Часть 1. Вещественный состав земной коры

Основы кристаллографии

Земная кора слагается различными группами горных пород. Горные породы представляют собой закономерные минеральные агрегаты. Для земной коры фундаментальным является минеральный уровень структурной организации вещества. Минералы занимают ключевое и определенное место между атомным уровнем и уровнем горных пород.

Минералы – это природные химические соединения или самородные химические элементы, возникшие в результате определенных физико-химических процессов, протекающих в земной коре и на ее поверхности. Большинство минералов представляют собой кристаллические тела. И лишь единичные из них – аморфные. Минерал должен обладать единственной в своем роде комбинацией химического состава и структуры.

К одному минеральному виду относятся все минеральные индивиды, характеризующиеся: 1) одинаковой структурной группой, 2) химическим составом, непрерывно изменяющимся в определенных пределах (обусловлено изоморфизмом) и 3) равновесным существованием в определенных термодинамических условиях земной коры.

Минералы в земной коре находятся в виде индивидов, которые представлены зернами или кристаллами. Минеральные зерна и кристаллы образуют между собой мономинеральные или полиминеральные закономерные и незакономерные срастания или минеральные агрегаты.

Кристаллические твердые вещества характеризуются трехмерным закономерным периодическим размещением их химических строительных частиц (атомов, ионов, комплексов, молекул); им свойственны симметрия внутренней структуры и минимум свободной энергии при данных условиях. Кристаллы – природные тела, которые имеют форму многогранников и закономерное внутреннее строение. Элементы строения кристаллов: грани, вершины, ребра. Элементы строения кристаллической решетки: узлы, ряды, плоские сетки.

Правильная внешняя форма кристаллов описывается при помощи симметрических преобразований или элементов симметрии в символах Бравэ. Среди них выделяются элементы симметрии 1 и 2-го родов.

1 рода:

1. Отражение в плоскости - плоскость симметрии (Р).

2. Отражение в точке (инверсия) - центр симметрии, инверсии (С).

3. Поворот вокруг оси n-го порядка - поворотная ось (Ln) - 1, 2, 3, 4, 6.

2 рода:

1. Поворот с отражением в точке (или плоскости) - инверсионная ось (Li) (или зеркально-поворотная ось).

Порядок оси может быть у кристаллов только 1, 2, 3, 4, 6. Элементарный угол поворота оси = 360⁰/порядок оси.

Элементы симметрии в кристаллических многогранниках сочетаются закономерно, и количество таких комбинаций конечно и определено - и составляет 32. Каждая из таких комбинаций или полная совокупность элементов симметрии кристалла (многогранника) называется точечная группа симметрии, или класс симметрии, или вид симметрии. Классы симметрии группируются в сингонии.

Количество плоскостей симметрии в кристалле может быть 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9.

Если в фигуре есть центр симметрии, то каждой грани соответствует обратно симметричная грань (обратно параллельная).

Поворотных осей симметрии может быть:

L2 - 1, 3, 4, 6; 2 (с инв.L4)

L3 - 1 или 4.

L4 - 1 или 3.

L6 - 1.

L5, L7 и т.п. - быть не может.

Кристаллические многогранники представляют собой простые формы или комбинации простых форм, которые выводятся путем воздействия на одну плоскость элементов симметрии каждого класса симметрии. На рис. 1 показаны простые формы низших сингоний; среди них все, кроме ромбической дипирамиды и ромбического тетраэдра, открытые.

 

 

моноэдр	пинакоид	диэдр
ромбическая призма	ромбический тетраэдр	ромбическая пирамида	ромбическая дипирамида
Рис.1. Простые формы низших сингоний

 

Простые формы средних сингоний изображены на рис. 2, а кубической сингонии – на рис. 3. Среди них закрытыми являются тетрагональный тетраэдр, ромбоэдр, трапецоэдры, скаленоэры, дипирамиды средних сингоний и все простые формы кубической сингонии.

 

 

Рис.2. Простые формы средних сингоний

 

Рис.3. Простые формы кубической сингонии

 

 

Закон Федорова-Грота гласит: степень симметричности кристалла уменьшается с ростом относительной сложности его состава.

Из кристаллохимических характеристик минералов важными являются изоморфизм и полиморфизм.

Изоморфизм – свойство химически и геометрически близких атомов, ионов и их сочетаний замещать друг друга в химических соединениях родственного состава и образовывать ряд смешанных минералов одинаковой кристаллической структуры. Химически близкие - одинаковый тип связи, степень поляризации. Геометрически близкие - эффективные радиусы ионов, атомов не должны отличаться более чем на 15%.

Полиморфизм – способность твердых веществ образовывать при одном химическом составе различные по строению кристаллические структуры и, соответственно, формы кристаллов. Классический пример полиморфных модификаций углерода – алмаз и графит.