Общие замечания. В самородном состоянии в земной коре устанавливается свыше 30 химических элементов, главным образом металлов. Сюда же относятся ряд газов и редко встречающиеся элементы в жидком состоянии (ртуть, некоторые амальгамы). На рисунке 61 символы элементов, встречающихся в самородном состоянии, показаны полужирным шрифтом.
Рис. 61. Элементы, встречающиеся в самородном виде (выделены полужирным шрифтом)
Общее весовое значение самородных элементов в земной коре очень невелико (не превышает 0,1 % всей массы земной коры). Из этого количества на долю азота приходится около 0,04 %, кислорода — 0,01–0,02 %. Все остальные элементы, встречающиеся в самородном виде, составляют, следовательно, не больше 0,05 %. Из них в наибольших относительных количествах представлены: водород, аргон, гелий, углерод, сера, золото, элементы платиновой группы, медь и висмут.
Некоторые химические элементы в природе встречаются исключительно или почти исключительно в самородном состоянии и носят название благородных элементов.
К числу их прежде всего относится группа благородных газов: Не, Ne, Ar, Кr; Хe и Rn. Атомы их, как известно, обладают устойчивой двух- и восьмиэлектронной наружной оболочкой, чем и обусловлена их химическая инертность, т. е. неспособность вступать в какие-либо соединения с кислородом, водородом и другими элементами.
Особое положение в таблице занимает также группа благородных металлов (Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt и Аu), располагающихся в больших периодах менделеевской таблицы — пятом и шестом. Характерно, что в этих периодах атомные радиусы элементов в вертикальных группах почти тождественны (явление так называемого лантаноидного сжатия атомных объемов). Это обстоятельство играет очень важную роль в химизме этих элементов в природных условиях, особенно в образовании изоморфных смесей для благородных металлов. Металлы платиновой группы, образуя твердые растворы, в месторождениях распространены всегда совместно. Элементы триады Fe, Co, Ni в составе этих минералов занимают обычно подчиненное положение. Еще резче проявлен изоморфизм для Аu и Ag, тогда как Сu в виде твердого раствора в них встречается очень редко.
Из остальных встречающихся в самородном состоянии элементов, расположенных в субпериодах правой части таблицы, чаще других распространены так называемые полуметаллы: As, Sb и Bi. Несмотря на общность некоторых химических свойств этих элементов, они в природе наблюдаются в разных условиях. Лишь иногда мышьяк и сурьма дают интерметаллическое соединение AsSb (аллемонтит).
Для углерода характерно нахождение его в двух различных по кристаллическому строению модификациях. Самородная сера в главной своей массе возникает путем частичного окисления H2S, реже при восстановлении SO2, а также некоторых сернокислых и органических соединений, богатых серой.
Собственно самородные элементы составляют чуть более 30 минеральных видов. Некоторые элементы, как известно, устанавливаются в двух или более полиморфных модификациях (алмаз, графит, α-сера, β-сера и др.). Большинство элементов, кроме того что встречаются в чистом виде, образуют твердые растворы друг с другом, например: электрум (Аu,Ag), палладистая платина (Pt,Pd), рассматриваемые соответственно в качестве разновидностей золота и платины.
Распространены также чрезвычайно близкие по свойствам к металлам интерметаллические соединения, обладающие стехиометрическими формулами и характеризующиеся своими особенностями кристаллической структуры (например, мальдонит Au2Bi, нигглиит PtSn, аурикуприд Сu3Au, кабриит Pd2СuSn, потарит PdHg и др.). Кроме стехиометрических соединений среди интерметаллидов встречаются и соединения переменного состава, например тетраферроплатина (Pt,Fe)Fe, полярит Pd(Pb,Bi), хатыркит (Cu,Zn)Al2 и др.
Общее число минеральных видов (за счет главным образом интерметаллидов), относящихся к данному разделу, превышает 100, т. е. оно значительно больше, чем число элементов, в них входящих. Количество искусственно получаемых интерметаллических соединений достигает огромной цифры.
Кристаллические структуры и физические свойства минералов. Самородные элементы, встречающиеся в твердом состоянии, обладают различными кристаллическими структурами. По типу сил связей между атомами преобладающее значение имеют атомные структуры плотнейшей упаковки с металлической связью, иногда с признаками связей, переходных к гетерополярной и вандерваальсовской. Этими особенностями обусловлен ряд важных общих свойств самородных металлов.
Из всех природных веществ самородные металлы обладают наилучшей электропроводностью и теплопроводностью. Все они в полированном виде обладают сильным металлическим блеском, т. е. высокой отражательной способностью. Показатели преломления, от которых зависит блеск, являются наивысшими. Лишь для золота, серебра и меди они меньше 1, но это также обусловливает высокую отражательную способность (см. рис. 26). Точно так же и показатели поглощения света исключительно высоки.
Большинство этих характеристик находятся в прямой связи с электронной структурой металлов. Энергетические уровни электронных состояний в металлах лишены дискретности и образуют широкие сплошные полосы — энергетические зоны. Зоны валентных электронов и электронов проводимости в соединениях с преобладающей металлической связью перекрываются, что позволяет валентным электронам быть подвижными носителями заряда и обеспечивать высокую электропроводность. Далее большая ширина зон позволяет электронам совершать переходы в широком диапазоне энергий. Возможность таких переходов обеспечивает поглощение квантов электромагнитного излучения различных длин волн — практически всего видимого спектра, что и приводит к полной непрозрачности металлов.
Цвет преобладающего большинства самородных металлов серебряно- или оловянно-белый. Бросающимся в глаза исключением являются цвета золота и меди. Эти элементы могут обнаруживать более высокие валентности, чем следует по их положению в таблице элементов (Сu2+Сl1-2, Аu3+Сl1-3). Допускают, что избирательное отражение света связано с особенностями зонной структуры этих металлов.
Из всех известных минералов самородные металлы обладают наибольшим удельным весом (особенно минералы элементов платиновой группы). Металлы, структура которых характеризуется координационным числом 12 и отсутствием направленных сил связей, обладают высокой ковкостью, отсутствием ясно выраженной спайности в изломе и обычно невысокой твердостью. В отношении твердости исключение составляют лишь иридий и минералы, содержащие этот элемент в значительных количествах.
Ковкость и пластичность металлов обусловлены главным образом числом направлений, нормально к которым расположены плотнейшие упакованные слои. В средах, обладающих кубической плотнейшей упаковкой, таких направлений мы имеем четыре, тогда как в гексагональной структуре — одно. Поэтому металлы со структурами кубической упаковки обладают большей пластичностью по сравнению с металлами с гексагональной структурой.
Благородные металлы, характеризующиеся лантаноидным сжатием атомных объемов, более устойчивы в химическом отношении. Вследствие этого золото и минералы платиновой группы широко распространены в россыпях речных долин.
Физические свойства группы полуметаллов (мышьяка, сурьмы и висмута), характеризующихся существенной долей участия ковалентных связей и как бы частично искаженными до ромбоэдрической симметрии примитивно упакованными кубическими структурами, несколько отличаются от свойств типичных металлов. Проводимость этих веществ с ростом температуры повышается в отличие от металлов. Наименьшие искажения в кристаллической структуре от кубического прототипа (искусственного α-Po) наблюдаются у висмута, который обладает наибольшим в данной группе блеском, наименьшей хрупкостью, наименьшей твердостью и др. Общими для всех трех металлов являются морфологические особенности кристаллов и направления спайности, что строго согласуется с особенностями их кристаллического строения.
Твердые при нормальных условиях неметаллы по кристаллическим структурам и связанным с ними свойствам совершенно не похожи на типичные металлы. На характеристике их подробно остановимся при описании минералов.
В эту группу входят типичные самородные металлы: медь, серебро, золото и их разновидности по химическому составу.
Из указанных элементов золото в природе наблюдается главным образом в самородном виде, изредка в виде теллуридов. Серебро нередко встречается также в виде сернистых и галоидных соединений. Медь в самородном виде распространена значительно реже, чем сернистые, кислородные и другие ее соединения.
Все эти металлы кристаллизуются в кубической сингонии, образуя однотипные плотноупакованные кристаллические структуры. Золото и серебро, имеющие почти одинаковые размеры элементарных ячеек, образуют твердые растворы, тогда как медь, обладающая меньшими размерами ячейки, только при высокой температуре дает с золотом твердые растворы, распадающиеся при охлаждении. Для системы «серебро — медь» наблюдаются крайне узкие пределы растворимости друг в друге.
МЕДЬ — Сu. Химический состав. Обычно бывает химически чистой. В качестве примесей иногда содержатся Fe (до 2,5 %), Ag (нередко в виде включений самородного серебра), изредка Аu в виде твердого раствора до 2–3 % (золотистая медь).
Сингония кубическая; гексаоктаэдрический в. с. 3L4L366L29PC. Пр. гр. Fm3m(О5h) . a0 = 3,6077. Кристаллическая структура — простейшая и представлена гранецентрированным кубом: атомы Сu располагаются в вершинах куба и в центре каждой грани элементарной ячейки, что отвечает кубической плотнейшей упаковке.
Облик кристаллов. Правильно образованные кристаллы редки (рис. 62).
Рис. 62. Кристалл самородной меди.
Окрестности Екатеринбурга (Урал)
Главные формы: {100}, {111}, {101}. Встречаются двойники срастания по (111) (рис. 63) и кратные двойники (рис. 64), иногда в виде кристаллических дендритов (рис. 65).
Рис. 63. Двойники кристаллов самородной меди по (111):
p {100}, a {111}, b1 {101}, b2 {201}
Рис. 64. Кратный двойник (пятерник) октаэдрических кристаллов по (111)
Рис. 65. Кристаллический дендрит самородной меди,
состоящий из ряда вытянутых двойников.
Турьянские рудники (Урал)
Агрегаты. Часто наблюдаются неправильные пластинчатые дендриты или реже целые пластины, образовавшиеся в трещинах пород при экзогенных процессах. В верхних частях месторождений (в зонах окисления) находили даже сплошные массы в несколько тонн весом.
Цвет меди медно-красный, в свежем изломе — розовый, часто с побежалостью. Черта розовая, металлически блестящая. Блеск типичный металлический.
Твердость 2,5–3. Обладает ковкостью. Излом крючковатый. Спайность отсутствует. Уд. вес 8,5–8,9. Прочие свойства. Прекрасный проводник электричества. Электропроводность 99,95 (для серебра 100).
Диагностические признаки. Легко узнается по цвету, зеленоватым налетам малахита или красным пленкам куприта, ковкости и удельному весу. П. п. тр. плавится (температура плавления 1080 °С). В разбавленной HNO3 легко растворяется. В НCl растворяется с трудом, образуя хлорид меди. Водный раствор в аммиаке обладает характерным синим цветом.
Происхождение и месторождения. Самородная медь образуется в восстановительных условиях при различных геологических процессах.
Типичные гидротермальные месторождения, имеющие самостоятельное значение, очень редки, они тяготеют к основным породам. Примером могут служить крупные месторождения самородной меди, нередко серебросодержащей (мохавкит), в районе Верхнего Озера (в штате Мичиган, США), где вкрапления ее в габбро-долеритах ассоциируют с цеолитами, пренитом, датолитом, кальцитом и другими минералами. Крупные самородки аналогичного генезиса наблюдались в России в диабазах на берегу бухты Пропащая Губа (остров Новая Земля) и в Тайметском месторождении (Кемеровская обл.).
В виде микроскопических выделений медь нередко наблюдается в гидротермально измененных основных изверженных породах, где она могла образоваться в результате разложения медьсодержащих сульфидов.
Наиболее обычно нахождение меди в нижних частях зон окисления медносульфидных месторождений в ассоциации с купритом (Сu2О), малахитом, иногда халькозином (Cu2S) и другими медными минералами. В виде пластинок и неправильной формы пластинчатых ветвистых образований она может быть встречена в трещинах боковых пород по соседству с месторождением. В центральном Казахстане обильные находки меди делались на верхних горизонтах Джезказганского месторождения медистых песчаников. В музее Санкт-Петербургского горного института и в музее Московского геолого-разведочного института сохранились образцы плитообразных больших глыб самородной меди, доставленные в свое время из старых рудников в Дегеленских горах (Восточный Казахстан), где отдельные глыбы достигали веса в несколько тонн.
Известны месторождения меди в осадочных породах, преимущественно в песчаниках в виде цемента между песчинками или в виде неправильной формы конкреций, иногда в ассоциации с купритом, малахитом, азуритом и др. без видимой связи с первичными медными месторождениями. Условия образования этого типа месторождений еще недостаточно изучены. Несомненный интерес представляют скопления меди в виде неправильной формы конкреций в песчаниках Наукатского месторождения в Ферганской долине (Таджикистан).
Замечательные кристаллические двойниковые сростки и дендриты из верхних горизонтов известных Турьинских месторождений (Северный Урал) были описаны Г. Розе в 1837 г.
Наконец, необходимо упомянуть о так называемой цементной меди, которая выделяется на железных предметах (скобах, болтах, рельсах и т. д.) в заброшенных горных выработках, залитых рудничными водами, содержащими в растворе сульфаты меди. Свойство металлического железа высаживать из растворов медь используется для целей получения этого металла в промышленных масштабах (с помощью железных опилок в специальных бетонированных водоемах, куда периодически вливаются рудничные медьсодержащие воды).
Поведение самородной меди в кислородной обстановке характеризуется образованием окислов меди на ее поверхности, а в водно-воздушной среде — основных карбонатов меди (малахита и азурита) в виде корок.
Псевдоморфозы самородной меди известны по куприту, халькозину, изредка по органическим остаткам (чаще по обломкам древесины).
Практическое значение. Применение меди как металла общеизвестно (в электротехнике, машиностроении, для изготовления различных приборов, посуды и т. д.). Процесс извлечения самородной меди из содержащих ее руд довольно прост (применяются гравитационные методы обогащения). Поэтому промышленное содержание этого металла в рудах значительно ниже по сравнению с сульфидными и окисленными рудами (до 0,5 % для крупных месторождений).
СЕРЕБРО — Ag. Самородное серебро в природе распространено реже, чем медь, и несравненно реже, чем золото.
Химический состав. Кроме химически чистого серебра встречаются разновидности: кюстелит с изоморфной примесью золота 10 % и выше, висмутистое серебро (чиленит), медистое серебро, сурьмянистое серебро и др.
Сингония кубическая, гексаоктаэдрический в. с. 3L44L366L29PC. Пр. гр. Fm3m(О5h). a0 = 4,0772. Обнаружены также два гексагональных политипа: серебро 2H и серебро 4H. Кристаллическая структура. Атомы расположены в узлах гранецентрированной кубической решетки, т. е. относится к структурному типу Cu. Облик кристаллов. Правильно образованные кристаллы очень редки. Встречающиеся формы: {100}, {111}. Двойники по (111). Агрегаты. Встречается иногда в виде типичных «вязаных» перистых дендритов (рис. 66), тонких неправильных пластин и листочков. Характерны также моховидные, волосовидные и проволочные формы (рис. 67), иногда антолиты. Наиболее распространены зерна неправильной формы и более крупные сплошные скопления — самородки.
Рис. 66. Перистые дендриты серебра
Рис. 67. Нитевидные кристаллы (антолиты) серебра
на корочке самородного мышьяка (Казахстан)
Цвет серебра в свежем изломе серебряно-белый, иногда с кремовым оттенком. С поверхности часто бывает покрыто черным налетом. Черта металлически блестящая. Блеск типичный металлический.
Твердость 2,5. Весьма ковко. Расплющивается в тончайшие листочки. Излом крючковатый. Спайность отсутствует. Уд. вес 10,1–11,1. Прочие свойства. Наилучший проводник тепла и электричества.
Диагностические признаки. Узнается по цвету, сильному блеску, характерному крючковатому, занозистому излому, ковкости (острие ножа легко оставляет след) и удельному весу. От платины отличается меньшей твердостью и меньшим удельным весом. Аргентит и акантит Ag2S, которые часто сопровождают самородное серебро, обладают более темным свинцово-серым или черным цветом.
П. п. тр. плавится. Раствор в HNO3 с НСl дает характерный белый творожистый осадок AgCl. От H2S чернеет.
Происхождение и месторождения. Образование самородного серебра в природе во многом аналогично образованию меди. Оно вместе с другими серебросодержащими минералами встречается в гидротермальных жильных месторождениях в ассоциации с аргентитом (Ag2S) и кальцитом (месторождение Конгсберг в Норвегии), иногда в ассоциации со сложными сернистыми, мышьяковистыми, сурьмянистыми соединениями разных металлов, в том числе никеля и кобальта. К гидротермальному типу относится крупнейшее в России месторождение серебра Дукат в Магаданской области; в его рудах совместно с акантитом присутствует и самородное серебро. Многочисленные гидротермальные месторождения серебра находятся в Мексике и Чили, откуда известны и самородки.
В экзогенных условиях самородное серебро, так же как и самородная медь, встречается в зонах окисления месторождений сернистых и мышьяково-сурьмянистых руд, являясь продуктом их разложения и восстановления из поверхностных растворов различными органическими соединениями. Образующееся в этих условиях самородное серебро нередко имеет вид дендритов, пластинок, моховидных, проволочных, волосовидных форм и др. Экспериментально доказано, что тончайшие нитевидные и дендритовые образования, иногда в виде красивых узоров, образуются на кусочках угля из раствора, особенно в присутствии растворимых органических соединений.
В поверхностных условиях самородное серебро менее устойчиво, чем золото. Оно часто покрывается пленками и примазками черного цвета. В местностях с жарким сухим климатом на поверхности нередко переходит в устойчивые галоидные соединения (AgCl и др.).
Самородки серебра в прежнее время находили в Турьинских рудниках на Северном Урале, в ряде свинцово-цинковых месторождений Алтая (Греховское, Змеиногорское), Хакасии (Сорское), Восточной Сибири и в других местах.
Практическое значение. Серебро применяется главным образом в сплавах с медью для выделки серебряных изделий, монет и др. Чистое серебро употребляется для филигранных работ, изготовления тиглей для плавления щелочей, для серебрения, для получения химических соединений и других целей. Главная масса серебра (около 80 %) добывается не в самородном виде, а в качестве побочного продукта из богатых серебром свинцово-цинковых, золотых и медных месторождений.
ЗОЛОТО — Au. Золото является одним из металлов, известных человеку с древнейших времен. Среди минералов рассматриваемой группы оно пользуется наибольшим распространением в природе.
Химический состав. В химически чистом виде золото встречается исключительно редко. Так называемое самородное золото в подавляющем большинстве случаев содержит в виде изоморфной примеси серебро (обычно от 4 до 15 % по весу). Встречаются разности и более богатые серебром (электрум).
К числу разновидностей золота относятся следующие: медистое золото с содержанием Cu до 20 % (по весу); порпецит — палладистое золото с содержанием Pd от 5 до 11 % и Ag до 4 %; висмутистое золото (бисмутоаурит) с содержанием Bi в твердом растворе до 4 %.
Сингония кубическая; гексаоктаэдрический в. с. 3L44L366L29PC. Пр. гр. Fm3m(О5h). а0 = 4,0699. Кристаллическая структура. Гранецентрированный куб. Облик кристаллов. Кристаллы встречаются редко, притом преимущественно в виде октаэдров {111} (рис. 68), реже ромбододекаэдров {110} и изредка в виде кубов {100}. Плоскости граней обычно бывают тусклыми, неровными; иногда обладают комбинационной штриховкой параллельно ребрам (111) : (310) и (111) : (110). Часты сростки и двойники по (111).
Рис. 68. Октаэдрический кристалл золота.
Сысертский район (Урал)
Агрегаты. Обычно наблюдается в виде неправильной формы зерен, включенных в кварцевую или рудную массу. Размеры их могут быть самые различные, но чаще встречаются микроскопически мелкие зерна, иногда с трудом различимые даже в полированных шлифах при больших увеличениях под микроскопом. В россыпях речных долин при промывке песков нередко находят самородки окатанной формы весом от нескольких граммов, крайне редко — до десятков килограммов. В зонах выветривания месторождений удавалось находить мелкие сталактитообразные формы самородков вторичного происхождения. В рудах коренных месторождений среди пустот наряду с кристалликами встречались дендритообразные кристаллические сростки (рис. 69) и пластины сетчатого рисунка (рис. 70).
Рис. 69. Дендритовидный скелетный кристалл золота
Рис. 70. Сетчатый дендрит золота
Цвет самородного золота золотисто-желтый (у богатых серебром разностей — бледно-желтый). Черта металлическая, желтая. Блеск типичный металлический.
Твердость 2,5–3. Ковко и тягуче. Легко расплющивается в тончайшие листочки. Спайность отсутствует. Уд. вес 15,6–18,3 (для чистого золота 19,30).
Прочие свойства. Обладает высокой тепло- и электропроводностью.
Диагностические признаки. Характерны золотисто-желтый цвет, низкая твердость (легко режется ножом), большая ковкость, высокий удельный вес и неокисляемость на воздухе. От похожих на него пирита, халькопирита (CuFeS2) и миллерита (NiS) отличается сильным блеском и характерным оттенком цвета.
П. п. тр. плавится. Не растворяется в кислотах, кроме царской водки; растворяется в KCN и реагентах, выделяющих свободный хлор и бром. Горячие многосернистые щелочи растворяют золото, образуя сернистые соединения.
Происхождение и месторождения. Наибольшая масса золота распространена в типичных гидротермальных месторождениях, генетически связанных с интрузивами кислых изверженных пород. Парагенетически оно чаще всего связано с кварцем и сульфидами (пиритом, арсенопиритом, блеклыми рудами, халькопиритом, реже с галенитом, сфалеритом), иногда с теллуридами золота и серебра и др. Весьма характерно, что так называемое видимое золото, как правило, выделяется в числе самых последних минералов, нередко приурочиваясь к трещинкам в ранее образовавшихся минералах. Кроме видимого, различают также «связанное» золото, открываемое в существенных количествах химическими анализами в сульфидах, главным образом в пирите и арсенопирите (Fe[AsS]), лишь частично наблюдаемое под микроскопом. Очевидно, часть его находится в рассеянном тонкодисперсном состоянии подобно тому, как в кристаллозолях распределена дисперсная фаза.
Как новообразование самородное золото встречается в зонах окисления сульфидных месторождений в ассоциации с лимонитом, азуритом, свинцовыми, висмутовыми, сурьмяными охрами и др. Установлено также, что серебро, содержащееся в золоте, в условиях поверхностного выветривания частично выносится, и вследствие этого золото по периферии и вдоль трещинок становится более высокопробным. Точно так же давно было подмечено, что золото, намываемое из россыпей, содержит меньше серебра, чем золото из коренных месторождений.
Россия обладает весьма многочисленными как россыпными, так и коренными месторождениями золота, распространенными на Урале и главным образом в Восточной и Северо-Восточной Сибири. Укажем лишь на некоторые из них.
Березовское месторождение (в 12 км к северо-востоку от Екатеринбурга). Это месторождение знаменито не только тем, что в нем вообще впервые свыше 200 лет тому назад было открыто самородное золото в нашей стране, но и своими замечательными ассоциациями минералов, коллекции которых украшают витрины многих наших и заграничных музеев. Золото здесь приурочено к сериям небольших кварцевых жил, обычно залегающих среди мощных жил измененного гранит-порфира — березита (кварцевые жилы расположены перпендикулярно к стенкам гранит-порфировых жил). Золото преимущественно связано с сульфидами, распространенными в кварцевых жилах, главным образом с пиритом, блеклой рудой, галенитом, халькопиритом, айкинитом и др. В зоне выветривания оно сопровождается различными кислородными соединениями железа, меди, свинца, висмута и др.
Дарасунское месторождение (в 75 км к северо-западу от ст. Шилка Забайкальской ж. д.) представлено кварцевыми жилами, характеризующимися большим разнообразием минералогического состава; кроме кварца в них наблюдаются турмалин, карбонаты, пирит, арсенопирит, халькопирит, галенит, сфалерит, блеклые руды и ряд других минералов. Золото приурочено к скоплениям сульфидов, главным образом арсенопирита.
Балейское месторождение (в 55 км к юго-западу от ст. Приисковая Забайкальской ж. д.) интересно тем, что золото часто наблюдается в скрытокристаллических кварцевых массах в тонкораспыленном виде, вследствие чего обогащенные им участки имеют слабый зеленоватый оттенок. В таких рудах золото заметно лишь под микроскопом.
В Дмитриевском месторождении (в верховьях р. Кары, притока р. Шилки, в Восточном Забайкалье) золото находится в ассоциации с сульфидами в богатых турмалином кварцевых жилах.
Месторождение Кубака в Магаданской области является одним из крупнейших в России, золото сосредоточено в кварцевых жилах с сульфидами. Значительные запасы золота, большей частью заключенного в виде механической примеси в пирите, сосредоточены среди черных сланцев месторождения Сухой Лог (Иркутская область).
Крупные россыпные месторождения распространены во многих районах Урала и Сибири. В Миасском районе (Южный Урал) из россыпи по р. Ташкутаргану, притоку р. Б. Иремель, в 1842 г. был найден самый крупный у нас самородок золота весом 35 кг. Известны также золотоносные россыпи на Алдане, в Приамурье, Колымском крае и на Чукотке.
Из месторождений зарубежных стран широкой известностью пользуется крупнейшее месторождение Витватерсранд в Трансваале (Южная Африка), дававшее до недавнего времени около 40 % всей мировой добычи золота. Золото здесь содержится в метаморфизованных древнейших конгломератах, очевидно, представлявших собой первоначально золотоносные россыпи. Горные выработки достигли глубины свыше 2 км.
Уникальными месторождениями являются Мурунтау в Узбекистане, его руды не богаты, но запасы огромны, и Кумторское — в Киргизии. Зодское месторождение в Армении характеризуется своеобразным парагенезисом: золото в фестончатых кварцевых жилах ассоциировано с теллуридами. Много золота добывается также в США (в западных штатах и на Аляске) и ряде районов Канады и Австралии (Бендиго). Месторождения преимущественно представлены кварцевыми жилами, в которых золото парагенетически связано чаще всего с сульфидами. Обширные районы золотоносных россыпей известны в Калифорнии, на Аляске (р. Клондайк в бассейне Юкона и др., а также на полуострове Сьюорд) и в Австралии. В россыпях провинции Виктория (Австралия) были найдены самые крупные самородки в мире: «Приятный незнакомец» весом 59,67 кг (1858 г.) и «Желанный» весом 68,08 кг (1869 г.).
Практическое значение. Как известно, золото является основным валютным и денежным металлом. Расходуется также на проводящие элементы электроники, украшения, предметы роскоши, физические и химические приборы, в зубоврачебном деле и для других целей.
Минимальное промышленное содержание золота в коренных рудах колеблется в пределах от 1 до 10 г/т, т. е. от 0,0001 до 0,001 % (в зависимости от масштабов месторождений и экономических условий их освоения).
Здесь объединяются самородные металлы VIII группы менделеевской таблицы (за исключением рутения и осмия, о которых речь будет идти ниже): Fe, Co, Ni, Rh, Pd, Ir и Pt. В этой таблице, построенной по длинным периодам, данные элементы примыкают слева к элементам вышерассмотренной группы (Сu, Ag и Аu).
Рассматриваемая здесь группа минералов по условиям нахождения в природе и кристаллохимическим данным делится на две подгруппы: а) железа и б) платины.
Среди минералов подгруппы самородного железа, встречающихся в земной коре, по происхождению следует различать: 1) минералы космического происхождения, слагающие железные метеориты, и 2) крайне редко встречающиеся теллурические (земные) образования.
Минералы, входящие в подгруппу самородной платины, представлены довольно большим числом минеральных видов и их разновидностей, представляющих твердые растворы металлов Pt, Fe, Ir, Pd, Rh, иногда Ni, Сu, изредка Аu, Os, Sn (иногда в существенных количествах), а также Pb, Zn, Ag, Co, Мn, Мо (до 0,006 %) и Re (0,00008–0,002 %).
Из всех этих минеральных видов наибольшим распространением в земной коре пользуется платина и твердые растворы на ее основе от железистой платины до изоферроплатины (Pt,Pd)3(Fe,Cu), объединяемые часто под названием «поликсен». То, что обычно называют собирательным термином «самородная платина», в большинстве случаев относится к поликсену. Характерной особенностью минералов подгруппы самородной платины является то, что в их составе Ru и Os в виде изоморфных примесей не участвуют. Несмотря на то что все шесть элементов платиновой группы (рис. 71) обладают многими общими признаками как в физическом, так и химическом отношении, поведение их в природных условиях все же не совсем одинаково. Элементы с максимальным атомным весом в триадах — Pd и Pt, занимающие правую часть приведенной таблички, ведут себя резко отлично от Ru и Os, т. е. от элементов, располагающихся в крайнем левом столбце. До сих пор не удавалось установить, могут ли эти две крайние пары элементов изоморфно замещать друг друга, хотя минералы, их содержащие, бывают парагенетически тесно связаны, нередко образуя непосредственные срастания. Элементы Rh и Ir, занимающие промежуточное положение (см. рис. 71), играют двойственную роль: они, с одной стороны, образуют химические соединения переменного состава с элементами Ru и Os, а с другой — входят в состав твердых растворов с Pd и Pt, нередко вместе с Fe, Ni, Cu и др. Характерно также, что правые и левые пары элементов платиновой группы способны образовывать, правда, редкие природные химические соединения с S, As, Sb и отчасти с Те, для Rh и Ir подобных соединений известны единицы. Не менее показательно то, что минералы ряда Pd—Pt, как правило, кристаллизуются в кубической сингонии (с кристаллической структурой типа меди), тогда как минералы ряда Ru—Os явно индивидуализированы в виде соединений переменного состава, кристаллизующихся в гексагональной сингонии (в кристаллических структурах типа осмия).
Рис. 71. Триады металлов платиновой группы
Все это и заставляет разбить на две части минералы, образуемые химическими элементами платиновой группы. Одну часть рационально объединить с группой железа, а другую (осмия — рутения) выделить в самостоятельную группу.
ЖЕЛЕЗО — α-Fe. Синоним — феррит.
Химический состав. Согласно имеющимся данным химических анализов, теллурическое железо является почти чистым железом с незначительными примесями: Ni — до 0,6, иногда до 2 %, редко больше; Со — до 0,3 %; Сu — до 0,4 %; Pt — до 0,1 %. Для метеоритного железа характерны заметные примеси Ni, в камасите около 7 %, а в тэните γ-(Fe,Ni), кристаллизующемся в структурном типе Cu и потому выделяющемся в отдельный минеральный вид, — от 24 до 48 %.
Сингония кубическая; гексаоктаэдрический в. с. 3L44L366L29PC. Пр. гр. Im3m(O9h). a0 = 2,8607.
В кристаллах, и притом очень мелких, встречается крайне редко. Обычно наблюдается в виде мельчайших неправильной формы зерен, реже образует более крупные скопления. Кристаллическая структура. Для железа установлено несколько полиморфных модификаций, из которых высотемпературная модификация — γ-Fe (выше 906 °С) образует структуру гранецентрированного куба типа Cu (a0 = 3,63), a низкотемпературная — α-Fe — структуру центрированного куба типа W (a0 = 2,86).
Цвет железа стально-серый, в полированных шлифах металлически-белый. Черта блестящая стально-серая. Блеск в свежем изломе типичный металлический.
Твердость 4–5. Обладает ковкостью. Спайность наблюдается по {100}. Уд. вес 7–7,8. Прочие свойства. Обладает резко выраженной магнитностью (тэнит, наоборот, лишь слабо магнитен).
Диагностические признаки. От самородной платины отличается растворимостью в HNO3, меньшим удельным весом, сильной магнитностью и легкой окисляемостью на воздухе. Бедные никелем разности из раствора медного купороса высаживают на поверхности металлическую медь. Метеоритное железо на полированных поверхностях после травления обычно обнаруживает крупнорешетчатое строение (видманштеттовы фигуры), чего никогда не наблюдается в теллурическом железе.
Происхождение и месторождения. Редкие находки теллурического самородного железа приурочены к основным и ультраосновным изверженным породам. Более крупные выделения были встречены в базальтах в Овифаке (на о. Диско, у западного берега Гренландии) и вблизи г. Касселя (Германия). В обоих пунктах с ним ассоциируют троилит (FeS) и когенит (Fe3C — карбид железа).
В России теллурическое железо известно в диабазах (метадолеритах) Хунгтукунского массива и горы Озерной на севере Центральной Сибири. В микроскопических зернах оно не раз устанавливалось в измененных (серпентинизированных) ультраосновных породах также в парагенезисе с пирротином, иногда с магнетитом, за счет которых оно и возникает при восстановительных реакциях.
Имеются указания также на образование его экзогенным путем в виде вкраплений в кремнистых сланцах (о. Калимантан), в продуктах каменноугольных пожаров, в «болотных рудах» и в торфяниках.
Практического значения все эти находки не имеют.
ПЛАТИНА — (Pt,Fe,Pd). Название пошло от исп. platina — уменьш. от plata (серебро), т. е. серебрецо, серебришко. Чистая платина встречается весьма редко, большинство образцов представлены железистой разновидностью (поликсеном), а нередко и интерметаллидами: изоферроплатиной (Pt,Fe)3Fe и тетраферроплатиной (Pt,Fe)Fe. Название поликсену дано по обилию изоморфных примесей (от греч. поли — много, ксенос — чужой). Платина, представленная поликсеном, является наиболее распространенным в земной коре из минералов платиновой подгруппы.
Химический состав. Pt 80–88 %, постоянно присутствует Fe — до 9,2 % (в изоферроплатине), иногда снижается до 4–5 % (соответственно меняется и содержание Pt). Из других изоморфных примесей устанавливаются: Pd — 0,1–2,0 %, иногда до 21 % — палладистая платина; Ir — до 7 % — иридистая платина; Rh — 0,1–0,5 %, иногда до 4–5 % — родистая платина; Cu — до 0,8 %; Ni — следы до десятых долей процента, иногда в весьма существенных количествах — никелистая платина.
Сингония кубическая; гексаоктаэдрический в. с. 3L44L366L29PC. Пр. гр. Fm3m (O5h). a0 = 3,9158. Кристаллическая структура плотноупакованная кубическая — атомы в узлах гранецентрированной кубической решетки (тип Cu). Облик кристаллов. Обычно наблюдается в виде неправильной формы зерен. Редко встречающиеся мелкие кристаллы большей частью имеют кубическую форму (рис. 72). В комбинациях граней, кроме господствующей формы {100}, наблюдаются {110}, {210}, {310} и некоторые другие. Из двойников преимущественно развиты двойники прорастания по (100) и срастания по (111). Известны кристаллы поликсена скелетного развития (рис. 73). Агрегаты. Отдельные зерна самородной платины, встречающиеся в рудах, часто группируются в мелкие кучки, иногда образуя сплошные массы — самородки. Самый крупный самородок, встреченный в коренных месторождениях Урала, весил 427,5 г. Самородки, находимые в россыпях, достигали размера 10 × 18 см и веса 8–9 кг.
Рис. 72. Кристалл платины (Урал)
Рис. 73. Скелетные кристаллы поликсена (Урал)
Цвет поликсена от серебряно-белого до стально-черного. Черта металлическая стально-серая. Блеск типичный металлический.
Твердость 4–4,5, у богатых иридием разностей — до 6–7. Обладает ковкостью. Излом крючковатый. Спайность обычно отсутствует. Уд. вес — 15–19. Подмечена связь пониженного удельного веса с наличием пустот, занятых природными газами, а также включениями посторонних минералов. Прочие свойства. Чистая платина немагнитна, но такие зерна крайне редки. Поликсен обладает магнитностью, тетраферроплатина сильно магнитна. Хорошо проводит электричество.
Диагностические признаки. По внешнему виду поликсен больше всего напоминает самородное серебро и самородное железо. От первого отличается повышенной твердостью, удельным весом и тем, что не плавится п. п. тр. и не растворяется в кислотах (кроме царской водки). Нерастворимость в кислотах отличает его и от самородного железа.
Происхождение и месторождения. Минералы платиновой группы в большинстве случаев встречаются в типичных магматических месторождениях, генетически связанных с ультраосновными изверженными породами. Эти минералы в рудных телах выделяются в числе последних (после силикатов и окислов) в моменты, отвечающие гидротермальной стадии магматического процесса.
Минералы платины, бедные палладием (поликсен, иридистая платина и др.), встречаются в месторождениях среди дунитов — оливиновых бесполевошпатовых пород, богатых магнезией и бедных кремнеземом. При этом парагенетически они чрезвычайно тесно связаны с хромшпинелидами — окислами сложного состава: (Fe,Mg)(Cr,Al,Fe)2O4.
Палладистая и никеле-палладистая платина преимущественно распространена в основных изверженных горных породах (норитах, габбро-норитах) и ассоциирует обычно с сульфидами: пирротином (Fe1–XS), халькопиритом (CuFeS2) и пентландитом — (Fe,Ni)9S8.
В экзогенных условиях в процессе разрушения коренных месторождений и пород образуются платиноносные россыпи. Большинство минералов подгруппы в этих условиях химически стойко.
Платина, наряду с золотом, несомненно, была известна человеку еще в глубокой древности. В Европе платина привлекла к себе внимание лишь в середине XVIII в., после того как испанский математик Антонио де-Ульоа, путешествовавший по Южной Америке, в 1735 г. привез из Колумбии металлические зерна, по цвету похожие на серебро, но сильно отличавшиеся от него по другим свойствам.
На Урале первые находки самородной платины, обратившие на себя внимание, относятся к 1819 г. Там она была открыта в виде примеси к россыпному золоту. Самостоятельные богатейшие платиноносные россыпи, пользующиеся мировой известностью, были открыты позднее. Они распространены на Среднем и Северном Урале и все пространственно приурочены к выходам массивов ультраосновных пород (дунитов и пироксенитов). Многочисленные небольшие коренные месторождения были установлены в Нижне-Тагильском дунитовом массиве. Скопления самородной платины (поликсена) приурочены главным образом к хромитовым рудным телам, состоящим преимущественно из хромшпинелидов с примесью силикатов (оливина и серпентина). Из гетерогенного ультраосновного массива Кондер в Хабаровском крае поступают кубического габитуса кристаллы платины 1–2 см в ребре. Большое количество палладистой платины добывается из ликвационных сульфидных медно-никелевых руд месторождений Норильской группы (север Центральной Сибири). Платина может также извлекаться из связанных с основными породами позднемагматических титаномагнетитовых руд таких месторождений, как, например, Гусевогорское и Качканарское (Средний Урал).
Крупное значение в платинодобывающей промышленности имеет аналог Норильска — известное месторождение Садбери в Канаде, из медно-никелевых руд которого платиновые металлы добываются попутно с никелем, медью и кобальтом.
Практическое значение. В первый период добычи самородная платина не находила надлежащего применения и даже считалась вредной примесью к россыпному золоту, с которым она улавливалась попутно. Вначале ее просто выбрасывали в отвал при промывке золота или применяли вместо дроби при стрельбе. Затем производились попытки фальсификации ее путем золочения и сдачи в таком виде скупщикам. В числе самых первых изделий из уральской самородной платины, хранившихся в Ленинградском горном музее, были цепи, кольца, обручи для бочек и пр. Замечательные свойства металлов платиновой группы были открыты несколько позднее.
Главнейшими ценными свойствами платиновых металлов являются трудноплавкость, электропроводность и химическая стойкость. Эти свойства обусловливают использование металлов данной группы в химической промышленности (для изготовления лабораторной посуды, в производстве серной кислоты и пр.), электротехнике и других отраслях промышленности. Значительные количества платины расходуются в ювелирном и зубоврачебном деле. Важнейшую роль платина играет в качестве материала поверхности катализаторов в переработке нефти.
Добываемая «сырая» платина поступает на аффинажные заводы, где производятся сложные химические процессы разделения ее на составляющие чистые металлы.
3. Группа осмия — рутения (осмистого иридия)
Эти два элемента в менделеевской таблице располагаются в левой стороне триад элементов платиновой группы (см. рис. 71). Весьма характерно, что они, изоморфно замещая друг друга, в природных условиях легко образуют твердые растворы с элементами, располагающимися в середине этих триад, — с родием и особенно с иридием, но не с палладием и платиной. Наличие платины как элемента хотя и часто указывается в данных химических анализов минералов рассматриваемой группы, однако, по всей вероятности, она присутствует в виде механической примеси, как это иногда устанавливается в полированных шлифах под микроскопом. Таким образом, главными металлами в этой группе являются осмий и иридий, в меньшей степени — рутений и родий.
Минералы этой группы встречаются совместно с минералами железо-платиновой группы, но по целому ряду свойств резко отличаются от них: 1) весьма характерен пластинчатый облик кристаллов; 2) большей частью отчетливо выражена оптическая анизотропия; 3) характерна явно повышенная твердость, благодаря чему пластинки осмистого иридия рельефно выделяются в полированных шлифах на фоне самородной платины; 4) относительно повышенными оказываются и удельные веса минералов; 5) минералы группы осмистого иридия обладают, наконец, исключительной химической устойчивостью (не растворяются даже в кипящей царской водке).
Главные минеральные виды принято различать по соотношению и содержанию в них иридия и осмия с учетом изодиморфизма в этом ряду. Собственно иридий кубический (менее 20–25 % ат. Os), обычно содержащий заметные примеси платины, встречается чрезвычайно редко — в платиновых россыпях Урала и Бразилии.
ОСМИРИД (Ir, Os). Назван по составу. Синоним — невьянскит, по месту нахождения: Невьянский район, к северу от Екатеринбурга (Урал). Является наиболее широко представленной в природе разновидностью из минералов данной группы.
Химический состав. Минералы, описанные под названием невьянскит, имели следующие колебания в содержании отдельных металлов (в %): Ir — 46,8–77,2, Os — 21–49,3, Ru — 0–0,5, Rh — 0,5–7,7, Pt — 0,1–5,5, Cu — 0–0,9, Fe — 0–1,4. Отношение Ir : Os колеблется в пределах от 3 : 1 до 1 : 1. В некоторых случаях в виде изоморфной примеси к иридию обнаруживается в значительном количестве родий.
Сингония гексагональная; дигексагонально-дипирамидальный в. с. L66L27PC. Пр. гр. P63/mmc(D46h). а0 = 2,62; с0= 4,60.
Кристаллическая структура гексагональная, плотнейшей упаковки. Облик кристаллов. В противоположность минералам железоплатиновой группы минеральные виды этой группы в кристаллографическом отношении индивидуализированы очень хорошо. Кристаллы благодаря преимущественному развитию пинакоида {0001} представлены обычно мелкими шестиугольными пластинками или таблитчатыми зернами (рис. 74), ограниченными с боков гранями призмы {101–0} и гексагональных дипирамид, чаще {101–1}. Встречаются кристаллы в виде неравносторонних шестиугольников, по форме приближающихся к треугольнику. Нередки скелетные пластинчатые выделения наподобие каркаса (рис. 75).
Рис. 74. Кристаллы осмирида (Урал)
Рис. 75. Кольцеобразный кристалл осмирида (Урал)
Цвет осмирида оловянно-белый или светло-серый. Блеск металлический. Оптически анизотропен.
Твердость 6–7. Хрупок. Спайность совершенная по {0001}, но отщепление листочков происходит с трудом. Листочки ломки. Уд. вес колеблется от 17 до 21. На понижение удельного веса влияет наличие мелких газовых пустот, иногда очень многочисленных (их количество в некоторых случаях достигает 17 % по объему).
Диагностические признаки. Легко узнается по пластинчатому облику, более светлой окраске (по сравнению с иридосмином) и высокой твердости.
П. п. тр. не плавится. Чрезвычайно кислотоупорен. При сплавлении с селитрой выделяет пары осмиевого ангидрида OsO4, обладающие резким неприятным запахом гнилой редьки. При растворении этого сплава в воде выпадает черный порошок иридия.
Происхождение и месторождения. Минералы этой группы генетически связаны главным образом с массивами изверженных ультраосновных пород (дунитов и перидотитов), где они встречаются в тесной ассоциации с минералами группы платины, хромшпинелидами, иногда сульфидами меди. Встречаются и непосредственно в самих породах, т. е. не сопровождаются другими рудными минералами.
Указывались находки их в гидротермальных золотоносных кварцевых жилах. Встречались сростки осмирида с золотом.
При выветривании и размыве месторождений осмирид благодаря химической стойкости вместе с минералами самородной платины и золотом переходит в россыпи.
Осмирид встречается в россыпях, приуроченных к выходам массивов ультраосновных изверженных пород. В России известен в Нижне-Тагильских платиновых россыпях, в Гулинском щелочно-ультраосновном массиве (север Средней Сибири), в Чирынайском перидотитовом массиве (Корякия). В незначительных количествах он присутствует в виде примесей во многих золотоносных россыпях Урала, Сибири, а также в Калифорнии и Орегоне (США). На о. Тасмания известны россыпи, в которых минералы группы осмистого иридия преобладают над платиновыми металлами. Попутно с золотом осмирид добывается также в крупнейшем месторождении золота Витватерсранд (в Трансваале, Южная Африка).
Практическое значение. Более крупные кристаллы осмистого иридия (диаметром не меньше 1 мм) употребляются в сыром виде (т. е. без химической обработки) при изготовлении приборов специального назначения (для этой цели необходимы зерна не менее 0,5 мм, предпочтительно овальной, а не пластинчатой формы). Мелкие зерна находят применение для изготовления кончиков вечных перьев, режущих частей хирургических инструментов и т. д.
Иридосмин (Os, Ir). Назван по составу. Синоним — сысертскит, по месту нахождения: Сысертский район (около Екатеринбурга) на Урале.
Химический состав. Содержание осмия преобладает над содержанием иридия. Нередко в значительных количествах присутствует изоморфная примесь Ru.
Сингония гексагональная; дигексагонально-дипирамидальный в. с. Структура аналогична структуре осмирида. Наблюдался в виде шестиугольных пластинчатых кристаллов, окатанных пластинок, обломков (при промывке платиноносных россыпей).
Цвет иридосмина стально-серый до темно-серого. Блеск металлический, тусклый.
Твердость около 6. Хрупок. Спайность по {0001} ясная. Уд. вес изменчивый: 17,8–22,5. Магнитные свойства не изучены.
Диагностические признаки. От осмирида отличается лишь более темной окраской. В остальном определенных различий без химического анализа установить нельзя.
П. п. тр. не плавится. При сильном прокаливании в окислительном пламени становится черным и выделяет пары осмиевого ангидрида OsO4 с резким неприятным запахом (осмирид при прокаливании без селитры обычно не выделяет паров OsO4). При сплавлении с селитрой образуется зеленая масса; при кипячении этот сплав выделяет черный порошок иридия. По отношению к кислотам чрезвычайно устойчив.
Происхождение — см. невьянскит. Часто встречается совместно с невьянскитом как в россыпях, так и в коренных месторождениях платины.
В эту группу, кроме мышьяка, входят сурьма и висмут, т. е. элементы больших периодов V группы таблицы Менделеева. Все они в природных условиях хотя и редко, но наблюдаются в самородном состоянии, кристаллизуясь в одной сингонии и образуя однотипные кристаллические структуры. Однако, несмотря на это, они не встречаются совместно и не дают в природе ни твердых растворов, ни определенных соединений, за исключением мышьяка и сурьмы, которые при высоких температурах образуют твердые растворы во всех пропорциях, а при низких — лишь устойчивое интерметаллическое соединение AsSb (аллемонтит).
Характерной особенностью структуры рассматриваемых полуметаллов является то, что каждый атом ковалентно связан с тремя из окружающих его шести атомов, образуя гофрированные слои тесно соединенных между собой структурных единиц. Связи между такими слоями — вандерваальсовские, т. е. очень слабые, что обусловливает совершенную спайность по (0001), высокую оптическую анизотропию и пониженную твердость. Таким образом, кристаллические структуры минералов этой группы молекулярные, молекулами являются бесконечные слои.
МЫШЬЯК — As. Встречается сравнительно редко и обычно в небольших количествах1.
Химический состав. Содержание As — 84–98 %. Примеси: Sb — 1,7–9,2 %, реже Ag, Fe, Ni, иногда Bi и V. Возможно, содержание Ag, Ni, Fe и Bi обусловлено механическими включениями посторонних минералов (самородного висмута и арсенидов никеля и железа, с которыми самородный мышьяк встречается иногда в тесном срастании).
Сингония тригональная; дитригонально-скаленоэдрический в. с. L363L23PC. Пр. гр. R3–m(D53d). arh = 4,142; α = 54°07′. Кристаллическая структура может быть описана как искаженная примитивная кубическая упаковка атомов, при этом три межатомных расстояния укорочены, три других — удлинены. Облик кристаллов. Кристаллы крайне редки, имеют ромбоэдрический (рис. 76) или псевдокубический облик. Агрегаты. Обычно наблюдается в виде сферолитовых корок с почковидной поверхностью, сталактитов, скорлуповатых образований, в изломе обнаруживающих кристаллически-зернистое строение.
Рис. 76. Кристалл мышьяка
пинакоидально-ромбоэдрического габитуса
Цвет мышьяка в свежем изломе оловянно-белый. С течением времени довольно быстро становится желто-бурым, а затем черным. Черта серая, оловянно-белая. Блеск металлический, сильный (в свежем изломе); быстро тускнеет и становится матовым на окислившейся, почерневшей с течением времени поверхности.
Твердость 3,5. Хрупок. Спайность совершенная по {0001} и менее совершенная по (011–2). Излом зернистый. Уд. вес 5,63–5,78.
Диагностические признаки. Самородный мышьяк довольно легко узнается по форме выделений, почерневшей поверхности, значительному удельному весу, сильному металлическому блеску в свежем изломе и совершенной спайности.
П. п. тр. улетучивается, не плавясь (при температуре около 360 °С), издавая характерный чесночный запах и образуя белый налет As2O3 на угле. В жидкое состояние переходит лишь при повышенном внешнем давлении. В закрытой трубке образует зеркало мышьяка. При резком ударе молотком издает чесночный запах.
Происхождение и месторождения. Мышьяк встречается в гидротермальных месторождениях в виде скорлуповатых сферолитовых образований в пустотах, образуясь, очевидно, в последние моменты гидротермальной деятельности. В ассоциации с ним могут встречаться различные по составу мышьяковистые, сурьмянистые, реже сернистые соединения никеля, кобальта, серебра, свинца и др., а также нерудные минералы.
В литературе имеются указания на вторичное происхождение мышьяка в зонах выветривания месторождений мышьяковистых руд, что, вообще говоря, маловероятно, если учесть, что в этих условиях он очень неустойчив и, быстро окисляясь, разлагается полностью. Черные корочки состоят из тонкой смеси мышьяка и арсенолита (As2O3). В конце концов образуется чистый арсенолит.
На территории России самородный мышьяк был встречен в нескольких месторождениях. Из них отметим Садонское гидротермальное свинцово-цинковое месторождение (Северная Осетия), где он неоднократно наблюдался в виде почковидных масс на кристаллическом кальците с галенитом и сфалеритом. Крупные почкообразные скопления самородного мышьяка с концентрически-скорлуповатым строением были встречены на левом берегу р. Чикой (Забайкалье). В парагенезисе с ним наблюдался лишь кальцит в виде оторочек на стенках тонких жил, секущих древние кристаллические сланцы. В виде обломков мышьяк был найден также в районе ст. Джалинда в отрогах Малого Хингана (Приамурье) и в других местах. В гидротермальных доломит-анкеритовых жилах с никелином сферолиты мышьяка обнаружены на Белореченском месторождении в Краснодарском крае.
В ряде месторождений Саксонии (Фрайберг, Шнееберг, Аннаберг и др.) самородный мышьяк наблюдался в ассоциации с мышьяковистыми соединениями кобальта, никеля, серебра, самородным висмутом и др.
Все эти и другие находки данного минерала практического значения не имеют.
ВИСМУТ — Bi. Самородный висмут хотя встречается значительно чаще, чем мышьяк и сурьма, все же принадлежит к числу довольно редких минералов и обычно не дает крупных скоплений.
Химический состав. Как правило, висмут почти чист. В виде примесей к нему устанавливаются в очень незначительных количествах или в виде следов Fe, S, As и Sb.
Сингония тригональная; дитригонально-скаленоэдрический в. с. L363L23PC. Пр. гр. R3–m(D53d). arh = 4,736; α = 57°16′. Кристаллическая структура аналогична структуре мышьяка, однако более близка к примитивной кубической упаковке: различия между тремя ближайшими и тремя последующими по величине межатомными расстояниями заметно меньше. В кристаллах висмут встречается крайне редко, причем его кристаллы обычно плохо образованы. Чаще наблюдается в виде вкрапленных зерен, иногда крупных, листоватых или зернистых агрегатов. Встречаются также перистые дендриты.
Цвет висмута в свежем изломе серебряно-белый с желтоватым оттенком; с течением времени появляется характерная красноватая побежалость. Черта серая. Блеск металлический, сильный.
Твердость 2,5. Слабо ковок. Спайность весьма совершенная по {0001} и средняя по {1011}. Уд. вес 9,7–9,83 (в жидком состоянии 10,03). Прочие свойства. Температура плавления около 270 °С. Точка кипения около 1450 °С. Обладает диамагнитными свойствами.
Диагностические признаки. Висмут легко узнается по слабому желтовато-красноватому оттенку побежалости, сильному металлическому блеску, совершенной спайности, относительно низкой твердости и относительно высокому удельному весу.
П. п. тр. очень легко плавится, при продолжительном дутье испаряется, образуя налеты на угле, которые вначале имеют белый цвет, потом окрашиваются в оранжево-желтый, а по охлаждении — в лимонно-желтый цвет. При сплавлении с KJ и S образует на угле характерный налет с ярко-красной каймой BiJ3 (реакция на Bi). Легко растворяется в HNO3, из раствора после разбавления выпадает белый осадок.
Происхождение и месторождения. Почти все известные находки висмута приурочены к образованиям гидротермального происхождения.
В одних случаях он генетически связан с высокотемпературными образованиями — изредка в пегматитах, чаще в грейзеново-кварцевожильных оловянно-вольфрамовых месторождениях, в ассоциации с такими минералами, как арсенопирит (FeAsS), висмутин (Bi2S3), ферберит (FeWO4), молибденит (MoS2), касситерит (SnO2), топаз, берилл, турмалин и др. Так, на месторождении Кара-Оба в Центральном Казахстане висмут с висмутином, пиритом, вольфрамитом и козалитом находится в виде полиэдрических зерен, выполняющих интерстиции в кварце. Отмечен и в грейзенах Шерловой Горы (Забайкалье).
Отмечен висмут и в своеобразных бериллиеносных метасоматитах Изумрудных копей на Среднем Урале, представляющих собой результат грейзенизации ультраосновных пород. На этом месторождении в кварц-полевошпатовых с бериллом и фенакитом гнездах и жилах среди слюдитов висмут образует изолированные выделения с висмутином, флюоритом и молибденитом.
В других случаях самородный висмут бывает тесно связан с мышьяковистыми соединениями никеля, кобальта, урановыми минералами, сернистыми соединениями серебра, свинца, цинка и др. Таковы, например, ассоциации в многочисленных жильных месторождениях Рудных гор (на границе Саксонии и Богемии) — Шнееберг, Аннаберг, Яхимов и др. В более значительных количествах вместе с висмутином (Bi2S3) он встречается в кварцево-баритовых жилах боливийских месторождений — Таcна, Оруро и др.
Сюда относятся самородные элементы VI группы таблицы Менделеева: сера, селен и теллур. Из них сера является типичным металлоидом, тогда как селен и особенно теллур обладают свойствами полуметаллов.
Для самой серы устанавливаются три полиморфные модификации, из которых в природных условиях наиболее устойчивой является ромбическая модификация — α-сера. При атмосферном давлении и температуре выше 96,5 °С она переходит в β-серу моноклинной сингонии, а при охлаждении вновь возвращается в прежнее кристаллическое состояние; γ-сера также моноклинна, но неустойчива при атмосферном давлении при низких температурах, при комнатной температуре превращается в α-серу. Другие три искусственно полученные полиморфные модификации серы в природных условиях не встречаются.
СЕРА — S. Наиболее устойчивую при комнатной температуре α-модификацию серы называют обычно ромбической серой или просто серой.
Химический состав. В ряде случаев устанавливается химически чистая сера, но обычно она бывает загрязнена посторонними механическими примесями: глинистым или органическим веществом, капельками нефти, газами и пр. Известны также редкие разновидности с изоморфной примесью Se обычно до 1 %, изредка до 5,2 % — селенистая сера, а также Те, иногда As и в исключительных случаях Тl.
Сингония ромбическая; ромбо-дипирамидальный в. с. 3L23PC. Пр. гр. Fddd(D242h). а0 = 10,48; b0 = 12,92; с0 = 24,55. Кристаллическая структура. Согласно рентгенометрическим исследованиям, ромбическая сера обладает редкой для неорганических соединений молекулярной и притом очень сложной кристаллической структурой. В структуре каждый атом серы с двух сторон перекрывается сферами соседних атомов, причем цепочки, состоящие из восьми атомов, замкнуты в виде зигзагообразно «сморщенного» кольца (рис. 77).
Рис. 77. Вид сверху и сбоку восьмиатомного кольца (молекулы) серы.
Ниже дана схема расположения центров атомов
Отсюда видно, что молекула серы — S8. Расстояние между атомами S—S равно 2,12 Å . Элементарная ячейка сложена 16 такими электрически нейтральными молекулами (кольцами), очень слабо связанными друг с другом вандерваальсовской связью. Облик кристаллов. Кристаллы чаще имеют пирамидальный (рис. 78) или усеченно-пирамидальный вид (рис. 79), реже ромботетраэдрический (рис. 80).
Рис. 78. Кристалл серы пирамидального облика
Рис. 79. Кристалл серы усеченно-пирамидального облика
Рис. 80. Ромбо-тетраэдрический кристалл серы
Последний случай, когда кристалл по внешней морфологии имеет симметрию более низкую, чем установлено рентгеновским анализом для его структуры, относится к явлению гипоморфизма (от греч. гипо — низкий, морфэ — форма). Характерные габитусные формы серы: {001}, {011}, {111}, {113} и др. Двойники редки — с плоскостью срастания по (111), иногда по (011) и (110). Агрегаты. Часто встречается в сплошных, иногда землистых массах. Изредка наблюдаются натечные почковидные формы и налеты (в районах вулканических извержений).
Цвет. У α-серы наблюдаются различные оттенки желтого цвета: соломенно-желтый, медово-желтый, желтовато-серый, бурый и черный (от углеродистых примесей). Черты почти не дает, порошок слабо-желтоватый. Блеск на гранях алмазный, в изломе жирный. В кристаллах просвечивает.
Твердость 1–2. Хрупка. Спайность несовершенная по {001}, {110} и {111}. Уд. вес 2,05–2,08. Прочие свойства. Электропроводность и теплопроводность очень слабые (хороший изолятор). При трении заряжается отрицательным электричеством. Растрескивается от теплоты руки.
Диагностические признаки. Характерны цвет, низкая твердость, хрупкость, жирный блеск в изломе кристаллов и легкоплавкость.
П. п. тр. и от спички легко плавится (при 112,8 °С) и загорается голубым пламенем с выделением характерного запаха SO2 (отличие от похожего на серу аурипигмента — As2S3). Легко растворима в сероуглероде, скипидаре, керосине, но не разлагается в НСl и H2SO4. Крепкая HNO3 и царская водка окисляют серу, переводя ее в H2SO4.
Таким образом, самородная сера как единственный среди рассматриваемых в этом разделе минерал, обладающий молекулярным строением вещества, характеризуется совершенно особыми свойствами. Наличие в структуре в качестве структурных единиц электрически нейтральных молекул S8 легко объясняет такие свойства, как плохая электропроводность, низкая теплопроводность, слабая связь между молекулами, что выражается в низких температурах плавления и возгонки, слабых механических свойствах, низкой твердости, в отсутствии ясно выраженной спайности, в связи с чем находятся очень неровный излом и жирный блеск, а кольцевая форма структурных единиц (молекул S8), сильно отличающаяся от формы шара, обусловливает резкую оптическую анизотропию кристаллического вещества, анизотропию теплового расширения и т. д.
Следует добавить, что такие свойства, как небольшой удельный вес и невысокая температура плавления, остроумно используются при добыче самородной серы из глубоко залегающих сероносных пластов: по трубам в буровые скважины нагнетается перегретый водяной пар, и расплавленная сера, освободившись одновременно от посторонних механических примесей, с восходящей струей поднимается на поверхность, где улавливается самыми простыми способами.
Происхождение и месторождения. Самородная сера встречается исключительно в самой верхней части земной коры и на ее поверхности. Образуется различными путями.
1. При вулканических извержениях, осаждаясь в виде возгонов на стенках кратеров, в трещинах пород, иногда изливаясь в расплавленном виде с горючими водами сольфатарных источников и застывая в логах и долинах в виде потоков в районах современной вулканической деятельности (Курильские острова, Япония). Часто ассоциирует с другими продуктами возгона и сульфатами, образовавшимися при воздействии SO2 на окружающие породы. Возникает в результате неполного окисления сероводорода в сольфатарах или как продукт реакции его с сернистым газом:
2H2S + 2O = 2H2O + 2S;
H2S + SO2 = H2O + O + 2S.
2. При разложении сернистых соединений металлов, главным образом пирита, в нижних частях зоны окисления рудных месторождений. Обычно бывает сильно загрязнена различными механическими примесями.
3. При разложении гипсоносных осадочных толщ. Часто наблюдается парагенезис самородной серы с гипсом, на разъеденных участках которого она образуется в виде кристаллических и порошковатых масс. Многое в этом процессе образования еще неясно.
4. Осадочным (биохимическим) путем в нормальных осадочных породах, представленных обычно пластами, содержащими гипс, твердые и жидкие битумы (асфальт, нефть) и др. Этот тип месторождений широко распространен на земном шаре и имеет большое промышленное значение. При этом основная масса самородной серы образовалась, очевидно, сингенетически, т. е. одновременно с другими осадками. Однако нередко наблюдаются и эпигенетические образования серы во вмещающих породах, происшедшие, по-видимому, при позднейшей миграции ее под влиянием тектонических процессов, переноса нефтями, растворами и т. п.
Происхождение серы биохимическим путем связывают с жизнедеятельностью анаэробных бактерий, перерабатывающих сульфаты, в результате чего образуется сероводород, неполное окисление которого приводит к выпадению серы.
В России и ближнем зарубежье залежи серы широко распространены. В районе Самары в Поволжье известны крупные осадочные месторождения, например Алексеевское и Водинское, где сера встречается в виде кристаллов до 15 см с кальцитом, гипсом и целестином. Заслуживают упоминания ячеистые массы гипергенной самородной серы, сохраняющие отпечатки кристаллов пирита, замещенных серой при выветривании в зоне окисления Березовского месторождения (Средний Урал). На территории Средней Азии следует отметить: 1) месторождение Гаурдак (Туркменистан); 2) Шор-Су (Узбекистан) — в трещинах и пустотах различных осадочных пород в парагенезисе с нефтью, озокеритом, гипсом, целестином, кальцитом, арагонитом и др. В числе зарубежных месторождений большой известностью пользуются крупные месторождения Сицилии, очень мощные месторождения в штатах Техас и Луизиана (США), связанные с соляными куполами. Представляет интерес огромная залежь серы, образовавшаяся в кратерном озере в районе Хоробетсу (Япония), аналогичные скопления имеются и на Курильских островах.
Практическое значение. Главное применение сера имеет в производстве серной кислоты, используемой во многих отраслях промышленности, затем в сельском хозяйстве (для борьбы с вредителями), в резиновом производстве (процесс вулканизации резины), при изготовлении спичек, фейерверков, красок и пр.
Относящиеся сюда минералы также занимают особое положение среди самородных элементов. Эта группа представлена двумя резко различными по физическим свойствам полиморфными модификациями углерода: алмазом и графитом.
Кристаллическая структура алмаза (рис. 81) характеризуется решеткой гранецентрированного куба, но атомы углерода располагаются не только в вершинах и на гранях куба, но также в центрах половинного числа малых кубов (октантов), чередующихся с пустыми малыми кубами. Более наглядно эта структура показана на рисунке 81б в виде комбинации тетраэдров, в которых, кроме четырех атомов по вершинам, в центре располагается пятый атом (рис. 82в). Каждая вершина тетраэдра является общей для четырех смежных тетраэдров.
Рис. 81. Кристаллическая структура алмаза.
а — изображение центров атомов; б — та же структура в виде тетраэдров,
вершины и центры которых являются центрами атомов углерода
Рис. 82. Разные способы изображения тетраэдрического расположения атомов.
Расстояния между центрами атомов на всех трех фигурах одинаковы
Атомы углерода в кристаллической структуре алмаза находятся в состоянии sp3-гибридизации валентных электронов, они соединены друг с другом исключительно ковалентными жесткими связями по направлениям, соединяющим центр тетраэдра с его вершинами. Связывающие электронные пары находятся в серединах отрезков, соединяющих центры ближайших атомов углерода, и прочно локализованы, энергетический зазор между состоянием этих электронов и уровнем электронов проводимости составляет очень большую величину — 3,6 ЭВ. Поэтому алмаз является типичным диэлектриком, что обусловливает ряд таких специфических свойств, как бесцветность и прозрачность, низкая электропроводность, необычайно высокая твердость, весьма высокая устойчивость при широких колебаниях температуры и давления (в частности, при нагреве до температуры 2500 °С в отсутствие кислорода не обнаруживает никаких изменений), очень высокая устойчивость по отношению к кислотам и щелочам и др.
Структура графита весьма существенно отличается от структуры алмаза. Ионы углерода в графите лежат слоями, представленными плоскими гексагональными сетками (рис. 83). Каждый ион в плоской сетке окружен тремя соседними ионами на расстоянии 1,42 Å (в алмазе 1,54 Å), расстояние же между плоскими сетками — 3,40 Å , (больше чем в два раза). Состояние атомов углерода в графите таково (sp2-гибридизация), что каждый из них способен образовать лишь три ковалентные σ-связи. Третий электрон каждого атома участвует в π-связи, электронные облака которой в виде сообщающихся каналов сосредоточены по обе стороны от слоя, содержащего центры атомов углерода. Электроны в этих каналах делокализованы и могут передвигаться вдоль плоскости слоя, обеспечивая проводимость металлического типа.
Рис. 83. Расположение центров атомов в слоях структуры графита.
Каждый следующий слой как бы сдвинут на расстояние
в половину диаметра шестерных колец
Отсюда становится понятным ряд свойств графита: его значительно меньший удельный вес по сравнению с алмазом, чрезвычайно легкая расщепляемость на тонкие чешуйки и резко выраженная оптическая анизотропия. Налицо также анизотропия твердости, которую удается установить при очень точных тонких исследованиях (перпендикулярно плоскости спайности 5,5 по Моосу, но в то же время благодаря очень слабому сцеплению слоев графит настолько мягок, что мажет бумагу и пальцы). Этим же объясняется неоднородность поглощения света, чем и обусловлен серый цвет минерала. Таким образом, тип связи атомов в графите в отличие от алмаза в какой-то мере носит металлический характер, т. е. в связях участвуют также «металлические» электроны. С этим вполне увязываются такие свойства, как полуметаллический блеск, высокая электропроводность и др. Но по химической и термической стойкости графит все же близок к алмазу.
Если мы структуру алмаза изобразим в таком виде, как это показано на рисунке 84а, т. е. вдоль тройной оси (ср. номера атомов на рис. 81а), то в горизонтальных плоских сетках также заметим гексагональные кольца (атомы 6, 11, 8, 9, 7 и 10) с той лишь разницей, что эти сетки не совсем плоские: три атома располагаются несколько выше по сравнению с другими тремя. Этим и объясняется, почему в кристаллах алмаза спайность средняя по {111}, тогда как в графите — по {0001} совершенная.
Рис. 84. Расположение центров атомов в алмазе
(а) при горизонтальном расположении плоских сеток (111) и в графите (б)
АЛМАЗ — С. Название происходит от греч. адамас — непреодолимый (очевидно, имелись в виду его наивысшая твердость и устойчивость по отношению к физическим и химическим агентам).
Разновидности: 1) борт — неправильной формы сростки и шаровидные лучистые агрегаты; 2) карбонадо — тонкозернистые пористые агрегаты, окрашенные аморфным графитом и посторонними примесями в буровато-черный цвет.
Химический состав. Бесцветные разновидности состоят из чистого углерода, достаточно распространены примеси азота и реже бора, приводящие к появлению желтого и розового оттенков соответственно. Густоокрашенные же и непрозрачные разновидности в несгораемом остатке, достигающем иногда нескольких процентов, обнаруживают SiO2, MgO, CaO, FeO, Fe2O3, Al2O3, TiO2 и др. В виде включений в алмазах нередко наблюдаются графит и некоторые другие минералы.
Сингония кубическая; гексаоктаэдрический в. с. 3L44L366L29PC. Пр. гр. Fd3m(O7h). a0 = 3,559.
Облик кристаллов октаэдрический (рис. 85), иногда с треугольными скульптурами антискелетного роста на гранях, менее обычен додекаэдрический; редко кубический и изредка тетраэдрический. Характерные формы: {111}, {100} и {110}. Нередко устанавливаются кривогранные кристаллы (рис. 86), так называемые додекадроиды и октаэдроиды. Наблюдаются двойники срастания по (111), реже по (100). Размеры отдельных кристаллов варьируют от мельчайших до очень крупных, весящих несколько сот и даже тысяч каратов (метрический карат равен 0,2 г). Крупнейшие кристаллы весили (в каратах): «Куллинан» — 3025, «Эксцельзиор» — 969,5, «Виктория» — 457, «Орлов» — 199,6 и др.
Рис. 85. Кристаллы алмаза октаэдрического облика
Рис. 86. Кривогранные кристаллы алмаза (по А. Е. Ферсману)
Цвет. Бесцветный водяно-прозрачный или окрашенный в голубой, синий, желтый, розовый, бурый и черный цвета. Блеск сильный алмазный. Показатель преломления N = 2,40–2,48.
Твердость 10. Абсолютная твердость в 1000 раз превышает твердость кварца и в 150 раз — корунда. Хрупок. Спайность средняя по {111}. Уд. вес 3,47–3,56. Электропроводность слабая, полупроводникового типа, а у беспримесных разностей вовсе отсутствует.
Диагностические признаки. Алмаз является единственным минералом столь исключительной твердости. Характерны также сильный алмазный блеск и часто кривоплоскостные грани кристаллов. Мелкие зерна в шлихах легко узнаются по люминесценции, резко проявляющейся в ультрафиолетовых лучах. Цвета люминесценции обычно голубовато-синие, иногда зеленые.
Происхождение и месторождения. Коренные месторождения генетически связаны с ультраосновными глубинными изверженными породами повышенной щелочности: кимберлитами, лампроитами, отчасти с перидотитами и др.
В этих породах кристаллизация алмаза происходит, очевидно, в верхней мантии, на больших глубинах в условиях высоких температур и давления, в восстановительной обстановке, при высоких давлениях углеводородного по составу флюида. Кимберлиты, по всей вероятности, служат лишь «средством доставки» алмазов из области их стабильной генерации к поверхности Земли. Необходимо отметить, что подъем материала из области стабильности алмаза к поверхности должен быть быстрым настолько, чтобы алмаз не успел графитизироваться, а остался бы в метастабильном состоянии.
Опыт синтеза алмазов указывает, что их образование может происходить и вне области стабильности (метастабильное зарождение и рост), в том числе из флюидной (газовой) фазы. Это указывает на возможность роста кристаллов алмаза в кимберлитах в период извержения.
В ассоциациях с алмазом наблюдались: графит, оливин (Mg,Fe)2[SiO4], хромшпинелиды (Fe,Mg)(Cr,Al,Fe)2O4, ильменит (FeTiO3), пироп (красный магнезиальный гранат), магнетит (FeFe2O4), гематит (Fе2О3) и др.
Крупнейшие месторождения алмазов известны в ряде районов Южной Африки по р. Вааль, в Юго-Западном Трансваале и на юго-западном берегу Африки. Они представлены алмазоносными полуразложенными кимберлитами, заполняющими вместе с обломочными породами гигантские по размерам, вертикально уходящие вниз на несколько километров трубчатые полости (диатремы) с эллиптическим или неправильной формы сечением. Образование этих диатрем связывают с грандиозными взрывными процессами, происходившими на больших глубинах. В некоторых месторождениях добыча алмаза в настоящее время происходит с глубины свыше километра (Кимберли). Добытая руда («синяя земля») дробится и промывается на специальных обогатительных фабриках. Содержание алмаза в породе составляет 0,000052 % (по весу). Отсюда происходят самые крупные алмазы в мире («Куллинан», «Эксцельзиор» и др.). Кроме коренных месторождений в Юго-Западной Африке широко распространены также богатые россыпи в системах рек Вааль и Оранжевой. Большая добыча алмазов производится также в Конго. С открытием лампроитовых2 трубок в районах Аргайл и Эллендэйл в Северо-Западной Австралии эта страна вышла на одно из первых мест по добыче алмазов.
В 50–60-е гг. XX в. в северной части Якутии были открыты довольно многочисленные диатремы, выполненные подобными южноафриканским, но более свежими алмазоносными кимберлитами. Отдельные трубки получили специальные названия: «Мир», «Зарница» и др. Добыча алмазов в Якутии с тех пор существенно выросла и продолжается полным ходом. Обнаружены алмазоносные кимберлиты и в Архангельской области.
Россыпные месторождения алмаза, устойчивого в экзогенных условиях, образуются за счет разрушения и размыва алмазоносных пород. Они известны в Южной Африке, Бразилии (Диамантина, штат Минас- Жерайс), Индии (Голконда), где ведется добыча с древнейших времен и откуда происходят крупные алмазы «Орлов», «Коинур», и в других местах.
Практическое значение. Совершенно прозрачные алмазы после огранения применяются в ювелирном деле как драгоценные камни (бриллианты). Для технических целей употребляются мелкие алмазы, а также борт и карбонадо. Главным образом они используются в металлообрабатывающей, камнеобрабатывающей, абразивной и прочих отраслях промышленности.
ГРАФИТ — С. Название происходит от греч. графо — пишу. Разновидности: графитит скрытокристаллическая разность, шунгит — аморфная, богатая примесями разность, образовавшаяся, по-видимому, в результате природного коксования углей.
Химический состав графита редко отличается чистотой. В значительных количествах (до 10–20 %) в нем часто присутствует зола, состоящая из различных компонентов (SiO2, Al2O3, FeO, MgO, CaO, P2O5, CuO и др.), иногда вода, битумы и газы (до 2 %).
Сингония гексагональная; дигексагонально-дипирамидальный в. с. L66L27PC. Пр. гр. P63/ттс (D46h). а0 = 2,47; с0 = 6,79. Облик кристаллов. Хорошо образованные кристаллы встречаются крайне редко. Они имеют вид шестиугольных пластинок или табличек (рис. 87), иногда с треугольными штрихами на грани (0001). Характерные формы: {0001}, иногда {101–1}, {112–2} и др. Агрегаты часто тонкочешуйчатые. Реже распространены шестоватые или волокнистые массы.
Цвет графита железно-черный до стально-серого. Черта черная блестящая. Блеск сильный металловидный; скрытокристаллические агрегаты матовые. Оптически отрицателен. Показатель преломления Nm — 1,93–2,07. В тончайших листочках просвечивает серым цветом.
Рис. 87. Кристаллы графита
Твердость 1. В тонких листочках гибок. Жирен на ощупь. Мажет бумагу и пальцы. Спайность совершенная по {0001}. Уд. вес 2,09–2,23 (изменяется в зависимости от степени дисперсности и наличия тончайших пор), у шунгита 1,84–1,98. Прочие свойства. Обладает высокой электропроводностью.
Диагностические признаки. Легко узнается по цвету, низкой твердости и жирности на ощупь. От сходного с ним молибденита (MoS2) отличается более темным железно-черным цветом, более слабым блеском, меньшим удельным весом (всплывает в бромоформе) и высокой электропроводностью (молибденит плохо проводит электричество). Черта графита на бумаге при растирании не меняет цвета. Если коснуться цинковой палочкой графита через каплю CuSO4, на нем быстро выделяется пленка металлической меди.
П. п. тр. не плавится. При накаливании в струе кислорода сгорает труднее, нежели алмаз. Улетучивается, не плавясь, лишь в пламени вольтовой дуги. В кислотах не растворяется. Порошок в смеси с KNO3 при нагревании дает вспышку.
Происхождение и месторождения. В природе графит образуется при восстановительных процессах в условиях высоких температур.
Встречается иногда среди магматических горных пород разнообразного состава, преимущественно щелочных. Источником углерода во многих случаях являются вмещающие углеродсодержащие горные породы.
Известны случаи находок графита в пегматитах. Встречаются метасоматические месторождения на контактах известняков с изверженными породами, а также жильные месторождения крупнолистоватого графита.
Широко распространены метаморфические месторождения графита, возникшие за счет каменных углей или битуминозных отложений в условиях регионального метаморфизма или под влиянием интрузий магмы.
К числу крупных месторождений графита в Росии относится Алиберовское в Тункинских горах (Прибайкалье). Графит залегает среди изверженных пород (сиенитов) в виде штоков и представляет собой смесь прекрасного по качеству чешуйчатого или мелкокристаллического графита с магматическими минералами (микроклином, нефелином и др.). Местами по окраинам эти тела сопровождаются грубозернистым известняком. Сами магматические породы также содержат графит. Очень интересны графитовые образования типа секреций, распространенные среди плотных масс графита. Эти неправильной формы тельца имеют наружную корочку из тангенциально ориентированных чешуек и радиально-лучистое строение внутренней части. Образование графита связывают с восстановлением окиси углерода, выделявшейся при поглощении магмой известняков. С воздействием основных пород на известняки или каменные угли связано, по-видимому, образование графита вдоль базальтовых даек на месторождении Курейка (плато Путорана, Средняя Сибирь). На крупном месторождении Чебере (Алдан) метаморфогенный графит с кварцем образует высокие концентрации в мощных слоях гиперстен-биотитового плагиогнейса, что обеспечивает значительные запасы.
Вдоль северо-западного побережья Азовского моря (к северу от Мариуполя) и в других местах Украины разрабатываются вкрапленные крупночешуйчатые графитовые руды, залегающие в виде выветрелых на поверхности пластов в древних метаморфических породах — гнейсах. Одним из мировых центров добычи графита традиционно являлся остров Цейлон (Шри-Ланка), во многих местах которого между пластами гнейсов и известняков развиты прерывистые наклонные жилы сплошного графита. Значительные месторождения известны также в Канаде (пров. Квебек и Онтарио), Англии (Камберленд) и др.
Практическое значение. Графит применяется для самых различных видов производства: для изготовления графитовых тиглей, в литейном деле, производстве карандашей, электродов, для смазки трущихся частей, в красочной промышленности и др.