Механические свойства

Спайность — способность минерала раскалываться по определённым кристаллографическим направлениям с образованием относительно гладких поверхностей (поверхностей спайности).

Некоторые минералы при воздействии на них разрушаются по закономерным параллельным плоскостям, направление и количество которых обусловлено особенностями кристаллической структуры минерала. Разрушение происходит предпочтительно по тем направлениям, по которым в кристаллической решётке существуют наиболее слабые связи. Если минерал имеет спиральное расположение частиц в решётке, не допускающее проведение в ней плоских поверхностей раздела, то такой минерал не будет раскалываться по определённым плоскостям, т.е. спайность у него отсутствует. Аморфные минералы также не обладают спайностью.

Следует подчеркнуть, что понятие «спайность» относится к диагностическим особенностям минерала, а не кристаллического агрегата в целом, т.е. характер спайности устанавливается путём изучения отдельных минеральных зёрен. В случае описания мелко- или скрытокристаллических агрегатов непосредственное наблюдение спайности становится невозможным.

По лёгкости раскалывания и характеру образуемых поверхностей выделяют несколько видов спайности.

Весьма совершенная спайность —минерал без особых усилий раскалывается или расщепляется руками на тонкие пластины. Плоскости спайности гладкие, ровные, часто зеркально-ровные.

Весьма совершенная спайность обычно проявляется только в одном направлении.

Совершенная спайность — минерал легко раскалывается слабым ударом молотка с образованием ровных блестящих плоскостей.

Образующиеся при этом обломки называются выколками по спайности. Часто они образуют подобные многогранники — кубики, ромбоэдры, октаэдры и т.д. Количество направлений спайности у разных минералов неодинаково.

Средняя спайность — минерал раскалывается при ударе на осколки, ограниченные примерно в одинаковой степени как относительно ровными плоскостями спайности, так и неправильными плоскостями излома.

Несовершенная спайность — раскалывание минерала приводит к образованию обломков, большая часть которых ограничена неровными поверхностями излома. Распознавание такой спайности затруднено.

Весьма несовершенная спайность, или отсутствие спайности, — минерал раскалывается по случайным направлениям и всегда даёт неровную поверхность излома.

Последние два вида спайности при макроскопической диагностике минералов различить довольно сложно, поэтому на практике применяют определение несовершенная спайность.

Как уже отмечалось, многие минералы обладают спайностью в нескольких направлениях. Степень совершенства спайности по разным направлениям может быть различной. Например, полевые шпаты обладают совершенной спайностью в одном направлении и средней спайностью в другом, причём угол между этими направлениями у разных минералов отличается.

Количество направлений спайности, угол между ними, степень её совершенства являются одними из главных диагностических признаков при определении минералов. Чтобы успешно использовать эти признаки, необходимо уметь отличать плоскости спайности от граней кристалла. Плоскости спайности имеют более сильный блеск, чем грани и другие поверхности излома кристалла.

Кроме того, при раскалывании кристалла плоскости спайности, в отличие от граней кристалла, наблюдаются в виде серии параллельных друг другу поверхностей.

Излом — вид поверхности, образующейся при раскалывании минерала. Эта характеристика дополняет описанную выше. Особенно она важна при изучении минералов, обладающих несовершенной и весьма несовершенной спайностью. Для таких минералов вид поверхности излома может являться важным диагностическим признаком. Различают несколько характерных видов излома.

У некоторых минералов на изломе может возникать характерная вогнутая или выпуклая концентрически-ребристая поверхность, напоминающая по форме раковину. Такой излом называется раковистым. Более сложной разновидностью раковистого излома является излом, называемый «крышка часов», который образуется комбинацией поверхностей двух раковистых изломов при пересечении их ребристых валиков с возникновением характерного кососетчатого рисунка, напоминающего гравировку на поверхности крышки карманных часов. Этот тип излома иногда встречается у кварца.

Однако чаще всего минерал раскалывается по неровной поверхности, не имеющей никаких характерных особенностей.

Такой излом называется неровным, им обладают многие минералы, лишённые спайности. Самородные металлы, медь, железо и другие минералы обнаруживают крючковатый излом; самородное серебро имеет рубленый излом.

Минералы, обладающие совершенной спайностью в 1—2 направлениях, дают ровный излом; если число направлений совершенной спайности 2, 3 и более, то излом может быть ступенчатым.

Подчеркнём, что излом так же, как и спайность, относится к характеристике минерала и определяется на отдельном минеральном индивиде. Если минерал имеет незначительные размеры, то говорить о виде его излома весьма затруднительно. В таких случаях иногда описывают поверхность излома минерального агрегата, слагающего весь образец. Минеральные агрегаты тонко-столбчатого или волокнистого сложения характеризуются занозистым, щепковидным или игольчатым изломом с характерной поверхностью, покрытой ориентированными в одном направлении занозами.

Тонкозернистые агрегаты, сложенные, например, каолинитом или лимонитом, могут обладать землистым изломом с матовой шероховатой поверхностью. Для крупнозернистых агрегатов обычен зернистый излом.

Твердость — способность минерала сопротивляться внешнему механическому воздействию — царапанию, резанию, вдавливанию.

Этот признак, как и большинство других, зависит от внутреннего строения минерала и отражает прочность связей между узлами решётки в кристаллах. В полевых условиях относительная твёрдость минералов определяется царапаньем одного минерала другим.

Для оценки относительной твердости минерала используется эмпирическая шкала, предложенная в начале прошлого столетия австрийским минералогом Ф.Моосом (1772— 1839) и известная в минералогии как шкала твёрдости Мооса. В шкале в качестве эталонов используются десять минералов с известной и постоянной твёрдостью. Эти минералы располагаются в порядке возрастания твёрдости.

Первый минерал — тальк — соответствует самой низкой твёрдости, принятой за 1, последний минерал — алмаз — соответствует самой высокой твёрдости 10.

Каждый предыдущий минерал шкалы царапается последующим минералом.

Эталонами шкалы Мооса служат следующие минералы:

1. Тальк Mg₃[Si₄O_l0](OH)₂.

2. Гипс CaS0_4*2H₂О.

3. Кальцит СаСО₃.

4. Флюорит CaF₂.

5. Апатит Ca₅[PО₄]₃(F, Cl).

6. Ортоклаз K[AlSi₃О₈].

7. Кварц SiО₂.

8.Toпаз (Al₂[SiO₄](F, OH)₂).

9. Корунд А1₂О₃.

10. Алмаз С.

Шкала Мооса является шкалой относительной.

Так, инструментально измеренная абсолютная твёрдость алмаза больше твёрдости талька не в 10 раз, а примерно в 4200 раз. К тому же возрастание твёрдости в пределах шкалы происходит от эталона к эталону весьма неравномерно.

Для определения относительной твёрдости минерала по его свежей поверхности с нажимом проводят острым углом минерала-эталона. Если эталон оставляет царапину, значит, твёрдость изучаемого минерала меньше твёрдости эталона, если не оставляет — твёрдость минерала больше. В зависимости от этого выбирают следующий эталон выше или ниже по шкале до тех пор, пока твёрдость определяемого минерала и твёрдость минерала-эталона совпадут или окажутся близкими, т.е. оба минерала не царапаются друг другом или оставляют слабый след. Если исследуемый минерал по твёрдости оказался между двумя эталонами, его твёрдость определяется как промежуточная, например 3,5.

Иногда твёрдость одного и того же минерала зависит от кристаллографического направления и может быть различна для разных граней кристалла. Это характерно для анизотропных (неравносвойственных) кристаллов.

Для ориентировочной оценки относительной твёрдости минералов в полевых условиях можно использовать грифель простого мягкого карандаша (твёрдость 1), ноготь (2 — 2,5), медную проволоку или монету (3 — 3,5), стальную иголку, булавку, гвоздь или нож (5 — 5,5), стекло (5,5 — 6), напильник (7). Очень удобно использовать стальную иглу, так как её твёрдость приходится примерно на середину шкалы Мооса и в зависимости от результата царапанья сразу становится ясно, вниз или вверх по шкале следует брать эталон для определения твёрдости исследуемого минерала.

Кроме того, стальная иголка достаточно тонкая и длинная, чтобы исследовать даже очень маленькие и расположенные в углублениях образца минеральные выделения.

Плотность для различных минералов колеблется от 0,9 до 21 г/см³. Точное определение её может быть проведено в лабораторных условиях.

По плотности все минералы могут быть разбиты на три категории: легкие — плотность до 2,5 г/см3 (гипс, каменная соль), средние — плотность до 4 г/см³ (кальцит, кварц, полевые шпаты, слюды) и тяжелые — плотность более 4 г/см³(галенит, магнетит). Плотность большинства минералов — от 2 до 5 г/см³.

Для быстрой ориентировочной оценки плотности минерала прибегают к его простому «взвешиванию» на руке с оценкой «тяжелый», «средний», «легкий».

Из механических свойств, которые могут быть использованы как диагностические признаки минералов, следует упомянуть хрупкость и ковкость.

Хрупкость — свойство вещества крошиться под давлением или при ударе.

Ковкость — свойство вещества под давлением расплющиваться в тонкую пластинку, быть пластичным.