Минералы возникают в разных геологических условиях: одни кристаллизуются из расплава, другие выделяются из водных растворов или меняются при нагревании и давлении. Чтобы описывать их происхождение и свойства, геологи используют термины «минерал», «кристалл», «генезис», «парагенезис» и несколько классификационных систем. Эти понятия связаны, но отвечают на разные вопросы: как вещество устроено, где и как оно образовалось и к какой группе его относят.
Что называют минералом
В современной минералогии минерал — это природное твёрдое вещество, обычно кристаллическое, с определённым химическим составом или допустимым диапазоном его изменений. Важна не только формула: значение имеют также внутренняя структура и природное происхождение. Международная минералогическая ассоциация (IMA) через свою комиссию по новым минералам, номенклатуре и классификации рассматривает вопросы признания новых минеральных видов и их названий.
Слово «минерал» связано с латинским minera — рудой или местом добычи. Однако современное значение термина шире бытового представления о полезном ископаемом: минералом может быть и вещество, которое не используют как руду. Название «кристалл» восходит к греческому слову krýstallos, связанному со льдом; в древности этим словом называли, в частности, прозрачный горный хрусталь. Сегодня кристаллическое строение понимают как упорядоченное расположение частиц, а не как признак прозрачности или внешней правильности.
Минерал, горная порода и руда — не одно и то же
Минерал — отдельный природный материал, а горная порода обычно представляет собой природное сочетание одного или нескольких минералов. Например, гранит состоит преимущественно из кварца, полевых шпатов и слюд, хотя пропорции и состав конкретных образцов различаются. Руда — порода или минеральное сырьё, из которого при существующих технических и экономических условиях можно извлечь полезный компонент; это понятие связано с использованием, а не только с составом.
Не всякое природное твёрдое вещество считают минералом. Вулканическое стекло, например, не имеет упорядоченной кристаллической структуры и обычно относится к минералоидам. Существуют и пограничные случаи: некоторые минералы могут терять первоначальный порядок кристаллической решётки из-за природного радиоактивного воздействия, хотя их исходная структура известна. Поэтому при классификации учитывают не одно внешнее сходство, а совокупность происхождения, состава и строения.
Основные пути образования минералов
Происхождение минерала называют генезисом. Один и тот же минеральный вид может возникать в разных условиях, поэтому название само по себе не всегда указывает на способ образования. Геолог устанавливает генезис по сочетанию признаков: составу и форме зёрен, соседним минералам, строению породы и геологической обстановке.
- Магматический процесс. При охлаждении расплава минералы кристаллизуются не одновременно: последовательность зависит, среди прочего, от состава магмы, температуры и давления. Так формируются минеральные составляющие магматических пород. Поздние порции остаточного расплава могут быть обогащены компонентами, которые не вошли в ранние кристаллы.
- Гидротермальный процесс. Горячие водные растворы перемещаются по трещинам и порам пород, переносят растворённые вещества и при изменении условий образуют новые минералы. Причиной осаждения могут быть охлаждение, изменение давления или химического состава раствора, а также его взаимодействие с породой. Такие процессы часто оставляют жилы и прожилковые зоны, но сама форма залегания ещё не доказывает генезис без других данных.
- Осадочное образование. Минералы могут выпадать из воды, накапливаться вместе с осадком или формироваться при изменении уже отложенного материала. Примеры таких процессов — образование солей при испарении водоёмов и появление новых минералов в осадочных породах во время диагенеза. Диагенезом называют изменения осадка после его накопления, до превращения породы в метаморфическую.
- Метаморфизм. При повышении температуры и давления, а также при воздействии флюидов минералы в породе могут заменяться другими, более устойчивыми в новых условиях. Порода при этом может оставаться твёрдой, без полного плавления. Набор новых минеральных сочетаний помогает оценивать условия, в которых происходило преобразование.
- Выветривание и процессы у поверхности. Вода, кислород и другие компоненты окружающей среды разрушают одни минералы и способствуют образованию других. Так возникают, например, глинистые минералы при изменении силикатов. Часть минеральных образований связана также с деятельностью организмов, но биологическое участие не отменяет необходимости установить состав и структуру вещества.
В природном объекте нередко видна не одна стадия, а их последовательность. Ранние минералы могут быть частично растворены или замещены поздними, а трещины — заполнены несколькими поколениями кристаллов. Поэтому понятие генезиса описывает историю образования, а не просто перечень минералов в образце.
Какие понятия помогают описывать минералы
Для характеристики минерального объекта используют язык химии, кристаллографии и геологии. Он позволяет отличать похожие на вид вещества и не сводить описание к цвету или форме. Несколько понятий особенно важны для понимания классификаций.
- Минеральный вид — признанная единица минералогической номенклатуры, определяемая с учётом состава и структуры. Вид не обязательно имеет одну неизменную химическую формулу: для некоторых минералов допустимы замещения одних элементов другими в определённых пределах.
- Полиморфизм — существование веществ с одинаковым химическим составом, но разным строением кристаллической решётки. Алмаз и графит состоят из углерода, однако атомы в них организованы по-разному, что приводит к различиям свойств.
- Изоморфное замещение — замена одних атомов или ионов другими в структуре минерала, когда это допускают их свойства и условия образования. Такие замещения объясняют, почему химический состав минерала может изменяться в пределах, не требующих выделения нового вида.
- Парагенезис — закономерное сочетание минералов, связанных общими условиями или этапами образования. Оно помогает реконструировать геологическую историю, но не означает, что все минералы в породе появились строго одновременно.
Как устроены классификации минералов
Классификация — это способ упорядочить минеральные виды по выбранным признакам. В минералогии особенно важны химический состав и кристаллическое строение, поэтому классификационные группы не следует путать с генетическими: «силикат» указывает на химико-структурное родство, а «гидротермальный» — на условия образования. В одной породе могут встречаться минералы разных классов, сформировавшиеся на разных стадиях.
Для общего знакомства достаточно представить основные химические группы. Перечень ниже упрощён: подробное деление и границы групп зависят от выбранной системы, а отдельные классификации выделяют подгруппы подробнее.
| Группа в упрощённом изложении | Что объединяет | Примеры |
|---|---|---|
| Самородные элементы | Минералы, состоящие преимущественно из одного химического элемента | Золото, сера, графит |
| Сульфиды | Соединения серы с металлами или другими элементами; в системах отдельно рассматривают также сульфосоли | Пирит, галенит |
| Галогениды | Соединения с фтором, хлором и другими галогенами | Галит, флюорит |
| Оксиды и гидроксиды | Соединения кислорода и, в соответствующих группах, гидроксильных компонентов с другими элементами | Гематит, гётит |
| Карбонаты и родственные группы | Минералы с карбонатными, нитратными или боратными группировками; конкретное деление зависит от системы | Кальцит, доломит |
| Сульфаты, фосфаты и другие соли кислот | Группы, различаемые по составу анионных комплексов | Гипс, апатит |
| Силикаты | Минералы, в структуре которых важны кремнекислородные группы | Кварц, полевые шпаты, слюды |
В таблице приведены учебные объединения, а не полная официальная схема. Например, конкретная классификация может разделять карбонаты и бораты, а оксиды и гидроксиды — рассматривать по-разному. Поэтому в научной работе важно указывать, какой системой и её редакцией пользуются.
От ранних описаний к современным системам
История минералогической классификации отражает развитие самих наук. Ранние систематики опирались на доступные наблюдения: внешний вид, твёрдость, плотность и практическое применение образцов. По мере развития химии стало возможным группировать минералы по составу, а успехи рентгеновского изучения кристаллов позволили учитывать внутреннюю структуру.
Среди известных систем — классификации Даны и Струнца, которые устроены не одинаково и обновлялись в разных изданиях. Система Даны связана с работой американского минералога Джеймса Дуайта Даны, чьё первое издание справочника System of Mineralogy вышло в 1837 году. Система Струнца получила название по имени немецкого минералога Карла Хуго Струнца; в ней важное место занимают химические классы и структурные подразделения. Эти системы полезны для каталогизации и поиска родственных минералов, но их не следует принимать за единственную возможную схему природы.
От классификации отличается официальное признание вида. IMA-CNMNC рассматривает предложения о новых минеральных видах и вопросы номенклатуры по установленным научным критериям. Поэтому в старых справочниках и новых каталогах могут встречаться разные названия или таксономические решения: перед сравнением следует проверять, к какой редакции и номенклатуре относится запись.
Как пользоваться справочником по минералам
При знакомстве с образцом полезно разделять наблюдение и вывод. Сначала описывают видимые признаки и возможные измерения, затем проверяют состав и структуру доступными методами, после чего сопоставляют минерал с классификационными справочниками. Генезис устанавливают отдельно, используя сведения о породе и геологической обстановке.
- Уточните, идёт ли речь о минеральном виде, горной породе, руде или минералоиде.
- Сопоставьте предполагаемый состав и строение: внешнее сходство само по себе недостаточно для определения.
- Укажите систему классификации, если сравниваете группы из разных каталогов.
- Не выводите происхождение только из одного минерала: учитывайте его соседей, текстуры и отношения с породой.
Такой порядок помогает избежать типичных ошибок: считать любой блестящий кристалл минералом, путать классификационную группу с местом образования или называть породу одним из входящих в неё минералов. Он также делает описания сопоставимыми: другой читатель понимает, какие признаки наблюдались, а какие выводы ещё требуют проверки.
Частые вопросы
Каждый ли минерал имеет постоянный химический состав?
Нет. Для части минеральных видов характерен диапазон состава, связанный с замещением элементов в кристаллической структуре. При этом изменения должны укладываться в критерии, по которым вид отличается от других видов; наличие небольших примесей само по себе не означает, что перед нами новый минерал.
Можно ли определить происхождение по одному названию минерала?
Обычно нельзя. Некоторые минералы часто встречаются в определённых условиях, но один и тот же вид может образоваться несколькими путями. Для вывода нужны сведения о породе, минеральном окружении, текстурах и геологической истории участка.
Почему в разных книгах классификации не совпадают?
Авторы могут использовать разные системы, редакции и уровни детализации. Кроме того, меняются представления о родстве минеральных видов и официальная номенклатура. При сравнении справочников проверяйте, какие критерии применены и насколько актуальна использованная редакция.