2.2 Плотность минералов
Плотность минералов определяется массой составляющих их химических элементов и строением электронных оболочек атомов этих элементов, которые обуславливают, в свою очередь, формы кристаллической связи, конституцию и габитус кристаллов. Плотность минералов тем выше, чем больше они содержат атомов с повышенной относительной атомной массой и чем меньше их атомные (ионные) радиусы. С уменьшением атомных радиусов плотность упаковки атомов в единице объема возрастает.
Большинство породообразующих минералов имеют ионную или ковалентную форму кристаллической связи.
Породообразующие минералы характеризуются большим разнообразием структур и габитусов кристаллов. Повышение плотности обуславливается главным образом увеличением упаковки атомов в кристаллической решетке.
Плотность рудных минералов в основном зависит от их средневзвешенной относительной атомной массы. Увеличение плотности происходит главным образом за счет изменения массы при подчиненном влиянии структуры, что соответствует электронному строению атомов типа d для хрома, железа, свинца и других тяжелых элементов. Для них характерно ковалентно-металлическая и ионно-металлическая химическая связь. Значения плотности составляют 3,5-7,5 г/см3 . Самородные минералы (золото, серебро, платина, медь и др.) с металлической связью имеют самые высокие значения плотности (золото 19,32 г/см3 , серебро – 10,5 г/см3, медь 8,9 г/см3).
Примерами взаимосвязи между плотностью и структурой минералов могут служить любые полиморфные модификации: алмаз (плотность 3,51 г/см3) и графит (2,23 г/см3), пирит (2,013 г/см3) и марказит (4,875 г/см3), низкотемпературный α- кварц (2,65 г/см3) и высокотемпературный β- кварц (2,51 г/см3). При одинаковом химическом составе на плотность оказывают влияние межатомные расстояния и координационные числа*, зависящие также от характера химической связи, а при прочих равных условиях – и взаимное расположение групп атомов в разных полиморфных модификациях.
Для многих породообразующих и особенно рудных минералов типичны микропримеси. Эти включения незначительно сказываются на плотности минералов (менее 0,01 г/см3).
Пористость минералов при образовании, как правило, близка к нулю. Однако при последующих процессах преобразования и стрессовых нагрузках, характерных для зон разломов, зон смятия и в других случаях, наблюдается не только трещиноватость пород, но и проявление микротрещиноватости минералов, что снижает плотность. К снижению плотности приводят химическое и механическое выветривание пород и гидротермально-метасоматические процессы, затрагивающие также минералы. Наиболее типичные значения плотности минералов и пределы вариации плотности приведены в таблице 2.1 (использованы данные Н.Б.Дортман, 1984).
Плотность, определенная для большинства минералов, изменяется от 0,98 г/см3 (лед) до 22,5 г/см3 (группа осмистого иридия – невьянскит, сысертскит). Минералы классифицируются на плотные ( >4 г/см3), средние (от 2,5 до 4 г/см3) и малой плотности ( <2,5г/см3 ). К плотным минералам относятся: самородные металлы, сульфиды, за редким исключением (аурипигмент, реальгар), более половины из окислов и гидроокислов, редкие из силикатов (циркон), фосфатов (монацит, ксенотим), вольфраматы, некоторые из карбонатов (смитсонит), сульфатов (барит, англезит).
___________
* координационное число- в кристаллографии число ближайших к данной атому или иону соседних атомов или ионов в кристалле, находящихся от него на одинаковом расстоянии.
Плотность г/см3, породообразующих и рудных минералов Таблица 2.1
| Минерал | Химическая формула | Плотность чистых или наиболее распространенных разновидностей минерала | Вариации плотности минерала |
| Самородные элементы | |||
| Медь | Cu | - | 8,5-8,9 |
| Серебро | Ag | - | 10,3-11,0 |
| Золото | Au | - | 15,0-19,5 |
| Платина | Pt | - | 13,1-21,5 |
| Сера | S | 2,0 | - |
| Алмаз | C | 3,52 | - |
| Графит | C | 2,2 | 2,09-2,25 |
| Сульфиды | |||
| Халькозин | Cu2S | - | 5,5-5,8 |
| Галенит | PbS | - | 7,4-7,6 |
| Сфалерит | ZnS | 3,9-4 | 3,5-4,2 |
| Киноварь | HgS | - | 8,0-8.2 |
| Никелин | NiAs | - | 7,6-7,8 |
| Халькопирит | CuFeS2 | - | 4,1-4,3 |
| Станин | Cu2FeSnS4 | - | - |
| Борнит | Cu5FeS4 | - | 4,9-5,2 |
| Аурипигмент | As2S2 | - | 3,4-3,5 |
| Реальгар | As4S4 | - | 3,5-3,6 |
| Антимонит | Sb2S3 | - | 4,5-4,6 |
| Висмутин | Bi2S3 | - | 6,4-6,7 |
| Молибденит | MoS2 | - | 4,6-5,0 |
| Пирит | FeS2 | - | 4,9-5 |
| Марказит | FeS2 | - | 4,7-4,9 |
| Арсенопирит | Fe[AsS] | - | 5,9-6,0 |
| Галогениды | |||
| Флюорит | CaF2 | 3,18 | 3,01-3,25 |
| Галит | NaCl | 2,168 | - |
| Сильвин | KCl | 1,99 | - |
| Окислы, гидроокислы | |||
| Куприт | CuO2 | 6-6,15 | 5,85-6,15 |
| Корунд | Al2O3 | 4,0 | - |
| Ильминит | FeTiO3 | 4,79 | 4,7-5,2 |
| Гематит | Fe2O3 | - | 5,0-5,3 |
| Шпинель | MgAl2O4 | 3,6 | 3,5-3,7 |
| Магнетит | FeO4 | - | 5,0-5,2 |
| Хромит | FeCr2O4 | - | 4,8-5,2 |
| Минерал | Химическая формула | Плотность чистых или наиболее распространенных разновидностей минерала | Вариации плотности минерала |
| Хризоберилл | BeAl2O4 | - | 3,5-3,9 |
| Рутил | TiO2 | 4,23 | 4,18-4,18-4 |
| Касситерит | SnO2 | 7,03 | 6,8-7,1 |
| Пиролюзит | MnO2 | - | 4,7-5 |
| Перовскит | CaTiO3 | - | 4,0-4,2 |
| Самарскит | (YU)(TaNb)2O8 | - | 5,5-6,5 |
| Уранинит | UO2 | - | 7,5-10,6 |
| Опал | SiO2*nH2O | 1,9-2,1 | 1,9-2,5 |
| Бёмит | AlO(OH) | 3,01 | 3,01-3,11 |
| Диаспор | AlOOH | 3,3-3,5 | 3-3,5 |
| Гидроаргиллит | Al(OH)3 | 2,43 | 2,3-2,43 |
| Карбонаты | |||
| Кальцит | Ca[CO3] | 2,715 | 2,6-2,8 |
| Арагонит | Ca[CO3] | 2,9-3 | 2,85-3 |
| Магнезит | Mg[CO3] | 2,96 | 2,9-3,1 |
| Доломит | CaMg[CO3]2 | 2,87 | 1,8-3,15 |
| Сидерит | Fe[CO3] | 3,89 | 3-3,9 |
| Смитсонит | Zn[CO3] | - | 4,1-4,5 |
| Малахит | Сг[CO3](OH2) | - | 3,9-4,03 |
| Сульфаты | |||
| Барит | Ba[SO4] | 4,5 | 4,3-4,7 |
| Целистин | Sr[SO4] | - | 3,9-4,0 |
| Ангидрит | Ca[SO4] | 2,9 | 2,8-3 |
| Англезит | Pb[SO4] | - | 6,1-6,4 |
| Гипс | Ca[SO4]2H2O | 2,3 | 2,3-2,4 |
| Тенардит | Na[SO4] | - | 2,6-2,7 |
| Мирабилит | Na[SO4]10 H2O | 1,5 | - |
| Алунит | KAl[SO4]2(OH)6 | 2,58 | 2,5-2,8 |
| Ярозит | KFe[SO4]2(OH)6 | - | 3,1-6,3 |
| Хроматы | |||
| Крокоит | Pb[CrO4] | 6,0 | - |
| Вольфраматы, молибдаты, | |||
| Шеелит | Ca[WO4] | - | 5,8-6,2 |
| Вольфрамит | (Mn,Fe)WO4 | 7,1-7,5 | 6,7-7,5 |
| Повеллит | Ca[MoO4] | - | 4,2-4,5 |
| Вульфенит | Pb[MoO4] | - | 6,3-7,0 |
| Минерал | Химическая формула | Плотность чистых или наиболее распространенных разновидностей минерала | Вариации плотности минерала |
| Фосфаты, арсенаты, ванадаты | |||
| Монацит | Ce[PO4] | 5,3 | 4,9-5,5 |
| Ксенотим | YPO4 | 4,45-4,51 | 4,4-4,56 |
| Апатит | Ca5[PO4]3(F,Cl,OH) | 3,18-3,21 | 3,16-3,27 |
| Эритрин | Co[AsO4]28H2O | - | 2,9-3,1 |
| Карнотит | K2[UO2]2[VO4]3H2O | 4,46 | - |
| Бораты | |||
| Борацит | Mg3B7O13Cl | 2,9 | - |
Силикаты | |||
| Циркон | Zn[SiO4] | 4,68-4,7 | 3,8-4,86 |
| Дистен | 3,5-3,7 | - | |
| Андалузит | Al[SiO4]O | 3,1-3,2 | 3,1-3,22 |
| Силлиманит | Al [Si Al O5] | 3,23-3,25 | |
| Гранаты: | |||
| альмандин | Fe3Al2[SiO4]3 | 4,25 | 3,69-4,33 |
| андрадит | Ca3Fe2 [SiO4]3 | 3,75-3,78 | 3,64-3,9 |
| гроссуляр | Ca3Al2[SiO4]3 | 3,53 | 3,53-3,71 |
| пироп | Mg3Al2[SiO4]3 | 3,51 | 3,5-3,8 |
| спессартин | Mn3Al2[SiO4]3 | 4,18-4,27 | 3,8-4,25 |
| Сфен | CaTi[SiO4]O | 3,4-3,56 | 3,29-3,56 |
| Антофиллит | (MgFe)7 Ca [Si4 O11]2[OH]2 | 3-3,15 | 2,8-3,4 |
| Эпидоты: | Ca2Al3[Si2O7] [SiO4]O[OH] | ||
| цоизит | 3,25-3,36 | - | |
| Ортит | 4,1 | 3,5-4,1 | |
| Кордиерит | (MgFe)2[Si5AlO18] | 3,57-2,66 | 2,57-2,78 |
| Турмалины: | (Na,Ca) (Mg,Al)6 [B3Al3Si6 (O,OH) | ||
| дравит | 3,05 | - | |
| шерл | 3,16 | 2,9-3,2 | |
| Пироксены: | |||
| волластонит | Ca [Si3 O9] | 2,8-2,9 | 2,79-2,91 |
| генденбергит | CaFe[Si2 O6] | 3,55 | 3,5-3,6 |
| эгирин | NaFe[Si2 O6] | 3,5-3,56 | 3,43-3,6 |
| Тальк | Mg3[Si4O10][OH]2 | 2,78 | 2,7-2,8 |
| Пирофиллит | Al2[Si4O10][OH]2 | - | 2,66-2,9 |
| Мусковит | KAl2[AlSi3O10][OH]2 | 2,76-3,1 | 2,5-3 |
В составе плотных минералов значительна концентрация частиц с большой атомной массой (свинец, ртуть, серебро, медь и др.) и малым атомным (ионным) радиусом. Большая часть всех минералов имеет среднюю плотность. Незначительное число минералов (10-15%) малой плотности. К ним относятся: самородные неметаллы – графит и сера; некоторые из окислов и гидроокислов (лед, опал); многие минерала класса силикатов (монтмориллонит, галлуазит); некоторые из галогенидов (галит, сильвин), карбонатов, боратов. Хорошая дифференциация минералов по плотности позволяет использовать эту величину для их распознавания.