XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Определение минералов по их физическим диагностическим свойствам

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Церковникова А.А. 1

---

1МБОУ г. Иркутска гимназия №3

Ян Е.Ю. 1Радомская Т.А. 2

---

1МБОУ г. Иркутска гимназия №3

2Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН

Работа в формате PDF

3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Мой интерес к изучению минералов возник еще в раннем детстве: у моей бабушки большая коллекция ювелирных украшений с драгоценными и полудрагоценными камнями. Я помню, как подолгу рассматривала эти украшения и старалась запоминать названия минералов. Разумеется, из каждой поездки на Байкал или в горы, я привозила домой «красивые камни», не придавая особого значения, что это за минералы. Всё изменилось после поездки в Монголию – в уникальное место Баянзаг (рис. 1, Приложение) – одно из самых знаменитых палеонтологических захоронений в мире. Именно в этом месте были найдены непосредственно на поверхности, а также куплены на местном рынке, образцы минералов, которые я решила определить.

Цель проекта: определить найденные и купленные образцы минералов

Задачи проекта:

1. Изучить информацию по теме исследования;

2. Определить найденные и купленные образцы минералов;

3. Научиться самостоятельно определять наиболее распространенные минералы.

Гипотеза: если изучить информацию об основных свойствах минералов, то можно научиться их определять

Методы исследования:

1. Анализ литературы по теме исследования;

2. Поиск информации в сети Интернет;

3. Консультация со специалистом;

4. Физический метод;

5. Спектральный метод.

1. Теоретическая часть

1.1. Минералогия: основные понятия

Минералогия принадлежит к числу геологических наук, изучающих вещественный состав земной коры. Название этой науки в буквальном смысле означает учение о минералах. Минералогия изучает внешний вид минералов, их геометрические формы, физические свойства, химический состав и свойства, а также условия образования минералов. Современная минералогия также занимается изучением процессов и условий образования и изменения минералов, закономерности их совместного нахождения в природе, а также условий и методов их использования [1].

Минерал – это природное твердое тело с определенным химическим составом и упорядоченным внутренним строением. Минералы образуются в результате природных процессов и являются частью горных пород. Происхождение слова минерал – позднелатинское «minera» и дословно означает из рудника [1]. На март 2023 года открыто и зарегистрировано 5914 минералов, а число их названий с разновидностями более 7000 [7]. Широко распространенных в природе минералов насчитывается около 450 видов, остальные встречаются редко.

Горная порода – природное скопление одного или нескольких минералов, образующихся в результате различных геологических процессов в недрах Земли или на ее поверхности [1].

1.2. Рекомендации по определению минералов

• минералы следует диагностировать при естественном освещении, но не при прямых солнечных лучах, которые могут ослепить;

• если минералы определяются в породе, то желательно в свежем сколе;

• необходимо определить по возможности как можно больше диагностических признаков;

• важно учитывать все обнаруженные диагностические свойства [3].

1.3. Диагностические свойства минералов

Важнейшими характеристиками минералов являются их кристаллическая структура и химический состав. Все остальные свойства минералов вытекают из них или с ними взаимосвязаны.

Все основные свойства проявляются (кроме особых) у каждого минерала. Часто разные по химическому составу минералы бывают внешне похожи по одному или нескольким свойствам. Например, по цвету, блеску, прозрачности минералы кварц и кальцит похожи и их трудно отличить по этим свойствам. Но по другим свойствам (твердости и спайности) они резко отличаются друг от друга. Эти свойства для них являются диагностическими признаками. Таким образом, свойства минералов, по которым их можно определить или отличить друг от друга являются их диагностическими признаками

Основные свойства минералов, являющиеся диагностическими признаками и позволяющие их определять, приведены ниже [2].

1.3.1. Морфологические особенности

Чаще всего минералы встречаются в природе в виде зерен неправильной формы. Хорошо образованные кристаллы более редки, их форма обычно является характерным диагностическим признаком (рис. 2, Приложение).

Облик кристаллов и форма граней обусловлены в первую очередь строением кристаллической структуры [1].

1.3.2. Физические свойства минералов

1. Цвет минералов – признак, с определённостью характеризующий одни минералы (зелёный малахит, синие азурит и лазурит, красная киноварь, жёлтая сера), и очень обманчивый у ряда других минералов, окраска которых может варьировать в широком диапазоне в зависимости от наличия примесей элементов-хромофоров либо специфических дефектов в кристаллической структуре (флюориты, кварцы, турмалины) [2], [11].

2. Прозрачность – свойство вещества пропускать свет. В зависимости от степени прозрачности все минералы делят на следующие группы: прозрачные – горный хрусталь, исландский шпат, топаз и др.; полупрозрачные – сфалерит, киноварь и др.; непрозрачные –пирит, магнетит, графит и др. Многие минералы, кажущиеся непрозрачными в крупных кристаллах, просвечивают в тонких осколках или краях зерен [2], [7].

3. Цвет черты – цвет тонкого порошка минерала. Черту минерала можно получить при проведении минералом по матовой неглазурованной поверхности фарфоровой пластинки (бисквита). Это признак более постоянный по сравнению с окраской. В ряде случаем цвет черты совпадает с цветом самого минерала, но иногда наблюдается резкое различие: так, стально-серый гематит оставляет вишнево-красную черту, латунно-желтый пирит – черную [1], [7].

4. Блеск – световой эффект, вызываемый отражением части светового потока, падающего на минерал. Зависит от отражательной способности минерала. Различают следующие виды блеска минералов (табл. 1, Приложение):

По своей интенсивности выделяются также блеск сильный и блеск тусклый.

Блеск одного и того же кристалла на его поверхности, на сколе, и на плоскостях спайности может существенно различаться. Различным бывает и блеск разновидностей минералов как в пределах одной группы (например, в группе гранатов, полевых шпатов), так и в зависимости от структуры конкретного минерального агрегата (рис. 3, Приложение).

5. Спайность –способность минерала раскалываться по определенным кристаллографическим направлениям, обусловленная строением их кристаллических решеток. Так кристаллы кальцита независимо от их внешней формы раскалываются всегда по спайности на ромбоэдры, а кубические кристаллы флюорита – на октаэдры [1], [2].

Степень совершенства спайности различается в соответствии со следующей принятой шкалой:

весьма совершенная – кристалл легко расщепляется на тонкие листочки (слюда, хлорит, молибденит и др.). Получить излом иначе как по спайности весьма трудно;

совершенная – при ударе молотком всегда получаются выколки по спайности, внешне очень напоминающие настоящие кристаллы. Например, при разбивании галенита получаются мелкие правильные кубики, при раздроблении кальцита ‒ правильные ромбоэдры и т. п. Получить излом по другим направлениям (не по спайности) довольно трудно;

средняя – излом можно получить по всем направлениям, но на обломках минералов отчетливо наблюдаются, как плоскости спайности, так и неровные изломы по случайным направлениям (пироксены, скаполит);

несовершенная или отсутствует – она обнаруживается с трудом, ее приходится искать на обломке минерала. Изломы, как правило, представляют собой неровные поверхности. Спайность весьма несовершенная, то есть практически отсутствует у корунда, золота, платины, магнетита. Она обнаруживается в исключительных случаях. Такие тела обычно имеют раковистый излом, то есть похожий на поверхность раковины с концентрически расходящимися ребрами [3], [7], [11].

6. Твердость, или степень сопротивления минерала внешнему механическому воздействию. Наиболее простой способ ее определения – царапанье одного минерала другим. Для оценки относительной твердости принята шкала Мооса, представленная 10 минералами, из которых каждый последующий царапает все предыдущие. За эталоны твердости приняты следующие минералы: 1 – тальк, 2 – гипс, 3 – кальцит, 4 – флюорит, 5 – апатит, 6 – ортоклаз, 7 – кварц, 8 – топаз, 9 – корунд, 10 – алмаз.

При диагностике весьма удобно также употреблять для царапанья такие предметы, как медная (твердость 3,0–3,5) и стальная (5,5–6,0) игла, нож (5,5–6,0), стекло (5,0). Мягкие минералы можно царапать ногтем (2,5).

Твердость некоторых минералов изменяется в зависимости от направления. Например, у кианита вдоль оси кристалла твердость равна 4, а поперек – 7 [3].

7. Хрупкость, ковкость, упругость.

Хрупкость – прочность минеральных зёрен (кристаллов), обнаруживающаяся при механическом раскалывании. Хрупкость иногда увязывают или путают с твёрдостью, что неверно. Иные очень твёрдые минералы могут с лёгкостью раскалываться, т.е. быть хрупкими (например, алмаз). Под хрупкостью в минералогической практике подразумевается свойство минерала крошиться при проведении черты ножом или иглой. Противоположное свойство – гладкий блестящий след от иглы (ножа) – свидетельствует о свойстве минерала деформироваться пластически. Ковкие минералы расплющиваются под ударом молотка в тонкую пластинку, упругие способны восстанавливать форму после снятия нагрузки (слюды, асбест).

8. Побежалость – тонкая цветная или разноцветная плёнка, которая образуется на поверхности некоторых минералов за счёт окисления.

9. Магнитность зависит от содержания главным образом двухвалентного железа, обнаруживается при помощи обычного магнита. Испытание на магнитность производится с помощью свободно вращающейся магнитной стрелки, к концам которой подносится испытуемый образец. Так как число минералов, обладающих отчетливыми магнитными свойствами, невелико, то этот признак имеет важное диагностическое значение для некоторых минералов (например, магнетита) [1], [2].

10. Плотность (удельный вес) – отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму. Может быть точно замерена в лабораторных условиях [7].

11. Люминесценция – способность минерала светиться под влиянием различного рода излучений за пределами волн видимой части спектра [10].

12. Фотохромизм –способность минерала приобретать другую окраску под влиянием различного рода излучений за пределами волн видимой части спектра и возвращаться в исходное состояние при нагревании или под влиянием излучения волн в пределах видимой части спектра [1].

13. Вкус – поваренная соль и другие солевые минералы легко узнаются на вкус.

14. Растворимость минералов в воде (хлориды) или кислотах и щелочах, частные химические реакции на отдельные элементы.

15. Запах – некоторые минералы при ударе или разломе издают запах. Так, арсенопирит и самородный мышьяк испускают характерный чесночный запах.

16. Отдельные минералы определяются на ощупь. Например, тальк на ощупь жирный или мыльный, отсюда пошло его второе название «мыльный камень».

17. Химические реакции на отдельные элементы – окрашивание пламени. Например, минералы, содержащие стронций, окрашивают пламя в красный цвет, натрий – в желтый.

18. Радиоактивность. Способность к самопроизвольному α-, β-, γ-излучению характеризуются все минералы, содержащие в своем составе радиоактивные элементы – уран или торий.

19. Термолюминесценция. Флюорит светится в темноте при нагревании (флуоресценция) [7].

20. Электричество. При нагревании в кристаллах турмалина образуется электрический заряд от одного конца кристалла к другому (пироэлектричество). Пьезоэлектричество образуется вследствие механических деформаций кристалла – сжатия или растяжения. При направленном давлении поперек длинной оси в кристаллах кварца образуется пьезоэлектричество.

1.4. Некоторые формы минеральных агрегатов

МинеральныйАгрегат — скопления и срастания кристаллов и зёрен одного и того же или разных минералов, отделённых друг от друга поверхностями раздела [1].

Друза (от нем. druse «щётка») – минеральный агрегат, представляющий собой совокупность произвольно сросшихся между собой кристаллов, наросших на общее основание (рис. 4, Приложение).

Жео́да или жеод (фр. géode от др.-греч. γεοειδής или γεώδης – «землеподобный») – геологическое образование, замкнутая полость в горных породах, частично или почти целиком заполненная минералом, агрегатами минералов. Форма жеоды может быть любая, но чаще она округлая и эллипсоидальная [1], [11] (рис. 5, Приложение).

2. Практическая часть

2.1. Подготовительный этап

Согласно изученной информации, при обнаружении минерала желательно и даже необходимо немедленно провести первые полевые испытания: сфотографировать минерал на месте обнаружения, изучить местность, определить цвет минерала, его блеск, кристаллографические особенности, спайность и приблизительно плотность. К сожалению, всех этих действий не было сделано мной по ряду причин: во-первых, два образца из трех были куплены на местном сувенирном рынке, во-вторых, я просто не владела данной информацией. К счастью, все образцы удалось доставить домой в неповрежденном состоянии.

Не обладая элементарными знаниями о минералах, я попыталась определить минералы по фотографии с помощью поисковой системы Google, что не дало определенно никаких результатов, потому что цвет не является основным характеризирующим диагностическим свойством. Фактически, для каждого образца было предложено от 6 до 13 фотографий «похожих» вариантов, которые никак не помогли определить образцы. Именно поэтому пришлось глубже начать изучать вопрос определения минералов.

Самостоятельное изучение вопроса так же не внесло особой ясности, потому что разобраться с понятиями спайности, твердости, и даже с такими, казалось бы, очевидными понятиями прозрачности и блеска без помощи специалиста не представляется возможным. Поэтому следующим шагом было – найти минералога, который бы помог разобраться с данными вопросами. Таким образом, мне посчастливилось познакомиться с к.г.-м.н., н.с. Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН Радомской Татьяной Александровной. Именно Татьяна Александровна познакомила меня с методикой определения минералов. После консультаций был составлен план действий по определению каждого образца:

1. Составить таблицу диагностических свойств и определить их;

2. Рассмотреть образец под стереоскопическим микроскопом и сделать фотографии образцов;

3. Проверить результаты на инфракрасном фурье-спектрометре.

2.1.1. Используемые материалы и оборудование

• Для определения твердости по шкале Мооса требуется набор соответствующих образцов. Татьяной Александровной был предоставлен такой набор (рис. 6, Приложение). Кроме образцов минералов набор укомплектован компасом (для определения магнитности) и фарфоровой пластинкой (для определения цвета черты).

• Для проверки образцов на способность светиться в ультрафиолетовом излучении использовался ультрафиолетовый фонарь с длиной волн 365нм и 395 нм (рис. 7, Приложение).

• Стереоскопический цифровой микроскоп Микромед МС-2-ZООM Digital предназначен для наблюдения и выведения изображения на экран ПК как объемных объектов, так и тонких пленочных и прозрачных объектов, а также выполнения разнообразных тонких работ, когда требуется производить какие-либо операции с объектом в ходе наблюдения, к примеру, изучения образцов горных пород – в минералогии. Увеличение микроскопа 10–40 крат (рис. 8, Приложение).

• Измерительный комплекс с ИК микроскопом позволяет проводить высокоточные спектральные исследования полимерных частиц и волокон, имеющих неоднородную структуру. Микроскопрегистрирует спектры в режимах пропускания и зеркального отражения, в том числе, при двойном прохождении излучения через образец, находящийся на полированной стальной подложке (рис. 9, Приложение).

2.2. Определение образцов

Результаты работы по определению минералов представлены ниже.

2.2.1. Образец №1.

Описание образца

Образец был найден на земной поверхности. Размер образца 24×33 мм. Форма образца – выколок, немного окатанный под воздействием процессов выветривания (рис. 10, Приложение).

Таблица 2 – Определение образца №1

Исследуемый образец был определен как флюорит, исходя из совокупности всех свойств. Но именно такие свойства, как твердость и люминесценция, сразу упростили задачу. При определении твердости, испытуемый образец и эталон из шкалы Мооса царапали друг друга, это значит, что твердость равна твердости эталону, то есть 4. Сразу можно предположить, что образец соответствует эталону. А способность светиться в ультрафиолетовом излучении синим цветом – особенное свойство, которым обладают небольшое количество минералов. На рисунке 12 (Приложение) представлены образцы флюоритов.

Информация о минерале

Флюори́т – минерал, плавиковый шпат. Название дано из-за его легкоплавкости от лат. fluere – течь. Может содержать примеси редкоземельных элементов и тяжелых металлов, что придает минералу уникальную цветовую гамму – встречаются желтые, зеленые, синие, голубые, красновато-розовые и фиолетовые образцы. Характерна зональность окраски. Окраска вызвана дефектами кристаллической структуры, которая весьма тонко реагирует на радиационное облучение и нагревание [2], [8], [7].

Применяется: в металлургии, химической промышленности, в стекольной промышленности (для получения матового стекла), в оптике (прозрачные бесцветные разновидности кристаллов флюорита применяются при изготовлении линз, объективов, телескопов и различных приборов, требующихся для работ в ультрафиолетовом диапазоне, а также в средневолновом инфракрасном диапазоне), в стоматологии, в атомной, электронной и космической технике. Например, фотографии Марса, сделанные советскими космическими аппаратами, были выполнены с помощью фотообъективов, изготовленных из оптического флюорита.

Месторождения флюорита в России – в Приморье и Забайкалье. Ведущие мировые поставщики флюорита – Мексика, Монголия, ЮАР, Испания, Китай. Месторождения флюорита имеются также во Франции, Германии, Великобритании [6], [11].

2.2.2. Образец №2.

Описание образца

Образец был куплен на сувенирном рынке. Вид образца – друза или щетка. Размер друзы – 114 мм (Ш) × 116 мм (Д) × 53 мм (В). Форма кристаллов – короткопризматическая (рис. 13, Приложение).

Таблица 3 – Определение образца №2

Данный образец был определен как кварц, исходя из совокупности всех свойств. В конкретном случае – горный хрусталь – это разновидность кварца.Термин применяется для обозначения бесцветных прозрачных кристаллов кварца.

Информация о минерале

Горный хрусталь – бесцветная прозрачная разновидность кварца, встречающийся в виде бесцветных кристаллов и друз, щёток и жеод. Чистые бездефектные кристаллы горного хрусталя встречаются относительно редко и высоко ценятся.

Горный хрусталь применяется в радиотехнике, изготовления призм, спектрографов, линз, используется для изготовления украшений и декоративно-прикладных изделий.

Минерал распространен повсеместно. Крупнейшие месторождения обнаружены в Бразилии, Китае, Швейцарии, на островах Мадагаскар и Цейлон. В России крупные месторождения есть на Урале, также в Якутии, Забайкалье и Приморье [2], [7], [11].

2.2.3. Образец №3.

Описание образца

Образец был приобретен на сувенирном рынке. Форма – шарообразная. Расколот на две половины, в результате получены две жеоды. Размер образца 27×34 мм (рис. 14, Приложение).

Определение образца

Определение диагностических свойств без нарушения целостности образца возможно только на гладкой части.

Таблица 4 – Определение образца №3

Данный образец был определен как кварц, исходя из совокупности всех свойств. Форма образования минерала позволяет сделать выводы, что наружный слой – это халцедон – скрытокристаллическая тонковолокнистая разновидность кварца (рис. 16, Приложение). Так же есть слой агата – полосчатый халцедон, состоящий из отличающихся по оттенку, прозрачности и плотности слоёв (рис. 17, Приложение). Мелкие кристаллы – горный хрусталь (рис. 18, Приложение), так же разновидность кварца.

Информация о минерале

Из халцедона, наряду с агатом и алмазом, изготавливают опорные призмы точных и аналитических весов. Широкое применение имеет как поделочный и ювелирный камень. Агат применяется в точном приборостроении. Благодаря его прочности и вязкости в соединении с высокой твёрдостью изготовляют ступки и пестики для химико-аналитических работ, призмы для аналитических весов, камни для часов.

Халцедон и агат широко распространены буквально по всему миру. Известные месторождения находятся в Бразилии, Индии, на Мадагаскаре, в Уругвае, Шотландии. Старейший центр добычи и обработки халцедонов находится в Германии, большие месторождения расположены в Восточной Сибири в России, в Крыму, Шри-Ланке, Австралии, США, Италии, Польше и Чехии [7], [11].

2.3. Спектральное исследование образцов

Все образцы были подвергнуты спектральному анализу, чтобы проверить полученные результаты при определении физических свойств минералов. Трудность возникла только со вторым образцом: из-за его размера и невозможности расположить его на площадке, пришлось отломить небольшой кусок данного образца (Приложение, рис. 19).

Спектральное исследование проводил старший научный сотрудник института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН Роман Юрьевич Шендрик, так как для работы с данным оборудованием необходим допуск. Исследуемый образец помещается на стальную площадку, наводится резкость на конкретный исследуемый участок образца и запускается процесс спектрального анализа. Как результат, на экран выводится спектр данного образца, который необходимо сравнить с имеющимися в базе данных эталонными спектрами (рис. 20, Приложение).

В результате спектрального исследования данные по всем образцам подтвердились. Таким образом, необходимость химического анализа отпала.

Выводы

Процесс определения минералов с момента изучения теоретической части и до практического исследования оказался сложным, требующим консультаций специалиста. Самостоятельно изучить информацию и безошибочно определить минерал, основываясь лишь на изученном материале, не представляется возможным. Ввиду совокупности множества диагностических свойств минерала, для безошибочного определения необходим достаточный практический опыт. Моя гипотеза, что определить минерал возможно, лишь изучив теоретическую часть, не подтвердилась. Однако это лишь усилило мой интерес к данной теме.

Список использованной литературы:

1. Бетехтин А.Г. Курс минералогии. Учебное пособие: Из-во «КДУ»,М., 2008 – 555 с.;

2. Соболевский В.И. Замечательные минералы: Кн. для учащихся. – 2-е изд., доп. – М.: Просвещение, 1983. – 191 с., ил., 8 л.ил.;

3. О’Донохью М. Путеводитель по минералам для начинающих: Пер. с англ. – Л.: Недра, 1985. – 207 с., ил. – Пер. изд.: Великобритания, 1982.;

4. Вертушков Г.Н., Авдонин В.Н. Таблицы для определения минералов по физическим и химическим свойствам. – М., Недра, 1980. – 295с.;

5. Землеведение: учебное пособие/ Н.Н. Петрова, Е.В. Лихолат, Ю.А. Соловьева. – М.: ФОРУМ, 2011. – 464 с.: ил. – (Профессиональное образование);

6. Лоири Михаил. Чудесные камни. 250 минералов: история, свойства и скрытые особенности. – Москва: Эксмо, 2022. – 384 с.: ил.;

7. https://www.mindat.org (сайт по минералогии);

8. https://catalogmineralov.ru/mineral/hrustal.html (каталог минералов);

9. https://geology.brsu.by/ (учебный кабинет геологии);

10. http://www.fluomin.org/uk/accueil.php (сайт о люминесценции минералов);

11. http://cnmnc.units.it/ (сайт о минералогии).

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рисунок 1 - Сувенирный рынок, Баянзаг, Монголия

Баянзаг, Монголия Поверхность грунта местности Баянзаг

Рисунок 2 - Формы кристаллов

Галит Кварц

Таблица 1 – Виды блеска минералов

Вид блеска	Примеры
Металлический	гематит пирит
Полуметаллический	пиролюзит криптомелан
Алмазный	алмаз киноварь
Стеклянный	кварц гипс кальцит
Жирный	самородная аурипигмент сера
Перламутровый	слюда тальк
Шелковистый	селенит хризотил-асбест

Рисунок 3 – Галенит

Рисунок 4 – Примеры щетки и друзы

Щетка аметиста Друза горного хрусталя

Рисунок 5 – Жеода

Рисунок 6 – Набор образцов шкалы Мооса

Рисунок 7– Ультрафиолетовый фонарь

Рисунок 8 – Стереоскопический микроскоп Микромед МС-2-ZOOM Digital, оснащённый видеоокуляром ToupCam 5.1 MP.

Рисунок 9– Инфракрасный микроскоп «Микран-2»подключенный к фурье-спектрометру "ФТ-801"

Рисунок 10 – Образец №1

Рисунок 11 - Люминесценция образца №1

Рисунок 12 - Образцы флюорита

Рисунок 13 – Образец № 2

Рисунок 14 – Образец №3

Рисунок 15 - Определение прозрачности образца №3

Рисунок 16 – Строение жеоды

Рисунок 17 - Слой агата под микроскопом

Рисунок 18 - Слой горного хрусталя под микроскопом

Рисунок 19 - Отколотая часть образца для спектрального анализа

Рисунок 20 - Спектральное исследование образца