Кристаллография

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Донбасский государственный технический университет

Институт повышения квалификации

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по

Кристаллографии

Выполнил:

ст.гр. ПМЧ–А –07з

Золотухин В.Ю.

Алчевск 2009

Кольцевые, цепочечные и слоистые типы структур

1. Кольцевые структуры. Данные структуры характеризуются наличием атомов (Si, As, S) или атомных полиэдров (SiO4, PO4, AsO4 и т.д.), прочно связанных между собой в кольца. Эти кольца могут быть трех-, четырех-, шести- и восьмизначными. Кольца скрепляются друг с другом атомами с менее прочными связями или иногда просто остаточными связями. Так, например, в структуре серы обособленные молекулы сочленяются в прочные восьмерные кольца, связь внутри которых ковалентная, а между ними – остаточная.

Кольцевую структуру имеют текже берилл (Be3Al2[Si6O18]), турмалин – Na (Fe, Mg) 3Al3[B3Al3Si6O27(OH)3] и другие минералы.

2. Цепочечные структуры. Такие структуры характеризуются тем, что прочнейшие связи в них имеют резко выраженную линейную направленность (рис. 5.1.1). Отдельные структурные узлы скреплены одинаковым типом связи в бесконечные цепочки, которые могут быть простыми [Se] n, [SiO3] или двойными [Si4O6] n, [Si4O11] n, получающимися путем отражения простой цепочки в плоскости симметрии. В последнем случае образуются ленточные структуры. Отдельные цепочки скрепляются между собой либо остаточными связями, либо с помощью низковалентных атомов (рис.5.1.2).

Цепочную структуру имеют кристаллы самородного селена (Se) и теллура (Te), природные минералы – миллерит (NiS), рутил (TiO2), а ленточную – антимонит (Sb2S3), гетит (Fe2O3) и др.

Рис.5.1.1 – Цепочечные типы структур.

Рис.5.1.2 – Ленточные типы структур.

3. Слоистые структуры. Они получаются при бесконечном отражении цепочки или ленты в параллельных им плоскостях. Атомы или атомные полиэдры группируются в плоскости, и прочнейшие связи имеют, таким образом, двухмерное распределение. Слои могут состоять как из отдельных атомов (графит), так и из полиэдров в виде треугольников (H3[BO3]), пирамидок (AsS3), тетраэдров (силикаты и алюмосиликаты), октаэдров (MoO3) и призм (MoS2). Толщина слоя может быть одноатомной (S) или многоатомной. В последнем случае слой состоит из двух, трех и более слоев атомов: брусит – Mg(OH)2, каолинит – AL4[Si4O10](OH)8 и т.д.

Иногда в слоистых структурах встречаются гофрированные слои (PbO, AsS3 и др.). Они удерживаются ковалентными или ионными связями (включая и гидроксильно-водородные связи). Так как расстояние между слоями превышает расстояние между соседними узлами внутри слоя и поскольку связь между отдельными слоями слабее, чем между узлами внутри слоя, то кристаллы со слоистой структурой характеризуются совершенной спайностью по плоскости слоев.

Рентгеновские методы исследования минералов

Рентгеновская дефектоскопия основана на том, что разные вещества по-разному пропускают рентгеновские лучи. В зависимости от метода регистрации дефектов применяется фотографический, визуальный и ионизационный методы исследования.

1. Фотографический метод

В этом методе лучи от фокуса рентгеновской трубки, пройдя через просвечиваемое изделие, попадают на рентгеновскую пленку. В рентгеновской дефектоскопии самое большое распространение получил фотографический метод исследования, дающий документ, гарантирующий качество изделия, позволяющий определить глубину залегания дефекта.

Рис. 6.1.1 – Схема контроля просвечиванием (а) и схема просвечивания для определения места нахождения дефекта:

1 – фокус рентгеновской трубки; 2 – просвечивае6мое изделие; 3 - “тяжелое” включение; 3 – раковина; 4 - фотопленка

Рассмотрим факторы, влияющие на качество снимка. С увеличением фокуса трубки качество снимка снижается из-за появления полутеней по краям дефекта. Увеличение расстояния от фокуса трубки до просвечиваемого изделия способствует повышению качества снимка, однако при этом интенсивность рентгеновских лучей убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Для выявления в изделии более мелких дефектов необходимо просвечивать его как можно более мягкими лучами. Но на практике жертвуют мягкостью излучения. Применение более высокого напряжения, уменьшение длины волны ведет к появлению вторичного характеристического излучения, снижающего качество снимка. Для уменьшения действия рассеянного излучения просвечивают только ту часть изделия, где возможен дефект, а остальная часть диырагируется или защищается свинцом.

2. Визуальный метод

Дефекты внутреннего строения деталей можно наблюдать при просвечивании их на светящийся экран. Свечение экрана происходит под действием рентгеновских лучей. На экране наблюдается светотеневая картина. Участки экрана, на которые падает менее ослабленное рентгеновское излучение, светятся ярче, чем те, на которые падают более ослабленные лучи.

Рис.6.1.2 – Схема наблюдения дефектов на экране:

1 – рентгеновская трубка; 2 – защитный кожух; 3 – диафрагма; 4 – объект; 5 – светящийся экран; 6 – зеркало; 7 – защитный кожух

В сравнении с рентгенограммой при просвечивании на экране наблюдается обратная картина, т.е. при просвечивании на рентгеновской пленке на месте тяжелых включений наблюдаются светлые пятна, а на месте легких включений и пор – более темные участки. Для просвечивания применяют экраны, покрытые сернистым, кремнистым цинком, или кремнистым кадмием, испускающими зеленый свет, хорошо воспринимаемый глазом.

Визуальный метод контроля экспрессен, экономичен, исключает операции длительной обработки рентгенограммы. В технике применяется ограниченно из-за тяжелых условий работы оператора.

3. Ионизационный метод.

Наиболее прогрессивным методом контроля дефектов является ионизационный. В этом методе регистрация дефектов производится с помощью счетчиков, определяющих сумму всех дефектов. Этот метод экспрессен, позволяет автоматизировать процесс контроля, наиболее чувствителен.

Схема просвечивания деталей при этом предусматривает размещение объектов между источником лучей и детектором. При этом необходимо детали или источник излучения и детектор прермещать с постоянной скоростью. Этот метод целесообразно использовать для выявления трещин и непроваров сварных швов и при контроле непостоянства толщины изделий при прокате листа, труб. Результаты контроля фиксируются на диаграммной ленте. К недостаткам ионизационного метода следует отнести то, что просвечиваемое поле ограничено несколькими квадратными сантиметрами и то, что регистрируется сумма дефектов просвечиваемого поля.

Гидротермальные процессы минералообразования

В составе магматических газов большая роль принадлежит парам воды, находящимся здесь в надкритическом состоянии. Проникая по трещинам в более холодные участки земной коры в смеси с другими газообразными компонентами (C, S, Cl, F, N, B, P, As, Sb), пары конденсируются, образуя горячие водные растворы – гидротермы. Из отложений этих вод и продуктов взаимодействия их с боковыми породами образуются гидротермальные жилы, которые иногда содержат много ценных руд: цинка, свинца, меди, сурьмы, ртути, самородного золота, молибдена, олова, вольфрама и др.

В строении рудных жил обычно различают собственно жильную породу, состоящую из кварца – SiO2 (кварцевые жилы), кальцита – CaCO3 (кальцитовые жилы), флюорита – CaF2 (Флюоритовые жилы), и рудные минералы, содержащие различные ценные металлы.

По глубине образования гидротермальные жилы разделяются на перечисленные ниже.

Глубинные высокотемпературные (гипотермальные) жилы. Они образуются на глубине 3-4 км при температурах 300-400'С и давлении в несколько сотен атмосфер. В них возникают такие минералы, как например, кварц, пирит (FeS2), касситерит (SnO2) и многие другие.

Гипотермальные жилы обычно связаны с кислыми и средними породами и находятся внутри или вблизи глубоко эродированных массивов интрузивных магматических пород.

Жилы средней глубины, среднетемпературные (мезотермальные). Они приурочены к глубинам от 1,5 до 3 км. Процессы минералообразования в них происходят при температурах 150-300'С и давлении 100-400 атм.

Главными минералами этих жил являются: халькопирит (CuFe S2), сфалерит (ZnS), галенит (PbS), золото (Au), кварц (SiO2) и кальцит (CaCO3), реже флюорит (CaF2) и барит (BaSO4).

Рис.7.1.1 – Кварцевая хрусталеносная жила-линза

1 – песчаник; 2 – плотный белый кварц; 3 – друзы кристаллов горного хрусталя

Поверхностные низкотемпературные (эпитермальные жилы). В них процессы минералообразования протекают на небольших глубинах, вблизи земной поверхности, при температурах от 50 до 150'С и умеренном давлении. В районах проявления недавнего вулканизма такие растворы иногда выходят на дневную поверхность в виде горячих минеральных источников.

Образование горячих водяных источников (терм) является заключительной стадией деятельности вулканов. По химическому составу горячие источники бывают: серно-кисло-солено-щелочные, соленые (натриево-хлористые), угдекисло-солено-щелочные, углекисло-магнезиально-натриевые, кислые купоросные (алюминиево-железисто-сернокислые) и др.

Катакластический метаморфизм. Автометаморфизм. Ударный метаморфизм

Метаморфизм – это процесс преобразования горных пород под воздействием эндогенных факторов при сохранении твердого состояния.

Катакластический метаморфизм (динамометаморфизм или дислока-ционный метаморфизм) – выражается в раздроблении породы без изменения ее состава, в результате чего образуются раздробленные и вновь сцементированные породы, носящие название милонитов и тектонитов. Вызывается он в основном сильным односторонним давлением при сравнительно небольшом гидростатическом давлении и низкой температуре. В более глубоких частях земной коры этому давлению содействует и повышение температуры.

Динамометаморфизм связан с крупными разломами, в основном, надвигами, покровами и сдвигами, при образовании которых всегда возникает стресс – напряжение сжатия, ориентированное в одном направлении. На глубинах, где литостатическое давление велико, под влиянием стресса, породы приобретают пластическое течение, напоминающее раздавливание пластилина в ладонях рук. При этом раздавливаемый материал стремится выдавиться в сторону уменьшения градиента давления, а новообразованные минералы, такие как слюды, располагаются чешуйками параллельно поверхности смещения, создавая сланцеватость метаморфической породы.

Автометаморфизм представляет собой изменение магматической породы после ее отвердения под действием собственных, выделившихся из этой же магмы, горячих остаточных растворов и пневматолитов (летучих).

В результате процессов автометаморфизма происходит серпентизация ультраосновных пород с образованием серпентитов, хлоритизация диабазов и грейзенизация гранитов. В последнем случае образуются новые породы, называемые грейзентами.

Процессы автометаморфизма происходят в твердой среде, сопровождаясь вынесением одних веществ и заменой их другими вносимыми, т.е. носят характер метасоматоза.

Ударный метаморфизм. На поверхность Земли всегда падали, падают и будут падать метеориты. При падении на Землю метеорита образуется кратер или астроблема, которая всегда больше, чем упавший метеорит. Соударение метеорита и поверхности Земли зависит от массы тела и его скорости при движении в атмосфере, т.к. последняя играет роль тормоза. Большинство кратеров соответствует скорости сближения с поверхностью Земли в 3-4 км/с. При такой скорости удара образуется ударная волна, со скоростью 3-5 км/с, сжимающая горные породы с силой до 100 ГПа, причем возрастание давления происходит в миллиардные доли секунды (10-9 с). Естественно, что это колоссальное мгновенное сжатие вызывает такой же быстрый нагрев пород до +10000°С и выше, причем нагрев происходит в момент разряжения сжатия, когда ударная волна исчезает. Все это сопровождается дроблением, плавлением и испарением вещества мишени (рис.8.1.1).

Рис. 8.1.1 – Стадии образования взрывного (метеоритного) кратера:

а-в – 1 стадия – ударное сжатие, растекание метеорита в грунте; г – II стадия – экскавация и выброс грунта отраженной волной; д – III стадия – деформация или заполнение (1 – воронка, 2 - истинное дно, 3 – видимое дно, 4 – вал брекчии, 5 – лежачая синклиналь цокольного вала)

Горные породы, образующиеся при таком мгновенном ударном событии называются импактитами и подразделяются на 3 группы: 1) импактированные породы, т.е. подвергнутые воздействию ударной волны; 2) расплавленные породы; 3) импактные брекчии. Ударный метаморфизм проявляется в образовании различных пород и новых минералов, в изменении структуры минералов. Все зависит от давления и температуры. При давлениях Р= 10-35 ГПа и Т=+100-300°С, в породах и минералах образуются трещины и диаплектовые структуры в кварце и полевых шпатах, выражающиеся в скольжении блоков кристаллической решетки относительно друг друга (планарные элементы) и в конечном итоге превращении минерала в изотропное вещество. При Р=45-60 ГПа и Т=+900° - 1500°С минералы становятся аморфными и начинается их плавление. При Р=90 ГПа и Т = +3000°С наступает плавление горных пород, а затем их испарение. Некоторые минералы, например, кварц (2,2 – 2,5 г/см3) переходит в более плотную (2,85-3,0 г/см3) модификацию, но состав при этом не меняется. Углерод может переходить в алмаз или лонсдейлит.

Понятие пространственной и кристаллографической решетки

Геометрически правильная форма кристаллов является следствием их внутреннего строения. Исследования кристаллов при помощи рентгеновских лучей показывают, что элементарные частицы в них располагаются в виде пространственной решетки.

Рис.4.1.1 – Пространственная решетка кристалла

Пространственная решетка представляет, таким образом, систему точек, расположенных в вершинах равных параллельно ориентированных и смежных по целым гранямпараллелепипедов, без промежутков заполняющих пространство. Узлы пространственной решетки в одной плоскости располагаются в виде геометрически правильной плоской сетки, которая представляет собой совокупность узлов, расположенных в одной плоскости и находящихся в вершинах системы равных параллелограммов, параллельно ориентированных и смежных по целым сторонам (рис.4.1.2)

Рис.4.1.2 – Плоская сетка пространственной решетки

Такими плоскими сетками представляются грани реальных кристаллов, наиболее густо “усеянных” элементарными частицами, или имеющие наибольшую ретикулярную плотность, определяемую числом узлов, приходящихся на единицу площади данной плоской сетки.

Элементарные параллелепипеды, совокупность которых образует пространственную решетку кристалла, называются ее элементарными ячейками (рис.4.1.3)

Рис.4.1.3 – Элементарная ячейка