Діагностика мінералів

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

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.

1. Местонахождение минерала, включая название местности, ближайшего города или деревни; название месторождения (рудника). Если возможно, датьвы­копировкуиз соответствующих топокарт.
2. 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:

1. Тальк
2. Гипс
3. Кальцит
4. Флюорит
5. Апатит
6. Полевой шпат
7. Кварц
8. Топаз
9. Корунд
10. 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.

• ← Кристали та світло
• Опис мінералів →