Геология

Навигация

СБОР МИНЕРАЛОВ Начинающему любителю гелогии, стоит вступить в геологический кружок и приобретать опыт сбора камней в полевых походах. В таких походах есть возможность проводить наблюдения, и иногда случается, что любителям удаётся найти местонахождение какого-либо интересного минерала. Следует знать, какие минералы сопутствовуют друг другу а какие их сочетания в природе не встречаются...

***

археология В археологической и геофизической разведках есть много общих задач. Они ставят перед собой весьма схожие цели поиска объектов в недрах Земли. Но, если перед геофизикой стоит задача поисков полезных ископаемых, то археологическая разведка направлена на обнаружение исторических памятников...

***

магнитВ магнитных явлениях еще достаточно тайн, но уже в течение многих лет магниторазведка помогает открывать тайны Земли.
Для магниторазведчиков магнитное поле является надежным средством изучения недр. С помощью магнитометров из в различных уголках Земли выполняются магнитные съемки, в результате их отыскиваются месторождения полезных ископаемых, корректируются геологические карты...

 
 
 
 


 

Все для геолога. Камни, минералы, полезные ископаемые, горные породы. » Минералы » ЦВЕТ МИНЕРАЛОВ

 

ЦВЕТ МИНЕРАЛОВ


Цвет минерала является одним из наиболее важных диагностических признаков. Если рассматривать минерал в потоке белого света, можно прийти к кажущемуся парадоксальным выводу, что «сам по себе» минерал бесцветен, а его окраска определяется особенностями этого светового потока. Как известно, белый свет представляет собой сложный спектр видимых лучей, имеющих красную, оранжевую, желтую, зеленую, голубую, синюю и фиолетовую окраску. Минерал абсорбирует (поглощает) отдельные участки спектра проходящего через него белого света (так называемое избирательное поглощение). Сочетание оставшихся непоглощенными участков спектра обусловливают цвет минерала, который мы и наблюдаем. В1 тех случаях, когда поглощения не происходит, минерал оказывается бесцветным. Бесцветная окраска минерала — от белой до черной — обусловлена общим равномерным поглощением всего спектра видимого света; чем интенсивнее поглощение, тем темнее тона.

При рассматривании некоторых минералов можно наблюдать разные цвета в одном и том же кристалле. Такой эффект называется плеохроизмом; он обусловлен явлением избирательной абсорбции света. У одних минералов, например у кордиерита, можно видеть три цвета (для этого следует повращать кристалл в нескольких направлениях). В других минералах, таких как турмалин, можно заметить два разных цвета в различных сечениях кристалла. Разумеется, плеохроируют только прозрачные минералы.

Цвет некоторых минералов связан с присутствием элементов-примесей. Существует ряд так называемых переходных элементов — с атомными номерами 22-29 в периодической системе (титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь). Присутствие одного (иногда двух) из них обусловливает избирательное поглощение волн белого света; соответственно лучи, оставшиеся непоглощенными, придают минералу ту или иную окраску.

Минералы, в которых красители являются случайными примесями, называются аллохроматическими. Те минералы, где красящие вещества входят в их химический состав, получили название идиохроматических.

Примерами аллохроматических минералов могут служить рубин (разновидность корунда) и изумруд (разновидность берилла). Примеры идиохроматических минералов — малахит и родохрозит; окраска малахита связана с присутствием в его составе меди, а окраска родохрозита — с присутствием марганца. [В отечественной литературе эта окраска также называется идиохроматической, а аллохроматической принято называть окраску, вызванную посторонними включениями (вростками) цветных минералов.]

Для многих минералов их цвет находится вне всякой связи с переходными элементами — хромофорами. Существует целый ряд причин приобретения такими минералами той или иной окраски; по крайней мере одна из причин связана со структурными дефектами. Дело в том, что внутренняя структура минерала бывает далеко не столь совершенной, как его внешняя форма (хотя и безукоризненная форма встречается не так уж часто!).

Один из видов нарушений электрического баланса структуры минерала обусловлен захватом электронов, другой - присутствием избыточных электронов или целых групп ионов в тех местах, где при нормальных условиях их не следует ожидать. Наиболее характерным примером является ярко-фиолетовый цвет некоторых разновидностей флюорита. Здесь окраска возникает в результате формирования в его структуре так называемых F-центров (F — заглавная буква немецкого слова Farbe — цвет). По-видимому, в этом случае один из ионов фтора (F-1) покидает свое место в структуре. Для того чтобы сохранить электронейтральность структуры, образовавшаяся вакансия должна быть заполнена соответствующим электроном. Речь идет об «электронной ловушке», избежать которую электрон может только в определенных условиях. Когда осуществляется абсорбция световых волн, электрон переходит на другой энергетический уровень и появляется цветное свечение (иногда это — флюоресценция).

В структуре раухтопаза (дымчатого кварца) имеются отдельные центры захвата (F-центры), где ионами алюминия замещаются ионы кремния (в данном случае алюминий можно считать примесью, так как он не входит в состав кварца). Электронейтральность структуры обеспечивается присутствием ионов натрия или водорода. Если кристалл, содержащий эти примеси, подвергнуть рентгеновскому или гамма-облучению, у ионов кислорода будет выбита пара электронов; таким образом и появится пустой промежуток в кристаллической решетке — центр окраски. В результате происходит поглощение световых волн и минерал приобретает соответствующий цвет.

Аметист (разновидность кварца, содержащая примесь железа) окрашивается в фиолетовый цвет под воздействием рентгеновского излучения. При последующем нагревании к кристаллу возвращается его изначальная (желтая либо зеленая) окраска. [Аметист — это природная разновидность кварца с естественной фиолетовой окраской. Автор, видимо, говорит здесь об искусственно вызываемых цветах кварца.]

Все рассмотренные случаи цвета минералов связаны с концепцией, получившей название теории кристаллического поля, детали которой, естественно, выходят за пределы данной книги. Согласно молекулярно-орбитальной теории в кристаллических структурах с ионной связью электроны расположены на орбитах вокруг двух (или более) положительно заряженных ионов. В1 разновидности корунда, окрашенной в синий цвет (сапфир), первоначально мы имеем ионы двухвалентного железа (Fe2+) и четырехвалентного титана (Ti4+), а в результате обмена электронами оба иона становятся трехвалентными:
Fe2++Ti4+->Fe3+-fTi3+.

Обратная реакция также может иметь место. Обмен электронами влечет за собой определенную затрату энергии, вследствие чего становится возможной абсорбция света. Полагают, что многие синие и черные минералы обязаны своей окраской именно этому процессу. В структуре ярко-синего минерала лазурита группа ионов серы удерживается воедино под влиянием внешних электронов, окружающих эту группу. Эти электроны могут перейти в возбужденное состояние, поглощая световую энергию, что скажется на окраске минерала. В графите, имеющем черный цвет, электроны движутся по всему кристаллу в направлении групп атомов углерода, расположенных в виде лежащих друг на друге «листов». [«Листы» атомов углерода представлены плоскими гексагональными сетками.] При этом происходит настолько сильное светопоглощение, что никакая окраска, кроме темной, не сохраняется.

До сих пор мы останавливались на примерах, когда окраска минералов обусловлена переходами электронов в пределах ионов либо дефектами структуры ионных или атомных групп. Когда электроны, определяющие изменения окраски минерала, распространяются по всему кристаллу, а не приурочены к какой-то незначительной части кристаллической структуры, нам приходится иметь дело с концепцией, известной под названием зонной теории.

В первую очередь это относится к таким рудным минералам, как серебро, золото и самородная медь. С этим явлением связана также окраска веществ, получивших название полупроводников (обладающих электропроводимостью только при определенных условиях) . В металлах, например в серебре, внешние электроны объединяются в «электронный газ», который движется от атома к атому по всей структуре вещества. Это приводит к образованию больших концентраций электронов, что обусловливает эффективное отражение световых волн; благодаря этому рудные минералы имеют характерный металлический блеск. Рассматриваемому явлению соответствует также частичная абсорбция света, однако большая часть его немедленно отражается. Разница в окраске таких минералов объясняется незначительными различиями в характере отражения и поглощения света. Например, желтые металлы (золото) характеризуются относительно большим поглощением вблизи ультрафиолетовой части спектра.

Для полупроводниковых минералов характерна гамма серых тонов — от черного или темно-серого (галенит) до белого или бесцветного (алмаз). Среди этих монотонно окрашенных (ахроматических) минералов выделяются своим ярким цветом только два — оранжево-красная киноварь и желтый гринокит. В их кристаллической структуре имеется так называемая запрещенная зона, или энергетическая щель, где присутствие электронов исключено.

Поглощаться могут только те световые волны, энергия которых превышает энергетический уровень «щели». Если энергетический уровень «щели» незначителен, возможно поглощение всех волн видимого спектра. В этом случае минерал окажется серым или черным. Это — полупроводниковые минералы с узкой запрещенной зоной. Когда энергетический уровень «щели» более высок, поглощение возможно только в ультрафиолетовой области спектра. В результате мы имеем бесцветные полупроводниковые минералы с широкой запрещенной зоной (примером может служить алмаз). Если энергетический уровень «щели» таков, что поглощается только область синего и фиолетового спектра, минерал окрашивается в красный (до оранжевого) и желтый цвета (дополнительные по отношению к фиолетовому и синему). Ярко-красный минерал прустит поглощает все компоненты видимого спектра, кроме красного.

В тех случаях, когда полупроводниковый минерал характеризуется широкой энергетической «щелью» (например, алмаз), абсорбция света в видимой части спектра практически невозможна. Точно так же отсутствует и электропроводимость, если в минерале совершенно нет каких-либо примесей. При наличии примеси (как, например, азота в алмазе) внешние электроны могут расположиться таким образом, что при замещении атомов углерода атомами азота остается один избыточный электрон. Такие электроны, получившие название доноров, обычно образуют небольшие группы. В результате может произойти избирательное поглощение определенных волн спектра.

Если абсорбция охватывает область синего или фиолетового света, кристалл окрашивается в дополнительный желтый цвет; именно с этим процессом связана желтая окраска некоторых алмазов. Присутствие больших количеств азота обусловливает темно-зеленый цвет кристаллов. Когда атомов азота настолько много, что они формируют крупные скопления, действие доноров прекращается и минерал оказывается бесцветным. В атоме бора, примесь которого сообщает кристаллам алмаза голубой оттенок, на один электрон меньше, чем в атоме углерода, и поэтому с каждым атомом бора связано появление вакансии.

До сих пор мы рассматривали те случаи, когда кристаллы окрашены в тот или иной определенный цвет. Вместе с тем во многих минералах наблюдается радужная игра цветов, подобная той, которая возникает в опале, хотя он и не является кристаллическим веществом. Такое явление получило название опалесценции. В опале этот эффект может быть связан с дифракцией, обусловленной скоплениями сферолитов кристобалита (высокотемпературной модификации кремнезема). Дифракция наблюдается при условии, что сферолиты расположены периодически, с относительно равными промежутками. Размер их также имеет значение; например, для возникновения голубовато-зеленых цветов опалесценции размер сферолитов должен быть около 0,5 мкм.

Окраска некоторых минералов связана с явлениями интерференции света. Цвета интерференции можно наблюдать в радужных пленках нефти на поверхности воды. Возникновение их обусловлено разностью в скорости распространения двух составляющих луча белого света в пределах тонкой пленки. Одна часть светового луча отражается от верхней поверхности пленки, в то время как другая проникает внутрь пленки и отражается от ее нижней поверхности. Вторая составляющая луча отстает от первой, так как она прошла больший путь. Кроме того, слагающие ее волны частично совпадают, а частично не совпадают по фазе с волнами первой составляющей. Поэтому происходит либо взаимное усиление световых волн (максимальное просветление), либо их затухание (максимальное затемнение). Чередующиеся светлые (цветовые) и темные полосы сменяют друг друга в определенной последовательности.

В минералах эффект интерференции проявляется вдоль трещин и плоскостей спайности, внутри или на поверхности кристаллов. Интерференция наблюдается также в минералах, обнаруживающих так называемую побежалость. Примером может служить «павлинья руда» — минералы меди с радужной пленкой на поверхности. [С понятием «побежалость» связывается явление, когда минерал (как правило, непрозрачный) кроме основной имеет иную окраску в тонком поверхностном слое, обусловленную интерференцией света. Побежалость может быть одноцветной (у ковеллина — синяя, у бурого железняка — золотистая) либо пестрой, радужной (фиолетово-синяя у борнита, малиново-желто-сине-зеленая у халькопирита).]

Многие драгоценные разновидности минералов могут изменять свой цвет в результате тех или иных воздействий. При нагревании красновато-бурые кристаллы циркона становятся бесцветными, голубыми или золотисто-желтыми; аквамарин меняет зеленый цвет на голубой, а дымчатый кварц обесцвечивается. При изменении степени окисления примесей в результате нагревания либо удаления кристаллизационной воды также может измениться окраска, например, в тигровом глазе (прозрачной переливчатой разновидности кварца) — от коричневато-золотисто-желтой до красной. Центры окраски могут возникать в кристаллах под влиянием гамма-излучения и разрушаться вследствие нагрева. Облучение алмазов, стимулирующее центры окраски, приводит к появлению необычного цвета — черного или зеленого. При нагревании кристаллы алмаза становятся желтыми.

Когда отражение света зависит от той или иной особенности внутренней структуры кристалла, на поверхности прозрачного минерала появляется мягкий, часто радужный блеск. Он связан с так называемыми центрами рассеяния и может быть обусловлен твердыми включениями в кристалле либо наличием тесно сросшихся двойников. Если центры рассеяния достаточно велики, изменения цвета минерала не произойдет, но когда они малы, возникнет соответствующая окраска. Один из авантюринов, являющийся разновидностью кварца, своим зеленым цветом и мерцающим отливом обязан включениям фуксита (богатой хромом ярко-зеленой разновидности мусковита). В другом авантюрине — разновидности полевого шпата (синоним — солнечный камень) — наблюдается красновато-коричневый оттенок с огненно-золотистыми искорками благодаря включениям мельчайших чешуек железной слюдки. Иногда этот эффект называют авантюрисценцией.

Известна также адуляресценция (иризация) — нежно-синеватый, мерцающий отлив, возникающий в адуляре или лунном камне (разновидности калиево-натриевого нолевого шпата). Полагают, что такой эффект обусловлен послойным чередованием ортоклаза и альбита в тесно сросшихся двойниках. Вполне вероятна и некоторая доля участия в этом эффекте рассеяния света на мелких включениях. В искусственной шпинели рассеяние света (с помощью твердых частичек) достигается также в голубой и синей частях спектра. Характер окраски и радужного блеска в шпинели настолько похожи на наблюдаемые в лунном камне, что идентичность природы этого явления в обоих случаях очевидна.

Эффект кошачьего глаза в зеленоватой, переливающейся радужными цветами разновидности хризоберилла связан с отражением света от сгруппированных в параллельные полосы мельчайших включений (микроволокон, иголочек, трубочек). Менее отчетливо это явление наблюдается в другом кошачьем глазе — разновидности халцедона.

Игольчатые включения рутила, ориентированные под прямым углом к оси кристаллов, в таких минералах, как корунд и розовый кварц, обусловливают так называемый звездный эффект, или астеризм (появление лучистой или звездообразной фигуры в отраженном свете).

Разноцветные блики и высверки в искусственно ограненных алмазах (бриллиантах), наблюдаемые в потоке белого света, связаны с дисперсией. Это явление обусловлено разложением белого луча на компоненты цветового спектра при прохождении его через призму (в данном случае ее роль играют элементы огранки бриллианта). Некоторые цветные прозрачные минералы также обладают высокой дисперсией, но в этих случаях эффект снижается окраской минералов.



   

Похожие материалы сайта:
  • ФЛЮОРЕСЦЕНЦИЯ И ФОСФОРЕСЦЕНЦИЯ
  • ЦВЕТА ИНТЕРФЕРЕНЦИИ
  • ПОЛИМОРФИЗМ И ИЗОМОРФИЗМ
  • СОСТАВ И СТРУКТУРА МИНЕРАЛОВ
  • КРИСТАЛЛЫ И СВЕТ. ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ
  • Все для геолога. Камни, минералы, полезные ископаемые, горные породы. » Минералы » ЦВЕТ МИНЕРАЛОВ