если только используется коротковолновое излучение!) и проследить, сохраняется ли свечение. Если оно сохраняется, то наблюдаемый эффект связан только с отражением видимой части спектра, так как коротковолновое излучение сквозь стекло не проникает.
Интересно отметить, что коротковолновое облучение часто вызывает ответную реакцию у тех минералов, которые обычно инертны к длинноволновому. Некоторые минералы имеют одну окраску при длинноволновом ультрафиолетовом облучении и другую — при коротковолновом. Это можно проследить как на искусственных, так и на некоторых природных минералах, например на тугтупите [бериллиевом содалите], который имеет нежно-розовое свечение при длинноволновом облучении и темно-красное до малинового — при коротковолновом. С этим минералом связано еще одно примечательное явление — он слегка обесцвечивается при дневном свете, но после ультрафиолетового облучения у него восстанавливается природный (розовый до красного) цвет. Получены интересные данные, что кальцит из Терлингуа (Техас, США), вспыхивает розовым сиянием в момент включения коротковолновой ультрафиолетовой лампы. Эта окраска сменяется голубой флюоресценцией, которая постепенно заменяет розовую. Такое голубое свечение может долго сохраняться после выключения лампы как фосфоресценция удивительной яркости.
Некоторые районы, по-видимому, изобилуют флюоресцирующими минералами. Одно из самых знаменитых в этом отношении мест — Франклин (штат Нью-Джерси, США), где совместно залегают кальцит, виллемит и много других минералов. Шары, вырезанные из породы, в которой заключены эти минералы, при дневном освещении имеют тускло-коричневую окраску, но в ультрафиолетовом излучении они буквально слепят глаза, переливаясь всеми цветами радуги. Вращающиеся шары такого типа эффектно украшают витрины.
Даже если у какого-нибудь образца нет ожидаемой флюоресценции, это еще не значит, что ваше определение ошибочно. Дело в том, что образцы фосфоресцирующего минерала, как правило, обнаруживают это свойство, однако в редких случаях оно может и не проявиться. Флюоресценцию нечасто привлекают для определения минералов, но это ценный диагностический признак.
Характер люминесценции некоторых минералов отражен в табл. 6 и 7.
ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ
Химическая диагностика минералов — очень сложный процесс, но все же любители могут проводить некоторые химические анализы, ничем не рискуя и с определенной надеждой на успех. Разумеется, чем крупнее образец, тем легче определить природу минерала. Но никому не захочется рисковать несколькими бесценными зернышками, добытыми с большим трудом.
Можно использовать как сухой анализ, так и анализ мокрым способом. Однако самая простая и удобная методика для коллекционера — это качественный анализ минералов с помощью паяльной трубки и газовой горелки. Геологоразведчики широко используют метод паяльной трубки, так как с его помощью можно легко определять некоторые из наиболее важных рудных минералов. Этот прибор представляет собой обычную металлическую трубку, вводимую в пламя, богатое углеродом. Исследователь дует в трубку, создавая тем самым поток воздуха над горелкой, что обеспечивает высокую температуру пламени. Трубка имеет удобную для работы форму, она обычно снабжена мундштуком и наконечником, который и вводят в пламя.
В лучшем случае источником пламени служит бунзеновская газовая горелка, но можно использовать и обычную парафиновую или стеариновую свечу. При работе с газовой горелкой следует ограничить приток воздуха, чтобы получить светящееся пламя. Освоить эту технику совсем не так легко, как кажется. Прежде всего, пламя паяльной трубки должно быть непрерывным, а для этого надо создать постоянную струю воздуха. Исследователь делает глубокий вдох и выдыхает воздух, надувая при этом щеки. Вдыхание через нос обеспечивает последующую бесперебойную подачу воздуха в трубку, а язык регулирует поступление его из легких, частично перекрывая гортань в случае необходимости.
Максимальная температура пламени паяльной трубки достигает 1500° С. Испытание минералов связано с определением степени их плавкости при этой температуре. Небольшой кусочек минерала помещают в пламя трубки (наиболее горячий слой пламени находится на внешней стороне видимой его части); при этом наблюдают за характером и скоростью плавления минерала. Одни минералы быстро плавятся, другие оплавляются только по краям, в некоторых случаях оплавления вообще не происходит. Способность к плавлению в пламени паяльной трубки получила название плавкости минерала. Например, кварц является практически неплавким минералом, стибнит же легко плавится даже в пламени обычной свечи. [Плавкость не всегда является постоянной даже для одного и того же минерала из различных месторождений и изменяется в зависимости от примесей.]
Для работы с паяльной трубкой можно использовать восстановительное (бескислородное) пламя. Окислительное пламя получают путем «добавки» кислорода. [Восстановительное пламя дает внутренний конус ярко светящего пламени, где вещество накаляется в условиях дефицита кислорода. Наружный синеватый слой почти не светящего пламени, где происходит полное сгорание при избытке кислорода воздуха, обеспечивает окислительное пламя.] В какой-то части пламени паяльной трубки содержится окись углерода (СО), с помощью которой удаляется кислород из испытуемых веществ; при этом образуется углекислый газ (СО2). Если кусочек окиси железа (Fе2О3) поместить в эту часть пламени, она восстановится до закиси железа (FeO). Для окисления вещества нужно, чтобы пламя горелки нагревало его, не касаясь. Таким путем пирит (FeS2) может быть разложен на окись железа (Fе2О3) и сернистый ангидрид (SO2).
Для извлечения металлов из руд и получения окислов используют брикеты древесного угля. Такой брикет предварительно раскаляют на пламени и помещают порошок испытуемого минерала в небольшую лунку на поверхности угля. Для ускорения реакции в некоторых случаях используют флюс, смешивая его с порошком минерала в пропорции 2:1. Есть металлы, которые выделяются с помощью угля, тогда как применение только паяльной трубки не приводит к нужному результату.
Серебро образует блестящий белый шарик без каких-либо налетов на поверхности; для его извлечения пользуются восстановительной смесью. Поскольку сходные шарики образуют и другие металлы, их растворяют в азотной кислоте, куда затем добавляют соляную; в отличие от других металлов, при наличии серебра должен выпасть белый осадок — хлорид серебра (AgCl). Свинцовый шарик — легкоплавкий, серого цвета, блестящий в восстановительном пламени и иризирующий в окислительном. Свинец восстанавливается раскаленным добела древесным углем. Если шарик свинца растворить в азотной кислоте, добавив затем серную кислоту до полного его растворения, в осадок выпадет белый сульфат свинца.
Минерал, измельченный до порошка, помещают в открытую стеклянную трубку, которую в наклонном положении подогревают на газовой горелке. Вначале нагревают на пламени верхнюю часть трубки, а затем ту ее часть, которая расположена непосредственно над порошком минерала. При этом в трубке образуется поток воздуха и минерал может окислиться. Некоторые окислы переходят в газовое состояние и улетучиваются, в то время как другие конденсируются на стенках трубки в виде возгонов. Особенно легко таким способом определить серу: сернистый ангидрид улетучивается из трубки и этот газ узнают по характерному запаху. Если к верхнему концу трубки приложить влажную лакмусовую бумажку, она покраснеет.
Для выявления особенностей минерала при нагревании без доступа кислорода используют запаянную трубку. В нее помещают порошок минерала и нагревают в пламени газовой горелки. Минералы, содержащие кристаллизационную воду, особенно цеолиты, теряют ее, и пары воды конденсируются в верхней, холодной, части трубки. Сера или сульфиды с высоким содержанием серы приобретают красную окраску при нагревании и желтую — при охлаждении.
По окраске пламени горелки, куда помещают тот или иной испытуемый минерал, можно получить представление, какие элементы в минерале содержатся. Стронций и литий окрашивают пламя в темно-красный, малиновый оттенок. Медь придает ему изумрудно-зеленый цвет, если нагревают окись меди; в других случаях медь проявляется в виде синего пламени. Следует добавить, что любой минерал меди дает синее пламя, если он предварительно смочен раствором соляной кислоты. Натрий окрашивает пламя в ярко-желтый цвет. Даже очень незначительное присутствие этого элемента вполне достаточно для появления соответствующей окраски. Наличие бора придает пламени желтовато-зеленый оттенок (большинство борсодержащих минералов вначале надо разложить с помощью серной кислоты). Барий также характеризуется желтовато-зеленым оттенком пламени.
Лучший способ проводить испытания в пламени — поместить осколок минерала над газовой горелкой на колечке из платиновой проволоки. Поскольку наличие натрия маскирует присутствие других элементов, надо установить перед пламенем синее стекло; этот фильтр не пропустит желтый свет и даст возможность различить остальные цвета. Даже когда в составе минерала вообще отсутствует натрий, его следы (например, из пыли) могут окрасить пламя в желтый оттенок.
Некоторые элементы растворяются во флюсах, окрашивая их в различные цвета. Одним из наиболее распространенных флюсов является бура (Na2B4O7•10Н2О). Приступая к опыту, накаливают порошок буры на колечке платиновой проволоки в пламени паяльной трубки до получения сплава — прозрачного шарика, или перла. Затем перл буры с добавленным к нему порошком исследуемого минерала вновь нагревают в окислительном пламени до полного расплавления минерала и получения соответствующей окраски.
Окислы хрома окрашивают окислительное пламя в желтоватый оттенок, а восстановительное — в изумрудно-зеленый (если флюсом служит бура). Если же в качестве флюса используется фосфорная соль [фосфорнокислый натрий-аммоний (NH4) NaHPO4•4H2O], в обоих случаях наблюдается изумрудно-зеленый цвет. Соединения марганца при участии буры придают окислительному пламени фиолетовый оттенок и не окрашивают восстановительное. Если мы имеем дело с ураном, то в случае использования буры мы получим в окислительном пламени желтый цвет, в восстановительном — бледно-зеленый. С участием фосфорной соли образуется соответственно зеленовато-желтая и изумрудно-зеленая окраска. Кобальт во всех случаях окрашивает пламя в синий цвет.
При сухом химическом анализе обычно используются следующие реактивы: бура и фосфорная соль; окись меди (СuО), дающая хорошую реакцию в пламени для выявления хлора; йодистый калий и сера — на определение висмута, свинца и других металлов (эту смесь обычно называют висмутовым флюсом). Металлический цинк или олово применяются для восстановительных реакций с соляной кислотой.
При химическом анализе мокрым способом в качестве растворителя берут соляную кислоту. Азотную и серную кислоты применяют как в концентрированном, так и в разбавленном виде. Еще раз учтите, что для получения водных растворов надо кислоту вливать в воду и никогда нельзя добавлять воду в концентрированную кислоту во избежание очень опасного разбрызгивания. Оксалат аммония используется как реактив на определение кальция, а водный раствор фосфата натрия — на выявление магния. Молибдат аммония применяют для определения фосфатов, азотнокислое серебро — для обнаружения хлора, диметилглиоксим — для выявления никеля, а перекись водорода — для установления титана.