наука о минералах (см.) вообще, обнимает собой все знания об их свойствах: изучает их внешний вид, различные физические особенности и химический состав, их происхождение и превращения и, наконец, на основании всего этого соединяет их в различные более или менее естественные группы. М. разделяется на несколько отделов: кристаллографию , изучающую минералы с математической точки зрения, как многогранники; физическую М. или, правильнее, - физику минералов, имеющую своим предметом различные физические свойства их, как-то: сцепление, плотность, состояние в них эфира (явления световые, тепловые, электрические) и др.; химическую М., изучающую химические явления в минералах: их состав, изменения, образование и проч. Эти три отдела иногда соединяют в один под именем физиологии минералов. Классификация минералов и описание свойств каждого минерального вида составляет второй главный отдел М. - физиографию минералов. Уже в глубокой древности было известно некоторое количество минералов, особенно таких, которые замечательны цветом, блеском, твердостью или какими-нибудь другими особенностями. Кроме золота, известного человеку с незапамятных времен, древние знали о драгоценных камнях, янтаре, асбесте и др. О янтаре, например, известно, что он за 1800 лет до Р. Х. уже составлял предмет торговли финикийских и сидонских купцов. О нем упоминает Гомер в своей "Одиссее". Аристотель и его ученик Теофраст перечисляют те минералы, о которых сведения им были известны. Однако первое наиболее подробное и полное описание минералов дает Плиний Старший († в 79 г. после Р. Х.). После значительного перерыва в развитии М., вследствие падения греческой и римской культур, длившегося почти целое тысячелетие, только в сочинении арабского врача Авиценны (см.) мы видим, что минералогические познания понемногу развивались: Авиценна различает уже среди минералов камни, горючие минералы, соли и металлы. Первая попытка представить более точное, научное описание минералов и установить для них систему принадлежит саксонскому натуралисту и врачу Георгу Агриколе (1490-1555), который характеризует минералы по их форме, цвету, блеску, твердости и спайности. В 1670 г. Эразмом Бартолином было открыто явление двойного лучепреломления в известковом шпате. Почти в то же самое время Николай Стенон высказал весьма определенное мнение о постоянстве гранных углов в кристаллах некоторых минералов, т. е. сформулировал основной закон кристаллографии. Бойль сделал различные открытия в области химической М. В этом же направлении много сделано шведским ученым Квенштедтом (1722-1765), обратившим свое внимание на химические отношения минералов и классифицировавшим их по химическому составу. Особенного расцвета учение о форме окристаллованных минералов достигло в конце XVIII столетия благодаря Роме-де-Лилю и Гаюи. Первый описал и изобразил до 500 правильных форм. Пользуясь своим новым прибором, получившим название прикладного гониометра, Роме-де-Лиль неоспоримо, с числами в руках, доказал общность закона постоянства гранных углов для кристаллов всякого вещества, как бы изменчивы ни были относительные размеры граней, пересечением которых углы образованы. Роме-де-Лилю принадлежит первый трактат по кристаллографии: "Cryslallographie ou description des formes propres à tous les corps du règne mineral" (1783). Гаюи пошел еще дальше. Он впервые доказал тесную связь между химическим составом и кристаллической формой. Изучая явления спайности в кристаллах, он пришел к созданию теории структуры кристаллов и доказал возможность выведения различных кристаллических форм из одной элементарной наложением ее слоев один на другой. Математический вывод размеров и пропорций этих производных форм, изобретение знаков для их выражения, исследование всего минерального царства с точки зрения этих взглядов могут считаться главнейшими заслугами Гаюи, положившего начало новой школе кристаллографов. Все свои взгляды он изложил в классическом сочинении "Traité de minéralogie" (1801). Правильность взглядов с химической стороны подтверждалась анализами Клапрота, Вокелена и др. Одновременно с Гаюи в Германии в фрейбергской горной школе Вернер разрабатывал М. в ином направлении, обращая внимание главным образом на различного рода физико-химические свойства минералов. Предложенная им классификация минералов имеет химический характер. Вейск (1780-1856), введя понятие о кристаллических осях, улучшил метод Гаюи; он открыл закон зон и показал его значение при кристаллографических вычислениях. В этом же чисто геометрическом направлении работал Моос (1773-1839). Другой крайности держался шведский химик, известный Берцелиус, рассматривавший М. как часть химии, однако он оказал М. огромные услуги, показав всю важность для нее химии. С этого времени в М. начинают обособляться две отрасли. Химическое направление скоро обогатило М. новыми открытиями. Митчерлих показал, что многие тела, имеющие различный, но подобный состав, кристаллизуются в подобных формах и способны давать кристаллы смешанного состава, что привело его к понятию об изоморфизме, понятию, которое разъяснило весьма многие темные стороны химизма минералов. В это время участие химиков сказывается особенно сильно. Аналитические работы Г. Розе, Р. Бунзена, а также Штромейера, Платнера, Дамура, Коббеля, Раммельсберга, Чермака и др. показали, что многие минералы имеют простой химический состав, который выражается весьма точно определенными химическими формулами; другие же, и между ними самые распространенные, представляют различного рода (изоморфные) смеси. Довольно грубое представление о строении кристаллов, принятое после Гаюи, подверглось значительному изменению и усовершенствованию Бравэ и Франкенгеймом, положившими начало новому направлению, которое в настоящее время почти закончено работами Зонке, Маляра, Гадолина, Шенфлиса и Федорова. Геометрическое направление, а именно выяснение математической связи между элементами огранения кристаллов, упрощение вычислений и обозначений было достигнуто в работах Науманна, Миллера, Ланга, Либига и др. Изучение световых явлений в окристаллованных минералах Брюстером, Био, Сенармоном, Гайдингером, Грайлихом и особенно Деклуазо привело к заключению о тесной связи между внешней формой (симметрией) и оптическими явлениями. Методы оптических исследований и устройство усовершенствованных приборов особенно разработаны Гротом. Условия совместного нахождения, зарождения и залегания рудных минералов были значительно разъяснены Брейтгауптом, Б. Котта, Ф. Зандбергером и многими другими. В новейшее время систематика потеряла интерес, так как ни чисто физическое, ни химическое направление, вследствие своей односторонности, не могут дать удовлетворительных результатов. Однако, нужно указать в этом отношении на труды Брейтгаупта, Г. Розе, Науманна, Д. Дана, Дёльтера и Грота. Значительное число минералогов видит свою задачу не в создании и классификации, а главным образом в накоплении всесторонних сведений о минералах, так как только тогда можно будет приступить к установлению естественной классификации минералов. Здесь нужно указать многие выдающиеся имена: Бедана, Филлипса, Гаусманна, Кеннгота, Кокшарова, Скакки, Цефаровича, Штренга, Клейна, Г. фон Рата и многих других. Позднее других выделилась и развилась новая отрасль М., задачей которой служит выяснение истории минералов, т. е. разъяснение их происхождения, тех изменений и преобразований, которые они испытывают под влиянием различных агентов - воды и растворенных в ней веществ, атмосферы, температуры и давления. Бишоф (1792-1870) первый выдвинул этот отдел минералогии. Многочисленными наблюдениями, а также опытами он разъяснил весьма многое в истории минеральной жизни и показал, какие услуги может химия оказать М. В этом направлении особенно известны работы Гайдингера, Блюма и Ю. Рота. Сенармон, Добрэ, Сен-Клер де Вилль, Лемберг, Готфейль, Фреми, Дёльтер, Муасан и др. разработали методы искусственного получения минералов.

Из минералогической литературы укажем только немногие работы, относящиеся к настоящему столетию. Hauy, "Traité de Minéralogie" (Париж, 1822); Breithaupt, "Vollständiges Handbuch der Mineralogie" (Дрезден, 1836-47); Descloizeaux, "Manuel de Minéralogie" (Париж, 1862 и 1874); Naumann, "Elemente der Mineralogie" (Лейпциг, 1885), I. Dana, "System of Mineralogie" (Лондон, 1894); E. Dana, "Textbook of Mineralogie" (Нью-Йорк, 1883); С. Hintze, "Handbuch der Mineralogie" (Лейпциг, 1889-94); Rammelsberg, "Handbuch der Mineralchemie" (Лейпциг, 1875, продолжен., 1886); Кобелль, "Таблицы для определения минералов", перевод Леша (1894); Fuchs, "Anleitung zum Bestimmen d. Mineralien" (3 изд. Штренга, Гиссен, 1890); G. Bischof, "Lehrbuch d. chem. und physikalischen Geologie" (1863-66); Blum, "Die Pseudomorphosen des Mineralreiches" (1843, 1847, 1852, 1863, 1879); L Koth, "Allgemeine und chemische Geologie" (т. I и II, 1879 и 1883); Daubrée, "Synthetische Studien zur Experimentalgeologie" (Брауншвейг, 1880); Fouqué et M. Levy, "Syntèse des minéraux et des roches" (1882); Bourgeois, "Reproduction artificielle des mineraux" ("Encyclopédie chimique" Фреми, 1884); С. Doelter, "Allgemeine chemische Mineralogie" (1890); Breithaupt, "Die Paragenesis der Mineralien" (1849); Cotta, "Die Lehre von den Erzlagerstätten" (1859-61); Groddeck, "Die Lehre von den Lager-Stätten der Erze" (1879); Groth, "Tabellarische Uebersicht der einfachen Mineralien, nach ihren krystallographisch-chemischen Beziehungen geordnet" (2 изд., 1882); H. Кокшаров, "Материалы для М. России" (10 т.); Kenngott, "Uebersicht der Resultate mineralogischer Forschungen" (1844-65); Уэвелль, "История индуктивных наук", перевод с английского Антоновича (1869); Kobell, "Geschichte der Mineralogie von 1650-1865" (1865). Повременные издания: "Zeitschrift für Krystallographie und Mineralogie", издается Гротом с 1877 г.; "Mineralogische Mittheillungen", gesam. von G. Tschermak (1871-77). Новая серия издания носит название: "Mineral. und petrographische Mittheilungen" (с 1878); "Bulletin de la Société minéralogique de France" (с 1878); "Записки Императорского Минералогического Общества"; "The mineralogical Magazine and Journal of the Mineralogical Society" (с 1876); "Neues Jahrbuch für Mineralogie, Geologie und Petrographie" (с 1833).

• - [позднелатинское minera - руда) - наука о минералах...

  Геологическая энциклопедия

• - наука о минералах, изучающая их состав, кристаллич. структуру, физ. и хим. св-ва и связь свгв с составом...

  Большой энциклопедический политехнический словарь

• - наука о природных химических соединениях - минералах, особенностях и закономерностях физического строения, а также об условиях образования и изменения в природе...

  Энциклопедический словарь по металлургии

• - наука о минералах вообще, обнимает собой все знания об их свойствах: изучает их внешний вид, различные физические особенности и химический состав, их происхождение и превращения и, наконец, на основании всего этого...

  Энциклопедический словарь Брокгауза и Евфрона

• - а также об условиях образования и изменения в природе...

  Большая Советская энциклопедия

• - наука о минералах...

  Современная энциклопедия

• - наука о минералах, их составе, свойствах, особенностях и закономерностях физического строения, условиях образования, нахождения и изменения в природе...

  Большой энциклопедический словарь

• - Р., Д., Пр....

  Орфографический словарь русского языка

• - МИНЕРАЛО́ГИЯ, -и, жен. Наука о минералах...

  Толковый словарь Ожегова

• - МИНЕРАЛО́ГИЯ, минералогии, мн. нет, жен. . Наука о минералах...

Минерало́гия - наука о минералах - природных химических соединениях. Минералогия изучает состав, свойства, структуры и условия образования минералов. Минералогия - одна из древнейших геологических наук. Первые описания минералов появились у древнегреческих философов. В дальнейшем развитию минералогии способствовало горное дело. В настоящее время интенсивно развиваются генетическая и экспериментальная минералогия. В минералогии активно используются достижения физики, химии и других естественных наук. Так, минералогическое изучение метеоритов и образцов с других планет позволило узнать много нового об истории Солнечной системы и процессах формирования планет. Изучением минерального состава и минералов комет, метеоров, и других небесных тел, а также астрономической спектроскопией астероидов, комет и пыли околозвёздной среды в целом, занимается молодая наука на стыке минералогии, физики и астрономии - астроминералогия (astromineralogy). Минералогия принадлежит к числу геологических наук. Название этой науки в буквальном смысле означает учение о минералах, которое объемлет все вопросы о минералах, включая и их происхождение. Термин «минерал» происходит от старинного слова «минера» (лат. minera - руда, ископаемое). Это указывает, что его появление связано с развитием горного промысла. Интуитивно минералы можно определить как составные части горных пород и руд, отличающиеся друг от друга по химическому составу и физическим свойствам (цвету, блеску, твердости и т. д.). Например, биотитовый гранит как горная порода состоит из трех главных минералов различного состава: светлоокрашенного полевого шпата, серого кварца и черной слюды (биотита). Сплошная руда магнитного железняка сложена почти мономинеральным агрегатом, состоящим из кристаллических зерен магнетита. На протяжении всей истории минералогии вопрос об определении содержания понятия «минерал» часто дискутировался, так что круг объектов этой науки неоднократно менялся и его границы нельзя считать окончательно установленными. В настоящее время большинство объектов минералогии отвечает следующему определению: минерал - однородное природное твердое тело, находящееся или бывшее в кристаллическом состоянии. Таким образом, определенное понятие минерала отвечает минеральному индивиду - естественно ограниченному телу - и охватывает все разнообразие реальных единичных объектов минералогии, встречающихся в природе. В число минералов обычно не включаются высокомолекулярные органические образования типа битумов, не отвечающие в большинстве случаев требованиям кристалличности и однородности. Некоторые из солеподобных органических соединений тем не менее рассматриваются в числе минералов, равно как и единичные аморфные образования, традиционно изучавшиеся минералогами, например, опал и аллофан. Газы, жидкости и вулканические стекла минералами не считаются. С генетической точки зрения минералы представляют собой природные химические соединения и простые вещества, являющиеся естественными продуктами различных физикохимических процессов, соверша ющихся в земной коре и прилегающих к ней оболочках (включая и продукты жизнедеятельности организмов). (Разнообразнейшие синтетические продукты, т. е. искусственно получаемые в лабораториях и в заводских условиях химические соединения не могут называться минералами. Искусственными, или синтетическими, минералами условно называют лишь те искусственные соединения, которые по своему составу и кристаллическому строению отвечают природным.) К минералам относят и космогенные объекты, отвечающие вышеприведенным требованиям однородности и кристалличности. Как показывают наблюдения над условиями нахождения минералов в природе, а также экспериментальные исследования, каждый минерал возникает в определенном интервале физикохимических условий (давления, температуры и концентрации химических компонентов в системе). При этом отдельные минералы сохраняются неизменными до тех пор, пока не будут превзойдены пределы их устойчивого состояния при воздействии внешней среды (например, при процессах окисления или восстановления, при падении или повышении температуры или давления и др.). Поэтому в историческом ходе развития геохимических процессов многие минералы подвергаются изменению, разрушению или замещению другими минералами, устойчивыми во вновь создающихся условиях. Рассматривая минералы как части природных физикохимических систем, можно определить их, в полном соответствии с понятиями химической термодинамики, как природные твердые фазы (в понимании Дж. Гиббса). Необходимо только отметить, что некоторые минералы могут существовать в природе и за пределами своих полей устойчивости, сохраняясь в метастабильном состоянии долгое время (например, алмаз). Весьма значительное количество известных в настоящее время минералов имеет важное практическое значение как минеральное сырье (при условии, конечно, если скопления их в определенных участках, называемых месторождениями полезных ископаемых, обладают промышленным содержанием и запасами, достаточными для обеспечения предприятия по разработке месторождения). Одни минералы (рудные) содержат в своем составе те или иные ценные для промышленности металлы (железо, марганец, медь, свинец, цинк, олово, вольфрам, молибден и др.), извлекаемые при металлургической обработке руд. Другие минералы (такие как алмаз, хризотиласбест, кварц, полевые шпаты, слюды, гипс, сода, мирабилит и др.), благодаря их ценным физическим или химическим свойствам, применяются для тех или иных целей в сыром виде (без переработки) или используются для получения необходимых в промышленности синтетических соединений, строительных материалов и пр. Таким образом, минералогия как наука о природных химических соединениях (минералах) изучает во взаимной связи их состав, кристаллическое строение, свойства, условия образования и практическое значение. В соответствии с этим и задачи данной науки должны быть тесно связаны, с одной стороны, с достижениями смежных с нею наук (физики, химии, кристаллохимии и др.), а с другой - с запросами практики поисковоразведочного дела. Главнейшими задачами минералогии в настоящее время являются: 1) всестороннее изучение и более глубокое познание физических и химических свойств минералов во взаимной связи с их химическим составом и кристаллическим строением с целью практического использования их в различных отраслях промышленности и выявления новых видов минерального сырья; 2) изучение закономерностей сочетания минералов и последовательности образования минеральных комплексов в рудах и горных породах с целью выяснения условий возникновения минералов и истории процессов минералообразования (генезиса), а также использованияэтих закономерностей при поисках и разведках различных месторождений полезных ископаемых. Минералогические исследования при решении этих задач опираются на законы точных наук: физики, химии, кристаллографии, кристаллохимии, коллоидной химии и физической химии. Данные минералогии, в свою очередь, используются в таких науках, как геохимия, петрография, учение о месторождениях полезных ископаемых, а также в поисковоразведочном деле и в ряде технических наук (металлургия, обогащение руд и др.). Представления о природе минералов, а соответственно, и содержание минералогии складывались исторически и менялись по мере развития знаний в области геологии и естествознания в целом. Рассмотрим главнейшие события в истории естествознания, повлиявшие на развитие минералогии как науки.

Лекция 1

Минералогия как наука. Объекты минералогии. Связь минералогии с другими науками. Значение минералогии для человека. История развития минералогии. История развития минералогии в России. История развития минералогии в России..

Минералогия как наука, связь минералогии с другими предметами

Минералогия изучает встречающиеся в природе кристаллические вещества – минералы. Каждый в какой-то степени знаком с минералами, т.к. они встречаются в горных породах, в песке морских пляжей, речной гальке и в почве. Знание минералов и того, как они образуются, является основой современной технологической культуры, т. к. все неорганические предметы торговли если не минералы, то минерального происхождения.

Минералогия – наука о минералах – их кристаллографии, химическом составе, физических свойствах, образовании (генезисе), о способах их определения, а также о классификации.

Минералогия тесно связана с кристаллографией, химией и физикой. По сути, минералы являются частными объектами этих трех наук (представления о внутреннем строении минералов, законах роста и огранения кристаллов, химических реакциях, возможных при минералообразовании, методы исследования свойств и состава минералов).

Минералогия представляет одну из важнейших отраслей наук о Земле, а также представляет значительный интерес для астрономов, специалистов керамической промышленности, медицины и металлургии. Из курса общей геологии известно, что горные породы и руды состоят из минералов. Например, минералы кварц, полевой шпат, биотит являются составными частями гранитов, гематит, магнетит – составными частями некоторых руд.

Развитие техники также способствует изучению минералов и позволяет глубже понять их состав и структуру. Сейчас нам стало намного яснее, как изменяются минералы в соответствии с изменением физических и химических свойств окружающей среды. Сегодня исследования состава, структуры и свойств кристаллов в физике и химии твердого тела и в материаловедении тесно связаны с аналогичными исследованиями в минералогии.

Объекты и содержание минералогии

Основным и прямым объектом минералогии является минерал. Существует много трактовок понятия «минерал». Если упрощенно, то минерал – природное химическое соединение кристаллической структуры . Минерал (по К. Херлбату и К. Клейну) – это встречающееся в природе однородное твердое тело с определенным, но обычно непостоянным, химическим составом и упорядоченным атомным расположением . Он обычно образуется в результате неорганических процессов .

Последовательный разбор этого определения поможет его понять.

Ограничение «встречающееся в природе » отделяет минералы природные и созданные в лабораториях. Последние называют синтетическими, или искусственными минералами. Например, искусственный кварц, рубин, гранаты и др.

Дальнейшее определение утверждает, что минерал – это однородное тело . Это означает, что он состоит из единой твердой субстанции, которую нельзя физически разделить на более простые химические соединения. Однородность определить на глаз трудно, т. к. образец может быть агрегатом, состоящим из мелких зерен минерала, хотя внешне казаться однородным.

Прилагательное твердый исключает газы и жидкости. Так вода – не минерал, а лед – минерал. Исключение – ртуть (минералоид).

Утверждение, что имеет определенный химический состав , означает, что его можно выразить формулой. Однако большинство минералов не имеет точно определенного состава. Например, кварц, как правило, чистый SiO 2 , а вот доломит CaMg(CO 3) 2 – это не всегда чистый карбонат Ca и Mg. Он может содержать в качестве примеси Mn и Fe. Поскольку эти количества переменные, говорят, что состав доломита изменяется в определенных пределах и, следовательно, непостоянный.

Упорядоченное расположение атомов указывает, что внутренняя структурная вязь из атомов (или ионов) представляет правильный геометрический узор – минералы кристалличны. Твердые вещества без кристаллической структуры, без упорядоченного расположения атомов, называют аморфными. Например, опал, обсидиан, стекла разного состава, – их называют минералоидами.

В соответствии с традиционным определением, минерал обычно образуется в результате неорганических процессов. Наречие «обычно» в определении позволяет включать в область изучения минералогии некоторые соединения органического происхождения, которые соответствуют всем остальным требованиям понятия минерал. Пример – карбонат кальция раковин и моллюсков, жемчуга, кораллов. Другие примеры – это сера, образованная действием бактерий, и окись железа, осажденная железными бактериями. Также графит, гагат – продукт уплотнения угля (органического происхождения).

Минералов сейчас насчитывают около 3500–4000, и все они являются прямыми объектами минералогии.

Также к прямым, но дополняющим объектам минералогии относятся горные породы, руды, минеральные месторождения и другие геологические объекты, т. к. вне связи с ними минералогия не только лишается смысла, но и теряет начальный источник информации об условиях образования минералов в природе. Все это обязательные объекты минералогии.

В то же время лед (минерал, по нашему определению) является объектом гляциологии и грунтоведения; оксалаты, фосфаты, ураты, слагающие камни в почках человека, – объекты изучения, как в медицине, так и в особой ветви минералогии (биоминералогии), т. е. это общие объекты разных наук.

Еще менее определено положение искусственных кристаллических соединений и продуктов самопроизвольной кристаллизации в естественных условиях различных техногенных продуктов, например, в ходе самопроизвольного возгорания терриконов, химических превращений захороненных отходов производства и др. Большинство исследователей не считают эти процессы геологическими и не относят эти вещества к минералам – это необязательные (спорные) объекты минералогии. «Спорность» здесь, однако, не указывает на ненужность их исследования. Загадка многих природных процессов минералообразования решается при изучении этих объектов, просто они уже находятся в области перекрытия интересов минералогии с другими науками.

Минералогия занимается:

1) изучением свойств и состава минералов,

2) выявлением геологических условий и физико-химической обстановки образования минералов,

3) исследованием минералов как формы концентрации одних и рассеивания других элементов,

4) выяснением механизма зарождения, роста и разрушения минералов,

5) разработкой минералогических критериев поиска рудного и нерудного сырья.

Как отмечал В. И. Вернадский, цель и суть минералогии состоит не в статичном описании минеральных фаз как мертвых тел и не в составлении классификаций, явление и процесс – вот главные ее объекты.

Минералогия занимается всесторонним изучением минералов и процессов, при которых они возникают или претерпевают различные изменения.
Долгое время существовало представление о минералогии только как об описательной науке. Такие тенденции некоторых ученых, как и сам термин «описательная минералогия», являются отражением статического описательного направления, господствующего в минералогии Западной Европы и прививавшегося в нашей стране до работ Е.С. Федорова и В.И. Вернадского. Точно так же неправильным является разделение минералогии па описательную и теоретическую, так как любой вопрос в минералогии подлежит обязательному тщательному описанию на конкретном природном материале и теоретическому осмысливанию. Долгое время минералогия ограничивалась только изучением земной коры, но в настоящее время она изучает также космос и глубинные зоны Земли, в соответствии с чем в ней наметились три главных отдела: 1) минералогия земной коры; 2) минералогия мантии и 3) космическая минералогия.
В минералогии земной коры в свою очередь могут выделяться минералогия изверженных горных пород, минералогия метаморфических горных пород, минералогия осадочных горных пород, минералогия пегматитов, минералогия зоны окисления и т. д.
В зависимости от подходов к минералам в минералогии выделяются такие разделы: 1) физическая минералогия, или физика минералов; 2) химическая минералогия, или химия минералов; 3) структурная минералогия; 4) минералогическая кристаллография; 5) генетическая минералогия; 6) экспериментальная минералогия; 7) прикладная минералогия; 8) региональная минералогия; 9) систематическая минералогия.
Химическая минералогия изучает химический состав минералов и все связанные с химическим составом их особенности.
Структурная минералогия изучает внутреннее строение минералов.
Физическая минералогия изучает физические свойства минералов, а также другие их свойства, которые поддаются исследованию физическими методами.
Минералогическая кристаллография изучает кристалломорфологию, зарождение, рост и развитие минеральных индивидов и их закономерных срастаний.
Генетическая минералогия изучает образование и происхождение минералов и минеральных комплексов, возникающих в результате процессов минералообразования. Генетические вопросы обычно рассматриваются с химической, физической, физико-химической и геологической точек зрения.
Экспериментальная минералогия занимается искусственным получением минералов, а также моделированием процессов образования минералов в различных физико-химических условиях. Последнее дает возможность экспериментально проверить представления о магматических, метаморфических и экзогенных процессах. Эксперимент вместе с тем является важнейшим критерием, позволяющим проверить наши теоретические представления относительно кристаллохимических особенностей минералов, их индивидуализированности и, следовательно, облегчает решение вопросов номенклатуры и классификации минералов.
Прикладная минералогия занимается изучением минералов с целью использования их в промышленности и сельском хозяйстве.
Региональная минералогия изучает распределение минералов и минеральных ассоциаций в пределах отдельных геологических территорий. Региональные минералогические исследования дают ключ к расшифровке геологической истории и тех физических и химических изменений минералов и минеральных ассоциаций, по которым в значительной степени эта история восстанавливается. Они служат одной из главных предпосылок для прогнозов и поисков минеральных месторождений.
Систематическая минералогия преследует цель систематизации всех сведений, полученных при описании отдельных минеральных видов и минеральных индивидов, выполненных всеми рассмотренными выше ее разделами. В систематической минералогии все свойства минералов, их конституция и условия образования рассматриваются как взаимосвязанные факторы, определяющие самостоятельность минерального вида. Как результат систематизации всех характеристик минеральных видов дается их классификация. Таким образом, систематическая минералогия, занимаясь детальным описанием минеральных видов, классифицирует их и определяет положение каждого из них в общей систематике минерального мира. Наряду с этим систематическая минералогия использует данные генетической и региональной минералогии, касающиеся нахождения, распространения и образования конкретных минералов в отдельных участках земной коры. В основе систематической минералогии, как и минералогии вообще, лежат кристаллохимический и генетический принципы, позволяющие наиболее полно и объективно подойти к минералогическому исследованию. Для проверки правильности представлений, рассматриваемых в систематической минералогии, привлекаются результаты экспериментальной минералогии, и как вывод из систематизации следует заключение о практическом значении каждого минерала, т. е. используются данные прикладной минералогии.
Из всего сказанного о разделении минералогии следует, что все разделы минералогии являются органически связанными между собой, составляют единое целое.
При преподавании минералогии ее удобнее всего делить на три части: 1) общую минералогию (которая по существу является введением в минералогию), 2) систематическую минералогию и 3) минералогию горных пород и минеральных месторождений.
Различие между этими частями заключается лишь в том, что в общей минералогии рассматриваются закономерности и факты, относящиеся либо ко всем минералам, либо к их крупным систематическим единицам, в то время как во второй части эти закономерности и факты рассматриваются в отношении каждого отдельного минерала, а в третьей части - в отношении определенных минеральных комплексов - горных пород и минеральных месторождений.

Содержание статьи

МИНЕРАЛЫ И МИНЕРАЛОГИЯ. Минералы – твердые природные образования, входящие в состав горных пород Земли, Луны и некоторых других планет, а также метеоритов и астероидов. Минералы, как правило, – довольно однородные кристаллические вещества с упорядоченной внутренней структурой и определенным составом, который может быть выражен соответствующей химической формулой. Минералы не являются смесью мельчайших минеральных частиц, как, например, наждак (состоящий в основном из корунда и магнетита) или лимонит (агрегат гетита и других гидроксидов железа), к ним относятся также соединения элементов с неупорядоченной структурой, подобные вулканическим стеклам (обсидиану и др.). Минералами считаются химические элементы или их соединения, образовавшиеся в результате естественных природных процессов. Из числа минералов исключаются такие важнейшие виды минерального сырья органического происхождения, как уголь и нефть.

Минералогия – наука о минералах, их классификации, химическом составе, особенностях и закономерностях строения (структуры), происхождении, условиях нахождения в природе и практическом применении. Для более глубокого объяснения внутреннего строения минералов и их связи с историей Земли минералогия привлекает математику, физику и химию. Она в большей мере, чем другие геологические науки, использует количественные данные, так как для адекватного описания минералов необходимы тонкий химический анализ и точные физические измерения.

ИСТОРИЯ МИНЕРАЛОГИИ

Кремневые отщепы с острыми краями применялись первобытным человеком в качестве орудий труда уже в палеолите. Кремень (тонкозернистая разновидность кварца) долгое время оставался главным полезным ископаемым. В древности человеку были известны и другие минералы. Некоторые из них, например вишневый гематит , желто-коричневый гетит и черные оксиды марганца, применялись в качестве красок для наскальной живописи и раскрашивания тела, а другие, например янтарь , нефрит, самородное золото , – для изготовления ритуальных предметов, украшений и амулетов. В Египте додинастического периода (5000–3000 до н.э.) знали уже много минералов. Самородная медь , золото и серебро использовались для украшений. Несколько позже из меди и ее сплава – бронзы стали изготавливать орудия труда и оружие. Многие минералы употреблялись в качестве красителей, другие – для украшений и печаток (бирюза , жад , хрусталь, халцедон , малахит , гранат , лазурит и гематит). В настоящее время минералы служат источником получения металлов, строительных материалов (цемент, штукатурка, стекло и проч.), сырья для химической промышленности и др.

В первом известном трактате по минералогии О камнях ученика Аристотеля грека Теофраста (ок. 372–287 до н.э.) минералы делились на металлы, земли и камни. Примерно через 400 лет Плиний Старший (23–79 н.э.) в пяти последних книгах Естественной истории обобщил все имевшиеся на тот момент сведения по минералогии.

В раннем Средневековье в странах арабского Востока, воспринявших знания античной Греции и древней Индии, происходил расцвет науки. Среднеазиатский ученый-энциклопедист Бируни (973 – ок. 1050) составил описания драгоценных камней (Минералогия ) и изобрел метод точного измерения их удельных весов. Другой выдающийся ученый Ибн Сина (Авиценна) (ок. 980–1037) в трактате О камнях дал классификацию всех известных минералов, разделив их на четыре класса: камни и земли, горючие ископаемые, соли, металлы.

В Средние века в Европе происходило накопление практических сведений о минералах. Горняк и старатель по необходимости становились минералогами-практиками и передавали свой опыт и знания ученикам и подмастерьям. Первым сводом фактических сведений по практической минералогии, горному делу и металлургии стал труд Г.Агриколы О металлах (De re metallica ), опубликованный в 1556. Благодаря этому трактату и более раннему труду О природе ископаемых (De natura fossilium , 1546), в котором содержится классификация минералов на основе их физических свойств, Агрикола прослыл отцом минералогии.

На протяжении 300 лет после выхода работ Агриколы исследования в области минералогии были посвящены изучению природных кристаллов. В 1669 датский натуралист Н.Стенон, обобщив свои наблюдения над сотнями кристаллов кварца, установил закон постоянства углов между гранями кристаллов. Столетием позже (1772) Роме де Лиль подтвердил выводы Стенона. В 1784 аббат Р.Гаюи заложил основы современных представлений о кристаллической структуре. В 1809 У.Волластон изобрел отражательный гониометр, что позволило проводить более точные измерения углов между гранями кристаллов, а в 1812 выдвинул концепцию пространственной решетки как закона внутреннего строения кристаллов. В 1815 П.Кордье предложил изучать оптические свойства обломков раздробленных минералов под микроскопом. Дальнейшее развитие микроскопических исследований связано с изобретением в 1828 У.Николем устройства для получения поляризованного света (призмы Николя). Поляризационный микроскоп был усовершенствован в 1849 Г.Сорби, который применил его к изучению прозрачных шлифов горных пород.

Появилась необходимость классификации минералов. В 1735 К.Линней опубликовал труд Система природы (Systema naturae ), в котором минералы классифицировались по внешним признакам, т.е. так же, как растения и животные. Затем шведскими учеными – А.Кронстедтом в 1757 и Й.Берцелиусом в 1815 и 1824 – было предложено несколько вариантов химических классификаций минералов. Вторая классификация Берцелиуса, модифицированная К.Раммельсбергом в 1841–1847, прочно утвердилась после того, как американский минералог Дж.Дана положил ее в основу третьего издания Системы минералогии (Dana"s System of Mineralogy , 1850). Большой вклад в развитие минералогии в 18 – первой половине 19 в. внесли немецкие ученые А.Г.Вернер и И.А.Брайтхаупт и русские – М.В.Ломоносов и В.М.Севергин.

Во второй половине 19 в. усовершенствованные поляризационные микроскопы, оптические гониометры и аналитические методы позволили получить более точные данные по отдельным минеральным видам. Когда с помощью рентгеновского анализа стали изучать кристаллы, пришло более глубокое понимание строения минералов. В 1912 немецкий физик М.Лауэ экспериментально установил, что информация о внутренней структуре кристаллов может быть получена путем пропускания сквозь них рентгеновских лучей. Этот метод произвел переворот в минералогии: преимущественно описательная наука стала более точной и минералоги смогли увязать физические и химические свойства минералов с их кристаллическими структурами.

В конце 19 – начале 20 в. развитию минералогии во многом способствовали работы выдающихся российских ученых Н.И.Кокшарова, В.И.Вернадского , Е.С.Федорова, А.Е.Ферсмана, А.К.Болдырева и др. Во второй половине 20 в. минералогия взяла на вооружение новые исследовательские методы физики твердого тела, в частности, инфракрасную спектроскопию, целую серию резонансных методов (электронный парамагнитный резонанс, ядерный гамма-резонанс и др.), люминесцентную спектроскопию и т.д., а также новейшие аналитические методы, включая электронный микрозондовый анализ, электронную микроскопию в сочетании с электронографией и проч. Применение этих методов дает возможность определять химический состав минералов «в точке», т.е. по отдельным зернам минералов, изучать тонкие особенности их кристаллической структуры, содержание и распределение элементов-примесей, природу окраски и люминесценции. Внедрение точных физических методов исследования произвело в минералогии подлинную революцию. С этим этапом развития минералогии связаны имена таких российских ученых, как Н.В.Белов, Д.С.Коржинский, Д.П.Григорьев, И.И.Шафрановский и др.

ГЛАВНЫЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ

Долгое время основными характеристиками минералов служили внешняя форма их кристаллов и других выделений, а также физические свойства (цвет, блеск, спайность, твердость, плотность и проч.), имеющие и в настоящее время большое значение при их описании и визуальной (в частности, полевой) диагностике. Эти характеристики, а также оптические, химические, электрические, магнитные и иные свойства зависят от химического состава и внутреннего строения (кристаллической структуры) минералов. Первостепенная роль химии в минералогии была осознана к середине 19 в., но важное значение структуры стало очевидным лишь с внедрением рентгенографии. Первые расшифровки кристаллических структур были выполнены уже в 1913 английскими физиками У.Г.Брэггом и У.Л.Брэггом .

Минералы – это химические соединения (исключение составляют самородные элементы). Однако даже бесцветные, оптически прозрачные образцы этих минералов почти всегда содержат небольшие количества примесей. Природные растворы или расплавы, из которых кристаллизуются минералы, обычно состоят из многих элементов. В процессе образования соединений немногочисленные атомы менее распространенных элементов могут замещать атомы главных элементов. Такое замещение настолько обычно, что химический состав многих минералов лишь очень редко приближается к составу чистого соединения. Например, состав распространенного породообразующего минерала оливина меняется в пределах составов двух т.н. конечных членов ряда: от форстерита, силиката магния Mg 2 SiO 4 , до фаялита, силиката железа Fe 2 SiO 4 . Отношения Mg:Si:O в первом минерале и Fe:Si:O – во втором составляют 2:1:4. В оливинах промежуточного состава значения отношений те же, т.е. (Mg + Fe):Si:O равно 2:1:4, а формула записывается в виде (Mg,Fe) 2 SiO 4 . Если относительные количества магния и железа известны, то это можно отразить в формуле (Mg 0,80 Fe 0,20) 2 SiO 4 , из которой видно, что 80% атомов металла представлены магнием, а 20% – железом.

Структура.

Все минералы, за исключением воды (которую – в отличие от льда – обычно не относят к минералам) и , при обычных температурах представлены твердыми телами. Однако, если воду и ртуть сильно охладить, они затвердевают: вода – при 0° С, а ртуть – при -39° С. При этих температурах молекулы воды и атомы ртути образуют характерную правильную трехмерную кристаллическую структуру (термины «кристаллический» и «твердый» в данном случае почти равноценны). Таким образом, минералы представляют собой кристаллические вещества, свойства которых определяются геометрическим расположением составляющих их атомов и типом химической связи между ними.

Элементарная ячейка (наименьшее подразделение кристалла) построена из регулярно расположенных атомов, удерживаемых вместе благодаря электронным связям. Эти мельчайшие ячейки, бесконечно повторяющиеся в трехмерном пространстве, образуют кристалл. Размеры элементарных ячеек в разных минералах различны и зависят от размеров, числа и взаимного расположения атомов в пределах ячейки. Параметры ячейки выражаются в ангстремах (Å) или нанометрах (1 Å = 10 –8 см = 0,1 нм). Составленные вместе элементарные ячейки кристалла плотно, без зазоров заполняют объем и образуют кристаллическую решетку. Кристаллы подразделяются по признаку симметрии элементарной ячейки, которая характеризуется соотношением между ее ребрами и углами. Обычно выделяют 7 сингоний (в порядке повышения симметрии): триклинную, моноклинную, ромбическую, тетрагональную, тригональную, гексагональную и кубическую (изометрическую). Иногда тригональную и гексагональную сингонии не разделяют и описывают вместе под названием гексагональной сингонии. Сингонии подразделяются на 32 кристаллических класса (вида симметрии), включающих 230 пространственных групп. Эти группы впервые были выделены в 1890 российским ученым Е.С.Федоровым. При помощи рентгеноструктурного анализа определяют размеры элементарной ячейки минерала, его сингонию, класс симметрии и пространственную группу, а также расшифровывают кристаллическую структуру, т.е. взаимное расположение в трехмерном пространстве атомов, составляющих элементарную ячейку.

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ (МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ) КРИСТАЛЛОГРАФИЯ

Кристаллы с их плоскими, гладкими, блестящими гранями издавна привлекали внимание человека. Со времени появления минералогии как науки кристаллография стала основой изучения морфологии и структуры минералов. Было установлено, что грани кристаллов имеют симметричное расположение, позволяющее отнести кристалл к определенной сингонии, а подчас – и к одному из классов (симметрии) (см. выше ). Рентгенографические исследования показали, что внешняя симметрия кристаллов соответствует внутреннему закономерному расположению атомов.

Размеры кристаллов минералов варьируют в очень широких пределах – от гигантов весом в 5 т (масса хорошо образованного кристалла кварца из Бразилии) до столь мелких, что их грани можно различить только под электронным микроскопом. Форма кристалла даже одного и того же минерала в разных образцах может несколько отличаться; например, кристаллы кварца бывают почти изометричными, игольчатыми или уплощенными. Однако все кристаллы кварца, крупные и мелкие, остроконечные и плоские, образуются при повторении идентичных элементарных ячеек. Если эти ячейки ориентированы в каком-то определенном направлении, кристалл имеет удлиненную форму, если в двух направлениях в ущерб третьему – то форма кристалла таблитчатая. Поскольку углы между соответствующими гранями одного и того же кристалла имеют постоянное значение и специфичны для каждого минерального вида, этот признак обязательно включается в характеристику минерала.

Минералы, представленные отдельными хорошо ограненными кристаллами, редки. Гораздо чаще они встречаются в виде неправильных зерен или кристаллических агрегатов. Нередко минерал характеризуется определенным типом агрегата, который может служить диагностическим признаком. Выделяют несколько типов агрегатов.

Дендритовидные ветвящиеся агрегаты похожи на листья папоротника или мох и характерны, например, для пиролюзита.

Волокнистые агрегаты, состоящие из плотно уложенных параллельных волокон, типичны для хризотила и амфибол-асбеста.

Колломорфные агрегаты, имеющие гладкую округлую поверхность, построены из волокон, которые радиально отходят от общего центра. Крупные округлые массы имеют сосцевидную форму (малахит), а более мелкие – почковидную (гематит) или гроздевидную (псиломелан).

Чешуйчатые агрегаты, состоящие из мелких пластинчатых кристаллов, характерны для слюды и барита.

Сталактиты – натечно-капельные образования, свисающие в форме сосулек, трубок, конусов или «занавесок» в карстовых пещерах. Они возникают в результате испарения минерализованных вод, просачивающихся по трещинам известняка, и часто сложены кальцитом (карбонатом кальция) или арагонитом.

Оолиты – агрегаты, состоящие из маленьких шариков и напоминающие рыбью икру, встречаются в некоторых кальцитовых (оолитовый известняк), гетитовых (оолитовая железная руда) и других подобных образованиях.

КРИСТАЛЛОХИМИЯ

После накопления рентгенографических данных и их сопоставления с результатами химических анализов стало очевидно, что особенности кристаллической структуры минерала зависят от его химического состава. Таким образом были заложены основы новой науки – кристаллохимии. Многие на первый взгляд не связанные между собой свойства минералов могут быть объяснены на основе учета их кристаллической структуры и химического состава.

Некоторые химические элементы (золото, серебро, медь) встречаются в самородном, т.е. чистом, виде. Они построены из электронейтральных атомов (в отличие от большинства минералов, атомы которых несут электрический заряд и называются ионами). Атом с недостатком электронов заряжен положительно и называется катионом; атом с избытком электронов имеет отрицательный заряд и называется анионом. Притяжение между противоположно заряженными ионами называется ионной связью и служит главной связующей силой в минералах.

При другом типе связи внешние электроны вращаются вокруг ядер по общим орбитам, соединяя атомы между собой. Ковалентная связь – самый прочный тип связи. Минералы с ковалентной связью обычно имеют высокие твердость и температуру плавления (например, алмаз).

Значительно меньшую роль в минералах играет слабая ван-дер-ваальсова связь, возникающая между электронейтральными структурными единицами. Энергия связи таких структурных единиц (слоев или групп атомов) распределена неравномерно. Ван-дер-ваальсова связь обеспечивает притяжение между противоположно заряженными участками в более крупных структурных единицах. Такой тип связи наблюдается между слоями графита (одной из природных форм углерода), образованными благодаря сильной ковалентной связи атомов углерода. Из-за слабых связей между слоями графит имеет низкую твердость и весьма совершенную спайность, параллельную слоям. Поэтому графит используют как смазочный материал.

Противоположно заряженные ионы сближаются между собой до расстояния, на котором сила отталкивания уравновешивает силу притяжения. Для любой конкретной пары «катион – анион» это критическое расстояние равно сумме «радиусов» двух ионов. Путем определения критических расстояний между различными ионами удалось установить размеры радиусов большинства ионов (в нанометрах, нм).

Поскольку для большинства минералов характерны ионные связи, их структуры можно наглядно представить в виде соприкасающихся шаров. Структуры ионных кристаллов зависят в основном от величины и знака заряда и относительных размеров ионов. Так как кристалл в целом электронейтрален, сумма положительных зарядов ионов должна быть равна сумме отрицательных. В хлориде натрия (NaCl, минерал галит) каждый ион натрия имеет заряд +1, а каждый ион хлора -1 (рис. 1), т.е. каждому иону натрия соответствует один ион хлора. Однако во флюорите (фториде кальция, CaF 2) каждый ион кальция имеет заряд +2, а ион фтора –1. Поэтому для сохранения общей электронейтральность ионов фтора должно быть вдвое больше, чем ионов кальция (рис. 2).

От величины ионов зависит также возможность их вхождения в данную кристаллическую структуру. Если ионы имеют одинаковый размер и упакованы таким образом, что каждый ион соприкасается с 12 другими, то они находятся в соответствующей координации. Существуют два способа упаковки шаров одинакового размера (рис. 3): кубическая плотнейшая упаковка, в общем случае приводящая к образованию изометрических кристаллов, и гексагональная плотнейшая упаковка, образующая гексагональные кристаллы.

Как правило, катионы меньше по размеру, чем анионы, и их размеры выражаются в долях радиуса аниона, принятого за единицу. Обычно используют отношение, получаемое путем деления радиуса катиона на радиус аниона. Если катион лишь немного меньше анионов, с которыми сочетается, он может соприкасаться с восемью окружающими его анионами, или, как принято говорить, находится в восьмерной координации по отношению к анионам, которые располагаются как бы в вершинах куба вокруг него. Эта координация (называемая также кубической) устойчива при отношениях ионных радиусов от 1 до 0,732 (рис. 4,а ). При меньшем отношении ионных радиусов восемь анионов не могут быть уложены так, чтобы касаться катиона. В таких случаях геометрия упаковки допускает шестерную координацию катионов с расположением анионов в шести вершинах октаэдра (рис. 4,б ), которая будет устойчивой при отношениях их радиусов от 0,732 до 0,416. С дальнейшим уменьшением относительного размера катиона осуществляется переход к четверной, или тетраэдрической, координации, устойчивой при значениях отношений радиусов от 0,414 до 0,225 (рис. 4,в ), затем к тройной – в пределах отношений радиусов от 0,225 до 0,155 (рис. 4,г ) и двойной – при отношениях радиусов менее 0,155 (рис. 4,д ). Хотя другие факторы также определяют тип координационного полиэдра, для большинства минералов принцип отношения радиусов ионов – одно из эффективных средств прогнозирования кристаллической структуры.

Минералы совершенно разного химического состава могут иметь аналогичные структуры, которые можно описать с помощью одних и тех же координационных полиэдров. Например, в хлориде натрия NaCl отношение радиуса иона натрия к радиусу иона хлора составляет 0,535, указывая на октаэдрическую, или шестерную, координацию. Если шесть анионов группируются вокруг каждого катиона, то, чтобы сохранить соотношение катионов и анионов, равное 1:1, вокруг каждого аниона должно быть шесть катионов. Так образуется кубическая структура, известная как структура типа хлорида натрия. Хотя ионные радиусы свинца и серы резко отличаются от ионных радиусов натрия и хлора, их отношение также предопределяет шестерную координацию, поэтому галенит PbS имеет структуру типа хлорида натрия, т.е. галит и галенит изоструктурны.

Примеси в минералах обычно присутствуют в виде ионов, замещающих ионы минерала-«хозяина». Подобные замещения в большой мере влияют на размеры ионов. Если радиусы двух ионов равны или отличаются менее чем на 15%, они легко взаимно замещаются. Если это различие составляет 15–30%, такое замещение ограничено; при различии свыше 30% замещение практически невозможно.

Существует много примеров пар изоструктурных минералов со сходным химическим составом, между которыми происходит замещение ионов. Так, карбонаты сидерит (FeCO 3) и родохрозит (MnCO 3) имеют аналогичные структуры, а железо и марганец могут замещать друг друга в любых соотношениях, образуя т.н. твердые растворы. Между этими двумя минералами существует непрерывный ряд твердых растворов. В других парах минералов ионы возможности взаимного замещения ограничены.

Поскольку минералы электронейтральны, заряд ионов также влияет на их взаимное замещение. Если происходит замещение противоположно заряженным ионом, то в каком-либо участке этой структуры должно иметь место второе замещение, при котором заряд замещающего иона компенсирует нарушение электронейтральности, вызванное первым. Такое сопряженное замещение отмечается в полевых шпатах – плагиоклазах, когда кальций (Ca 2+) замещает натрий (Na +) с образованием непрерывного ряда твердых растворов. Избыточный положительный заряд, возникающий в результате замещения ионом Ca 2+ иона Na + , компенсируется путем одновременного замещения кремния (Si 4+) на алюминий (Al 3+) в соседних участках структуры.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ

Хотя главные характеристики минералов (химический состав и внутренняя кристаллическая структура) устанавливаются на основе химических анализов и рентгеноструктурного метода, косвенно они отражаются в свойствах, которые легко наблюдаются или измеряются. Для диагностики большинства минералов достаточно определить их блеск, цвет, спайность, твердость, плотность.

Блеск

– качественная характеристика отраженного минералом света. Некоторые непрозрачные минералы сильно отражают свет и имеют металлический блеск. Это характерно для рудных минералов, например, галенита (минерал свинца), халькопирита и борнита (минералы меди), аргентита и акантита (минералы серебра). Большинство минералов поглощают или пропускают значительную часть падающего на них света и обладают неметаллическим блеском. Некоторые минералы имеют блеск, переходный от металлического к неметаллическому, который называется полуметаллическим.

Минералы с неметаллическим блеском обычно светлоокрашенные, некоторые из них прозрачны. Часто бывают прозрачными кварц, гипс и светлая слюда. Другие минералы (например, молочно-белый кварц), пропускающие свет, но сквозь которые нельзя четко различить предметы, называют просвечивающими. Минералы, содержащие металлы, отличаются от прочих по светопропусканию. Если свет проходит сквозь минерал, хотя бы в самых тонких краях зерен, то он, как правило, нерудный; если же свет не проходит, то он – рудный. Бывают, впрочем, и исключения: например, светлоокрашенный сфалерит (минерал цинка) или киноварь (минерал ртути) нередко прозрачны или просвечивают.

Минералы различаются по качественным характеристикам неметаллического блеска. Глина имеет тусклый землистый блеск. Кварц на гранях кристаллов или на поверхностях излома – стеклянный, тальк, разделяющийся на тонкие листочки по плоскостям спайности, – перламутровый. Яркий, сверкающий, как у алмаза, блеск называется алмазным.

Когда свет падает на минерал с неметаллическим блеском, то он частично отражается от поверхности минерала, а частично преломляется на этой границе. Каждое вещество характеризуется определенным показателем преломления. Поскольку этот показатель может быть измерен с высокой точностью, он является весьма полезным диагностическим признаком минералов.

Характер блеска зависит от показателя преломления, а оба они – от химического состава и кристаллической структуры минерала. В общем случае прозрачные минералы, содержащие атомы тяжелых металлов, отличаются сильным блеском и высоким показателем преломления. К этой группе относятся такие распространенные минералы, как англезит (сульфат свинца), касситерит (оксид олова) и титанит, или сфен (силикат кальция и титана). Минералы, состоящие из относительно легких элементов, также могут иметь сильный блеск и высокий показатель преломления, если их атомы плотно упакованы и удерживаются сильными химическими связями. Ярким примером является алмаз, состоящий только из одного легкого элемента углерода . В меньшей степени это справедливо и для минерала корунда (Al 2 O 3), прозрачные цветные разновидности которого – рубин и сапфиры – являются драгоценными камнями. Хотя корунд состоит из легких атомов алюминия и кислорода, они так крепко связаны между собой, что минерал имеет довольно сильный блеск и относительно высокий показатель преломления.

Некоторые блески (жирный, восковой, матовый, шелковистый и др.) зависят от состояния поверхности минерала или от строения минерального агрегата; смоляной блеск характерен для многих аморфных веществ (в том числе минералов, содержащих радиоактивные элементы уран или торий).

Цвет

– простой и удобный диагностический признак. В качестве примеров можно привести латунно-желтый пирит (FeS 2), свинцово-серый галенит (PbS) и серебристо-белый арсенопирит (FeAsS 2). У других рудных минералов с металлическим или полуметаллическим блеском характерный цвет может быть замаскирован игрой света в тонкой поверхностной пленке (побежалостью). Это свойственно большинству минералов меди, особенно борниту , который называют «павлиньей рудой» из-за его радужной сине-зеленой побежалости, быстро возникающей на свежем изломе. Однако другие медные минералы окрашены в хорошо всем знакомые цвета: малахит – в зеленый, азурит – в синий.

Некоторые неметаллические минералы безошибочно узнаются по цвету, обусловленному главным химическим элементом (желтому – серы и черному – темно-серому – графита и др.). Многие неметаллические минералы состоят из элементов, которые не обеспечивают им специфической окраски, но у них известны окрашенные разновидности, цвет которых обусловлен присутствием примесей химических элементов в малых количествах, не сопоставимых с интенсивностью вызываемой ими окраски. Такие элементы называют хромофорами; их ионы отличаются избирательным поглощением света. Например, густо-фиолетовый аметист обязан своей окраской ничтожной примеси железа в кварце, а густой зеленый цвет изумруда связан с небольшим содержанием хрома в берилле. Окраска обычно бесцветных минералов может появляться вследствие дефектов кристаллической структуры (обусловленных незаполненными позициями атомов в решетке или вхождением посторонних ионов), которые могут вызвать селективное поглощение некоторых длин волн в спектре белого света. Тогда минералы окрашиваются в дополнительные цвета. Рубины , сапфиры и александриты обязаны своей окраской именно таким световым эффектам.

Бесцветные минералы могут быть окрашены механическими включениями. Так, тонкая рассеянная вкрапленность гематита придает кварцу красный цвет, хлорита – зеленый. Молочный кварц замутнен газово-жидкими включениями. Хотя цвет минералов – одно из самых легко определяемых свойств при диагностике минералов, его надо использовать с осторожностью, так как он зависит от многих факторов.

Несмотря на изменчивость окраски многих минералов, цвет порошка минерала весьма постоянен, а потому является важным диагностическим признаком. Обычно цвет порошка минерала устанавливают по черте (т.н. «цвету черты»), которую оставляет минерал, если им провести по неглазурованной фарфоровой пластинке (бисквиту). Например, минерал флюорит бывает окрашен в разные цвета, но черта у него всегда белая.

Спайность.

Характерным свойством минералов является их поведение при раскалывании. Например, кварц и турмалин , поверхность излома которых напоминает скол стекла, имеют раковистый излом. У других минералов излом может быть описан как шероховатый, неровный или занозистый. Для многих минералов характеристикой служит не излом, а спайность. Это означает, что они раскалываются по гладким плоскостям, непосредственно связанным с их кристаллической структурой. Силы связи между плоскостями кристаллической решетки могут быть различными в зависимости от кристаллографического направления. Если в каких-то направлениях они гораздо больше, чем в других, то минерал будет раскалываться поперек самой слабой связи. Так как спайность всегда параллельна атомным плоскостям, она может быть обозначена с указанием кристаллографических направлений. Например, галит (NaCl) имеет спайность по кубу, т.е. три взаимоперпендикулярных направления возможного раскола. Спайность характеризуется также легкостью проявления и качеством возникающей спайной поверхности. Слюда обладает весьма совершенной спайностью в одном направлении, т.е. легко расщепляется на очень тонкие листочки с гладкой блестящей поверхностью. У топаза спайность совершенная в одном направлении. Минералы могут иметь два, три, четыре или шесть направлений спайности, по которым они одинаково легко раскалываются, либо несколько направлений спайности разной степени. У некоторых минералов спайность вообще отсутствует. Поскольку спайность как проявление внутренней структуры минералов является их неизменным свойством, она служит важным диагностическим признаком.

Твердость

– сопротивление, которое минерал оказывает при царапании. Твердость зависит от кристаллической структуры: чем прочнее связаны между собой атомы в структуре минерала, тем труднее его поцарапать. Тальк и графит – мягкие пластинчатые минералы, построенные из слоев атомов, связанных между собой очень слабыми силами. Они жирные на ощупь: при трении о кожу руки происходит соскальзывание отдельных тончайших слоев. Самый твердый минерал – алмаз, в котором атомы углерода так прочно связаны, что его можно поцарапать только другим алмазом. В начале 19 в. австрийский минералог Ф.Моос расположил 10 минералов в порядке возрастания их твердости. С тех пор они используются как эталоны относительной твердости минералов, т.н. шкала Мооса (табл. 1).

Чтобы определить твердость минерала, необходимо выявить самый твердый минерал, который он может поцарапать. Твердость исследуемого минерала будет больше твердости поцарапанного им минерала, но меньше твердости следующего по шкале Мооса минерала. Силы связи могут меняться в зависимости от кристаллографического направления, а поскольку твердость является грубой оценкой этих сил, она может различаться в разных направлениях. Эта разница обычно невелика, исключение составляет кианит, у которого твердость 5 в направлении, параллельном длине кристалла, и 7 – в поперечном направлении.

В минералогической практике используется также измерение абсолютных значений твердости (т.н. микротвердости) при помощи прибора склерометра, которая выражается в кг/мм 2 .

Плотность.

Масса атомов химических элементов меняется от водорода (самый легкий) до урана (самый тяжелый). При прочих равных условиях масса вещества, состоящего из тяжелых атомов, больше, чем у вещества, состоящего из легких атомов. Например, два карбоната – арагонит и церуссит – имеют сходную внутреннюю структуру, но в состав арагонита входят легкие атомы кальция, а в состав церуссита – тяжелые атомы свинца. В результате масса церуссита превышает массу арагонита того же объема. Масса единицы объема минерала зависит также от плотности упаковки атомов. Кальцит, как и арагонит, представляет собой карбонат кальция, но в кальците атомы упакованы менее плотно, потому он имеет меньшую массу единицы объема, чем арагонит. Относительная масса, или плотность, зависит от химического состава и внутренней структуры. Плотность – это отношение массы вещества к массе того же объема воды при 4° С. Так, если масса минерала составляет 4 г, а масса того же объема воды – 1 г, то плотность минерала равна 4. В минералогии принято выражать плотность в г/см 3 .

Плотность – важный диагностический признак минералов, и ее нетрудно измерить. Сначала образец взвешивается в воздушной среде, а затем – в воде. Поскольку на образец, погруженный в воду, действует выталкивающая сила, направленная вверх, его вес там меньше, чем в воздухе. Потеря веса равна весу вытесненной воды. Таким образом, плотность определяется отношением массы образца на воздухе к потере его веса в воде.

КЛАССИФИКАЦИЯ МИНЕРАЛОВ

Хотя химический состав служил основой классификации минералов с середины 19 в., минералоги не всегда придерживались единого мнения о том, каким должен быть порядок расположения в ней минералов. Согласно одному из методов построения классификации, минералы группировали по одинаковому главному металлу или катиону. При этом минералы железа попадали в одну группу, минералы свинца – в другую, минералы цинка – в третью и т.д. Однако по мере развития науки выяснилось, что минералы, содержащие один и тот же неметалл (анион или анионную группу), имеют сходные свойства и похожи между собой гораздо больше, чем минералы с общим металлом. К тому же минералы с общим анионом встречаются в одинаковой геологической обстановке и имеют близкое происхождение. В результате в современной систематике (см. табл. 2) минералы объединяются в классы по признаку общего аниона или анионной группы. Единственное исключение составляют самородные элементы, которые встречаются в природе сами по себе, не образуя соединений с другими элементами.

Таблица 2. Классификация минералов

Таблица 2. КЛАССИФИКАЦИЯ МИНЕРАЛОВ
Класс	Минерал (пример)	Химическая формула
Самородные элементы	Золото	Au
Карбиды 1	Муассанит	SiC
Сульфиды 2 и сульфосоли	Киноварь Энаргит	HgS Cu 3 AsS 4
Оксиды	Гематит	Fe 2 O 3
Гидроксиды	Брусит	Mg(OH) 2
Галогениды	Флюорит	CaF 2
Карбонаты	Кальцит	CaCO 3
Нитраты	Калиевая селитра	KNO 3
Бораты	Бура	Na 2 B 4 O 5 (OH)4Ч8H 2 O
Фосфаты 3	Апатит	Ca 5 (PO 4) 3 F
Сульфаты	Гипс	CaSO 4Ч 2H 2 O
Хроматы	Крокоит	PbCrO 4
Вольфраматы 4	Шеелит	CaWO 4
Силикаты	Альбит	NaAlSi 3 O 8
Включая нитриды и фосфиды 2 Включая арсениды, селениды и теллуриды. 3 Включая арсенаты и ванадаты. 4 Включая молибдаты.

Химические классы подразделяются на подклассы (по химизму и структурному мотиву), которые, в свою очередь, разбиваются на семейства и группы (по структурному типу). Отдельные минеральные виды, входящие в состав группы, могут образовывать ряды, а один минеральный вид может иметь несколько разновидностей.

К настоящему времени ок. 4000 минералов признаны самостоятельными минеральными видами. К этому списку по мере открытия добавляются новые минералы и исключаются давно известные, но дискредитированные по мере совершенствования методов минералогических исследований.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ И УСЛОВИЯ НАХОЖДЕНИЯ МИНЕРАЛОВ

Минералогия не ограничивается определением свойств минералов, она исследует также происхождение, условия нахождения и природные ассоциации минералов. Со времени возникновения Земли примерно 4,6 млрд. лет назад многие минералы разрушились в результате механического дробления, химических преобразований или плавления. Но элементы, слагавшие эти минералы, сохранились, перегруппировались и образовали новые минералы. Таким образом, существующие ныне минералы являются продуктами процессов, развивавшихся на протяжении геологической истории Земли.

Бóльшая часть земной коры сложена изверженными породами, которые местами перекрыты относительно маломощным покровом осадочных и метаморфических пород. Поэтому состав земной коры в принципе соответствует усредненному составу изверженной породы. Восемь элементов (см. табл. 3 ) составляют 99% массы земной коры и соответственно 99% массы слагающих ее минералов.

Элемент Массовые проценты Объемные проценты Кислород 46,40 94,04 Кремний 28,15 0,88 Алюминий 8,23 0,48 Железо 5,63 0,49 Кальций 4,15 1,18 Натрий 2,36 1,11 Магний 2,33 0,33 Калий 2,09 1,49

По элементному составу земная кора представляет собой каркасную постройку, состоящую из ионов кислорода, связанных с более мелкими ионами кремния и алюминия. Таким образом, главными минералами являются силикаты, на долю которых приходится ок. 35% всех известных минералов и ок. 40% – наиболее распространенных. Важнейшие из них – полевые шпаты (семейство алюмосиликатов, содержащих калий, натрий и кальций, реже – барий). Другие распространенные породообразующие силикаты представлены кварцем (впрочем, он чаще относится к оксидам), слюдами, амфиболами, пироксенами и оливином.

Изверженные породы.

Изверженные, или магматические, породы образуются при охлаждении и кристаллизации расплавленной магмы. Процентное содержание различных минералов и, следовательно, тип образовавшейся породы зависят от соотношения элементов, содержавшихся в магме во время ее затвердевания. Каждый тип изверженной горной породы обычно состоит из ограниченного набора минералов, называющихся главными породообразующими. В дополнение к ним могут присутствовать в меньших количествах второстепенные и акцессорные минералы. Например, главными минералами в граните могут быть калиевый полевой шпат (30%), натрий-кальциевый полевой шпат (30%), кварц (30%), слюды и роговая обманка (10%). В качестве акцессорных минералов могут присутствовать циркон, сфен, апатит, магнетит и ильменит.

Изверженные породы обычно классифицируют в зависимости от вида и количества каждого из содержащихся в них полевых шпатов. Однако в некоторых породах полевой шпат отсутствует. Далее изверженные породы классифицируют по их структуре, которая отражает условия затвердевания породы. Медленно кристаллизующаяся глубоко в недрах Земли магма порождает интрузивные плутонические породы с крупно- или среднезернистой структурой. Если магма извергается на поверхность в виде лавы, она быстро остывает и возникают тонкозернистые вулканические (эффузивные, или излившиеся) породы. Иногда некоторые вулканические породы (например, обсидиан) остывают столь быстро, что не успевает произойти их кристаллизация; подобные породы имеют стекловидный облик (вулканические стекла).

Осадочные породы.

Когда коренные породы выветриваются или размываются, обломочный или растворенный материал оказывается включенным в состав осадочных пород. В результате химического выветривания минералов, происходящего на границе литосферы и атмосферы, формируются новые минералы, например, глинистые – из полевого шпата. Некоторые элементы высвобождаются при растворении минералов (например, кальцита) в поверхностных водах. Однако другие минералы, например кварц, даже механически раздробленные, сохраняют устойчивость к химическому выветриванию.

Высвободившиеся при выветривании механически и химически устойчивые минералы с достаточно высокой плотностью образуют на земной поверхности россыпные месторождения. Из россыпей, чаще всего аллювиальных (речных), добывают золото, платину, алмазы, иные драгоценные камни, оловянный камень (касситерит), минералы других металлов. В определенных климатических условиях формируются мощные коры выветривания, нередко обогащенные рудными минералами. С корами выветривания бывают сопряжены промышленные месторождения бокситов (руд алюминия), скопления гематита (железных руд), водных силикатов никеля, минералов ниобия и других редких металлов.

Основная масса продуктов выветривания выносится по системе водотоков в озера и моря, на дне которых образует слоистую осадочную толщу. Глинистые сланцы сложены в основном глинистыми минералами, а песчаник состоит преимущественно из сцементированных зерен кварца. Растворенный материал может извлекаться из воды живыми организмами или выпадать в осадок в результате химических реакций и испарения. Карбонат кальция поглощается из морской воды моллюсками, которые строят из него свои твердые раковины. Бóльшая часть известняков образуется в результате аккумуляции раковин и скелетов морских организмов, хотя частично карбонат кальция осаждается химическим путем.

Эвапоритовые залежи формируются в результате испарения морской воды. Эвапориты – обширная группа минералов, в число которых входят галит (поваренная соль), гипс и ангидрит (сульфаты кальция), сильвин (хлорид калия); все они имеют важное практическое применение. Эти минералы осаждаются также при испарении с поверхности соляных озер, но в этом случае повышение концентрации редких элементов может привести к дополнительному осаждению некоторых других минералов. Именно в такой обстановке образуются бораты.

Метаморфические породы.

Региональный метаморфизм.

Изверженные и осадочные породы, захороненные на большой глубине, под действием температуры и давления испытывают преобразования, называющиеся метаморфическими, в ходе которых меняются первоначальные свойства горных пород, а исходные минералы перекристаллизовываются или полностью трансформируются. В результате минералы обычно располагаются вдоль параллельных плоскостей, придавая породам сланцеватый облик. Тонкосланцеватые метаморфические породы называются сланцами. Они часто бывают обогащены пластинчатыми силикатными минералами (слюдой, хлоритом или тальком). Более грубосланцеватые метаморфические породы – гнейсы; в них чередуются полосы кварца, полевого шпата и темноцветных минералов. Когда сланцы и гнейсы содержат какой-либо типично метаморфический минерал, это отражается в названии породы, например, силлиманитовый или ставролитовый сланец, кианитовый или гранатовый гнейс.

Контактовый метаморфизм.

При подъеме магмы в верхние слои земной коры в породах, в которые она внедрилась, обычно происходят изменения, т.н. контактовый метаморфизм. Эти изменения проявляются в перекристаллизации первоначальных или образовании новых минералов. Степень метаморфизма зависит как от типа магмы, так и от типа породы, которую она пронизывает. Глинистые и близкие им по химическому составу породы преобразуются в контактовые роговики (биотитовые, кордиеритовые, гранатовые и др.). Наиболее интенсивные изменения происходят, когда гранитная магма внедряется в известняки: термическое воздействие является причиной их перекристаллизации и образования мрамора; в результате химического взаимодействия с известняками отделяющихся от магмы растворов образуется большая группа минералов (силикаты кальция и магния: волластонит, гроссуляровый и андрадитовый гранаты, везувиан, или идокраз, эпидот, тремолит и диопсид). В некоторых случаях при контактовом метаморфизме привносятся рудные минералы, что делает породы ценными источниками получения меди, свинца, цинка и вольфрама.

Метасоматоз.

В результате регионального и контактового метаморфизма не происходит существенного изменения химического состава исходных пород, а меняются лишь их минеральный состав и внешний облик. Когда растворами привносятся одни элементы и выносятся другие, происходит значительное изменение химического состава пород. Такие вновь образовавшиеся породы называются метосоматическими. Например, взаимодействие известняков с растворами, выделяемыми гранитной магмой в ходе кристаллизации, приводит к образованию вокруг гранитных массивов зон контактово-метасоматических руд – скарпов, которые нередко вмещают оруденение.

РУДНЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ И ПЕГМАТИТЫ

Химический состав крупнозернистого гранита может существенно отличаться от состава исходной магмы. Изучение пород показало, что минералы выделяются из магмы в определенной последовательности. Такие богатые железом и магнием минералы, как оливин и пироксены, а также акцессорные минералы кристаллизуются в первую очередь. Из-за более высокой плотности, чем окружающий расплав, в результате процесса магматической сегрегации они оседают вниз. Полагают, что таким образом образуются дуниты – породы, состоящие почти целиком из оливина. Сходное происхождение приписывается некоторым крупным скоплениям магнетита, ильменита и хромита, которые являются рядами соответственно железа, титана и хрома.

Однако состав расплава, остающегося после удаления минералов путем магматической сегрегации, не полностью идентичен составу образующейся из него породы. В ходе кристаллизации расплава в нем возрастает концентрация воды и других летучих компонентов (например, соединений фтора и бора), а вместе с ними многих других элементов, атомы которых слишком велики или слишком малы для вхождения в кристаллические структуры породообразующих минералов. Выделившиеся из кристаллизующейся магмы водные флюиды могут подниматься по трещинам к поверхности Земли, в область более низких температур и давлений. Это обусловливает отложение минералов в трещинах и образование жильных месторождений. Некоторые жилы сложены в основном неметаллическими минералами (кварцем, кальцитом, баритом и флюоритом). Другие жилы содержат минералы таких металлов, как золото, серебро, медь, свинец, цинк, олово и ртуть; соответственно, они могут представлять собой ценные рудные месторождения. Поскольку подобные месторождения образуются при участии нагретых водных растворов, их называют гидротермальными. Следует сказать, что самые крупные гидротермальные месторождения – не жильные, а метасоматические; они представляют собой пластообразные или иной формы залежи, образовавшиеся путем замещения горных пород (чаще всего известняков) рудоносными растворами. О минералах, слагающих такие месторождения, говорят, что они имеют гидротермально-метасоматическое происхождение.

Пегматиты генетически связаны с кристаллизующейся гранитной магмой. Масса высокоподвижного флюида, еще богатая элементами, входящими в состав породообразующих минералов, может быть выброшена из магматической камеры во вмещающие породы, где она кристаллизуется с образованием тел грубозернистой структуры, сложенных в основном породообразующими минералами – кварцем, полевым шпатом и слюдой. Такие тела горных пород, называемые пегматитами, весьма изменчивы по величине. Максимальная протяженность большинства пегматитовых тел – несколько сотен метров, но самые крупные из них достигают длины 3 км, а у небольших она измеряется первыми метрами. В пегматитах содержатся крупные кристаллы отдельных минералов, в том числе самые большие в мире полевошпатовые длиной в несколько метров, слюды – до 3 м в поперечнике, кварца – массой до 5 т.

В некоторых пегматитообразующих флюидах концентрируются редкие элементы (часто в форме крупных кристаллов), например, бериллий – в берилле и хризоберилле, литий – в сподумене, петалитите, амблигоните и лепидолите, цезий – в полуците, бор – в турмалине, фтор – в апатите и топазе. Большинство этих минералов имеют ювелирные разновидности. Промышленное значение пегматитов отчасти связано с тем, что они являются источником драгоценных камней, но главным образом – высокосортных калиевого полевого шпата и слюды, а также рудами лития, цезия и тантала, отчасти бериллия.

Литература:

Минералы: Справочник , тт. 1–4. М., 1960–1992
Флейшер М. Словарь минеральных видов . М., 1980
Минералогическая энциклопедия . Л., 1985
Берри Л., Мейсон Б., Дитрих Р. Минералогия. М., 1987