О природе минералов 1 Введение

Рис. 6.6
Альтернативные модели, объясняющие
ориентировку магнитных моментов электронов при
намагничивании ферромагнитного кристалла.
ных моментов противоположно, но величина их
различна, что приводит к возникновению посто-
янного результирующего момента. Такое явление
называется
 ферримагнетизмом.
Ферримагнетизм наблюдается у известного ми-
нерала шпинелевой группы магнетита Fe
2+
Fe
3+2
O
4
(см. рис. 9.5). В структуре шпинели ионы M
2+
и M
3+
могут распределяться различными спосо-
бами. К одному крайнему случаю относится нор-
мальная шпинель, у которой узлы А заняты двух-
валентными ионами M
2+
, а узлы В — трехвалент-
ными ионами M
3+
(например, MgAlO
4
). Другой
крайний случай представляет обращенная шпи-
нель—у нее узлы А содержат половину трехва-
лентных ионов, а узлы В заняты оставшимися
трехвалентными и двухвалентными ионами (на-
пример, Fe
3+
[Mg, Fe
3+
]
2
O
4
). Синтезируются и ис-
кусственные шпинели (так называемые ферриты),
у которых ион M
3+
представлен Fe
3+
, а на месте
M
2+
могут быть Mn, Со, Cu, Mg, Zn или Cd.
Магнитные свойства магнетита и других шпи-
нелей с двухвалентным железом объясняются сле-
дующим образом. Узлы А и В в пределах основной
кристаллической решетки образуют две взаимо-
проникающие подрешетки. Если узлы занимают
смешанные ионы, то между соседними ионами ме-
таллов возникают взаимодействия типа A-A, B-B

---

Рис. 6.7 Зависимость намагничивания обращенной
шпинели от типа двухвалентного иона металла [5].
и A-B. Адекватное, хотя и упрощенное объясне-
ние магнитных свойств в данном случае мы полу-
чим, допустив, что взаимодействие приводит к ан-
типараллельному (антиферромагнитному) распо-
ложению спинов у ионов, находящихся в узлах А
и В. У обращенной шпинели, содержащей трехва-
лентное железо, спины Fe
3+
в узлах А компенси-
руют аналогичные спины узлов В и результирую-
щая намагниченность связана с моментами ионов
M
2+
, расположенных в узлах В. Измерения на-
магниченности магнетита подтверждают ту точ-
ку зрения, что его магнитный момент создается
только ионами Fe
2+
; следовательно, его структура
представляет собой структуру обращенной шпи-
нели, формулу которой можно записать в виде
Fe
3+
[Fe
2+
Fe
3+
]O
4
. Ha рис. 6.7 показано в общих
чертах, как намагничивание обращенной шпине-
ли, содержащей Fe
3+
, зависит от свойств иона
M
2+
.
Естественные магниты
Способность магнетита притягивать и намагничи-
вать железо была известна с древнейших времен.
Существует легенда, что это свойство обнаружил
пастух Магнес, когда железный наконечник его
посоха вдруг притянуло к скале.
Магнетит, называемый магнитным железня-
ком, сыграл большую практическую роль в разви-
тии навигации. С давних пор было известно, что
магнитный железняк обладает полярностью и что
если для его удлиненного обломка создать воз-
можность свободно вращаться, он сориентирует-
ся по направлению север-юг. Использование это-
го свойства как индикатора направления (по су-
ществу в качестве компаса) отмечается приблизи-
тельно с 1200 г. Магнитный железняк применялся
для намагничивания стрелок компаса, вращение
которых было более свободным. Сам же минерал
до конца XVIII в. постоянно сопровождал путеше-
ственников, чтобы заново намагничивать стрелки
или делать в случае необходимости новые компа-
сы. Магнитный железняк в изобилии встречался
в Калабрии (Испания) и на Монте-Каламита на
Эльбе.
6.4.5 Радиоактивность
Наиболее известными встречающимися в природе
радиоактивными элементами являются уран и то-
рий. Их атомы самопроизвольно распадаются с ис-
пусканием из ядра сначала
α-
частиц (идентичны
ядрам атома гелия), а затем
 b
-частиц (электроны
ядер). На последующих стадиях в результате этих
процессов U и Th проходят через ряд неустойчи-
вых дочерних продуктов распада, образуя в конце
концов стабильный изотоп свинца. Одновременно
распад приводит к выделению энергии в виде g-
лучей, которые представляют собой электромаг-
нитное излучение, подобное рентгеновскому, но с
более короткими длинами волн.
Излучение, испускаемое минералами, содержа-
щими U и Th, можно фиксировать портативны-
ми счетчиками Гейгера—Мюллера или сцинтил-
ляционными счетчиками (см. разд. 6.4.1), кото-
рые являются ценными инструментами для поис-
ков таких минералов.
Вследствие радиоактивного распада может
произойти разрушение кристаллической струк-
туры некоторых минералов, содержащих радио-
активные элементы (такие минералы с распав-
шейся структурой называются метамиктными).
Разрушение структуры сопровождается объемны-
ми изменениями, вызывающими растрескивание
окружающих кристаллов (например, у алланита;
см. рис. 5.3). Оно также влияет на оптические
свойства минерала, а интенсивность дифракции
в рентгеновских лучах может ослабеть до такой
степени, что вещество окажется рентгеноаморф-
ным. Дифракционные свойства кристаллов в ря-
де случаев восстанавливаются после нагревания,

---

если при этом нарушенная решетка вновь придет
в упорядоченное состояние.
Включенные в биотит небольшие кристаллы
торийсодержащего циркона в результате собствен-
ного
α-
излучения нередко образуют вокруг себя
интенсивные плеохроичные ореолы. Их размер за-
висит от природы присутствующего радиоактив-
ного изотопа. Энергия и, следовательно, проника-
ющая способность
α-
частиц, испускаемых каким-
либо конкретным типом ядер, являются постоян-
ными величинами В то же время интенсивность
энергии определяется продолжительностью вре-
мени, прошедшего с момента кристаллизации ми-
нерала, фиксирующего начало излучения
Радиоактивный распад происходит с постоян-
ной скоростью независимо от температуры, давле-
ния и химической комбинации атомов. Поскольку
скорость распада известна, то, определяя отноше-
ние радиогенного свинца к урану (или к сумме
урана и тория) в минералах, содержащих эти эле-
менты, можно определить время, прошедшее с мо-
мента кристаллизации минерала. Этот метод, так
же как и другие, аналогичные ему и основанные
на процессах распада калия до аргона и рубидия
до стронция, лежит в основе исчисления абсолют-
ного геологического времени
И наконец, важным следствием радиоактивно-
сти является ее вклад во внутреннее тепло Земли
А. Холмс
1
утверждает, что общие потери тепла
Землей могут быть компенсированы 36 граммами
урана, содержащимися в каждых 10
9
тоннах по-
род. Породы земной коры в среднем содержат в
50 раз больше урана, хотя очевидно, что во вну-
тренних зонах Земли его должно находиться зна-
чительно меньше К этому следует добавить те-
пло, выделяемое радиоизотопами калия, который
более широко распространен и также сконцентри-
рован в породах земной коры В заключение от-
метим, что имеются обильные, но неравномер-
но распределенные источники тепла, обеспечива-
ющие протекание геологических процессов, напри-
мер вулканическую деятельность Другой вопрос,
каким образом эти источники концентрируются в
тех или иных местах Земли.
Литература для дальнейшего изучения
1
 Burns, R.G
Mmeralogical Applications of Crystal
Field Theory, 2nd edn Cambridge, Cambridge
University Press, 1993
2
 Maurfunm, A.S (ed)
Composition, Structure and
Properties of Mineral Matter, vol 1 of Advanced
Mineralogy Berlin, Springer-Verlag, 1994
3
 Nye, J F
Physical Properties of Crystals Oxford,
Oxford University Press, 1957
4
 Putms, A.
Introduction to Mineral Sciences
Cambridge, Cambridge University Press, 1993
5
 Williams, D.E.G
The Magnetic Properties of Matter
London, Longman, 1966
Дополнение редактора
1 Методы минералогических исследований M , Не-
дра, 1985, 480 с
2
 Платонов A.H., Таран M.H. u Балицкий В.С.
При-
рода окраски самоцветов M , Недра, 1984, 196 с.

---