Породообразующие минералы
Общие сведения о минералах Классификация минералов Происхождение минералов Диагностические свойства минералов
1. Общие сведения о минералах
Каждый из нас волей-неволей наслышан о минералах. Минералы везде – это и БАДы, и косметика, и строительные материалы, и удобрения... А что же представляют собой минералы на самом деле?
Со многими минералами мы имеем дело в повседневной жизни. Буквально каждый день - с самым жизненно важным, незаменимым минералом № 1 - обыкновенной поваренной (каменной) солью, галитом. Без остальных минералов жить кое-как можно; хотя, что за жизнь, например, без полевого шпата, из которого делают фарфор, фаянс и зубные пасты; или, тем более, без минералов - драгоценных камней? Природные камни, применяемые в строительстве, тоже состоят из минералов. Некоторые минералы служат источниками металлов, из которых делают гвозди и часовые механизмы, провода, микросхемы, компьютеры и еще множество нужных вещей.
Слово "минерал" употребляется также в собирательном значении вместо более точного термина "минеральный вид" - по аналогии с биологическими видами животных и растений. Минеральный вид - это совокупность минералов, одинаковых по химическому составу и кристаллической структуре.
Два минерала относятся к одному минеральному виду, если у них попарно совпадают оба определяющих признака, и к разным видам, если хотя бы в одной паре имеется несовпадение.
Но к простому и ясному пониманию минералов наука подобралась вовсе не просто и не сразу. Представления о минералах менялись со временем, демонстрируя связь с развитием производства и хозяйственных потребностей, то есть с самой историей человечества.
Само понятие "минерал" возникло относительно недавно. Оно было совершенно незнакомо первобытному человеку. Ничего не знал он и о химических составах и кристаллических структурах. Вокруг он видел просто камни, и ему достаточно было знать те их свойства, что были важны при изготовлении примитивных орудий и сооружений. Обо всем этом не стоило бы и упоминать, если бы не маленькое обстоятельство: находки археологов указывают на тот любопытный факт, что отдельные минералы (как мы назвали бы их сегодня) были интересны древнему человеку независимо от их практического использования. По-видимому, коллекционерский инстинкт - стремление сохранять необычное, редкое, исчезающее был свойствен даже нашим самым далеким предкам.
Сам термин "минерал", насколько известно, впервые употребил ученый монах XIII в. Альбертус Магнус (Альберт Великий). На средневековой латыни он означал "то, что из рудника", "ископаемое".
Современное определение звучит так: минерал - это твердое тело природного неорганического происхождения, имеющее кристаллическое строение и состав, который можно выразить химической формулой.
Но иногда минералы рассматривают в неоправданно расширенном контексте, относя к ним некоторые органические, аморфные и другие природные продукты, в частности некоторые горные породы, которые в строгом смысле не могут быть отнесены к минералам.
- Минералами считаются также некоторые природные вещества, представляющие из себя в обычных условиях жидкости (например, самородная ртуть, которая приходит к кристаллическому состоянию при более низкой температуре). Воду, напротив, к минералам не относят, рассматривая её как жидкое состояние (расплав) минерала лёд. Некоторые органические вещества - нефть, асфальты, битумы - часто ошибочно относят к минералам. Некоторые минералы находятся в аморфном состоянии и не имеют кристаллической структуры. Это относится главным образом к так называемым метамиктным минералам, имеющим внешнюю форму кристаллов, но находящимся в аморфном, стеклоподобном состоянии вследствие разрушения их изначальной кристаллической решетки под действием жёсткого радиоактивного излучения входящих в их собственный состав радиоактивных элементов (U, Th, и т. д.). Т. о. различают минералы явнокристаллические, аморфные - метаколлоиды (например, опал) и метамиктные минералы, имеющие внешнюю форму кристаллов, но находящиеся в аморфном, стеклоподобном состоянии.
Для формирования кристаллической структуры минералов большое значение имеют условия их образования. В различных условиях одинаковые по химическому составу вещества могут образовывать различные кристаллические структуры и создавать, таким образом, разные минералы. Это явление получило название полиморфизма (греч. «полиморфоз» - многоформенный, многообразный) и широко распространено в минералах.
Наиболее характерным примером полиморфизма являются минералы алмаз и графит. В химическом отношении они одинаковы и состоят из чистого углерода (С). С точки зрения внутреннего строения они имеют различную кристаллическую структуру: в первом атомы углерода имеют плотную «упаковку» и скреплены сильными химическими связями, во втором атомы располагаются слоями, связи сложные и в целом слабые. В результате форма кристаллов и физические свойства этих двух минералов совершенно различны. Примеры полипорфизма: кальцит СаСОз и арагонит СаСОз; кварц SiO2 и стишовит SiO2; пирит FeS2 и марказит FeS2.
Явлением, в известной степени противоположным полиморфизму, является изоморфизм (греч. «изос» - равный, «морфэ» - форма). Под изоморфизмом понимают свойства химических элементов замещать друг друга и образовывать смешанные минералы одинаковые по кристаллической структуре и форме кристаллов. В качестве примера можно привести минералы форстерит Mg2[SiO4] и фаялит Fe2[SiO4]. Эти минералы однотипны по кристаллической структуре и форме кристаллов. Между собой они образуют твердые растворы переменного химического состава – так называемый изоморфный ряд минералов и являются его крайними членами. Между ними находится наиболее распространенный минерал изоморфного ряда оливин – (Mg, Fe)2 [SiO4], представляющий собой их изоморфную смесь, где магний частично замещен железом. Это нашло отражение в его химической формуле и названии самого ряда как изоморфного ряда оливинов.
Изоморфизм, также как и полиморфизм широко распространен в природе. Многие минералы являются изоморфными смесями и образуют изоморфные ряды.
Известно более 2500 минералов, а если учесть и их разновидности - около 4000, однако только немногим больше 50 (до 1%) из них имеют породообразующее значение.
Ежегодно открывается 40-60 новых минералов. В наше время это обычно какие-нибудь налеты или отдельные зернышки, ведь минералы, образующие большие кристаллы и крупные скопления, уже были замечены и открыты в прошлом. Так что для начала открывателю надо это скромное выделение заметить. Особый "нюх", способность обратить внимание на необычное зерно среди многих тонн горной породы - это тот почти мистический дар, которым наделены лишь немногие. На протяжении своей научной карьеры такой специалист открывает один за другим десятки новых минералов, тогда как на долю других, даже превосходно знающих мир минералов "в лицо", достаются, в лучшем случае, лишь единичные открытия.
Одновременно с пополнением каталога минералов идет дискредитация видов, "открытых" по ошибке. Болезнь ошибочных "открытий", в основном преодоленная совершенствованием методов идентификации минералов, в прошлом была весьма распространена. Так, красивый минерал апофиллит за 70-летний период 1784-1853 гг. "открыли" десятикратно! И каждый раз он получал новое название, которое потом приходилось исключать из минералогической номенклатуры.
2. Классификация минералов
Минералы можно классифицировать по различным признакам. Наиболее известны и удобны следующие классификации:
1. Генетическая классификация минералов (по происхождению).
2. Классификация минералов и горных пород по практическому значению или применению (руды, сырье, драгоценные, облицовочные, горючие и т. п.).
3. Химическая или кристаллохимическая классификация минералов, в основу этой классификации положены характер соединений, тип химических связей между структурными элементами минералов, тип упаковки и др. В связи с этими признаками все минералы разделяются на пять типов, в каждом из которых преобладает какой-либо один характер связи между структурными единицами. В пределах типов по характеру анионов (по производной кислоте) минералы группируются в классы. Дальнейшее разделение внутри классов на подклассы производится по типам сцепления атомов или основных радикалов. Здесь выделяются: координационные, каркасные, островные, цепочечные и слоистые. Минералы близкого состава и сходной структуры объединены в группы.
Минералоги, геологи и мы с вами будем пользоваться химической классификацией, общая схема которой следующая.
Тип | Класс | Распространение в земной коре | Основные минералы |
Тип I. Самородные элементы | Класс 1. Самородные металлы и металлоиды, встречающиеся в природе в свободном состоянии | Около 90 минералов - 0,1% массы земной коры | золото, платина, железо, медь, осмистый иридий, мышьяк, висмут |
Класс 2. Самородные неметаллы | графит, алмаз, сера | ||
Тип II. Сульфиды и их аналоги | Около 200 минералов - 0,25 % массы земной коры | сфалерит, галенит, халькопирит, пирит, киноварь, пирротин, арсенопирит, молибденит, антимонит, киноварь и др. | |
Тип III. Окислы, гидроокислы и их аналоги | Около 200 минералов, ~17% массы земной коры | кварц, халцедон, яшма, опал, кремень, корунд, гематит, магнетит, гетит, ильменит, касситерит, хромит, пиролюзит, псиломелан, гетит. | |
Тип IV. Соли кислородных кислот | Класс 1. Карбонаты | Около 80 минералов, ~1,8% массы земной коры | кальцит, арагонит, доломит, сидерит, родохрозит, магнезит, малахит, азурит |
Класс 2. Сульфаты | Около 260 минералов, ~0,1% массы земной коры | гипс, ангидрит, барит, мирабилит, целестин | |
Класс 3. Молибдаты и вольфраматы | вольфрамит | ||
Класс 4. Фосфаты | Около 350 минералов - 0,7% массы земной коры | фосфорит, апатит, бирюза | |
Класс 5. Силикаты | Около 800 минералов, ~80% земной коры | А. Островные и кольцевые: оливин, гранаты, дистен, андалузит, силлиманит, топаз, ставролит, эпидот, берилл, турмалин, кордиерит. Б. Цепочечные: ромбические пироксены: диопсид, авгит, эгирин, родонит; В. Ленточные: амфиболы: тремолит, актинолит, роговая обманка. Г. Слоистые и алюмосиликаты: тальк, серпентин, слюды: биотит, мусковит, флогопит. Д. Каркасные, алюмосиликаты и бериллосиликаты: кварц, калиевые полевые шпаты: ортоклаз, микроклин, амазонит; плагиоклазы: альбит, лабрадор, олигоклаз, лунный камень; лейцит, нефелин, лазурит, датолит, гельвин. | |
Тип V. Галогениды | Класс 1. Хлориды | Около 100 минералов | галит, сильвин, карналлит |
Класс 2. Фториды | флюорит |
Происхождение минералов
Все процессы на нашей планете - от грандиозных извержений вулканов до незаметного испарения воды морей и озер - сопровождаются образованием минералов.
За редким исключением, человек лишен возможности непосредственно наблюдать, какими путями это происходит, но, опираясь на знание законов физики и химии, может судить достаточно достоверно. Большое значение имеет источник энергии. Внутренние процессы идут за счёт энергии недр, а внешние - за счёт солнечной энергии.
К первой группе относятся процессы, связанные с образованием расплавов в недрах Земли. По мере движения к поверхности от расплава отделяются обогащенные летучими компонентами фракции, при кристаллизации которых образуются пегматиты с великолепными кристаллами берилла, кварца и топаза.
При дальнейшем снижении температуры основным переносчиком вещества становятся жидкие растворы, из которых формируются кристаллы галенита, пирита, антимонита, аметиста, цеолитов и горного хрусталя, возникают золотоносные жилы.
Излившись на поверхность, горячие расплавы образуют вулканические породы. С ними связаны месторождения хризолита, диопсида, ильменита. Подземные процессы порождают рудные жилы и залежи большинства металлических и неметаллических полезных ископаемых.
В противоположность внутренним процессам внешние протекают на земной поверхности или вблизи её, для них не требуются высокие температуры и давления. Прежде всего, это различные типы разрушения горных пород, в том числе и химическое, которое приводит к рождению малахита, бирюзы, хризопраза. Механическое разрушение коренных залежей формирует россыпи золота, платины, алмазов, рубинов, сапфиров, других драгоценных камней и металлов.
В отдельную группу выделяют процессы «вторичной переработки» пород различного происхождения под воздействием высокого давления и температуры на глубине. Обыкновенные известняки превращаются в прекрасные прочные мраморы; глины - в кристаллические сланцы с гранатом и кианитом. С этими явлениями связано возникновение горного хрусталя, цитрина, родонита, яшмы.
Говоря о жизни подземного царства, нельзя не упомянуть о преобразовании горных пород, которое происходит с существенным изменением химического и минерального состава исходного вещества. Такие превращения - результат реакций между минералами, находящимися в твёрдом состоянии, и растворами. Иногда этот процесс захватывает массивы объёмом до нескольких кубических километров. В итоге появляются месторождения чароита, хризолита, хромдиопсида, нефрита и жадеита.
Известно, что камни образуются даже в живых организмах. Некоторые морские и речные моллюски растят в себе чудесные жемчужины, кораллы; янтарь не что иное, как застывшая смола ископаемых деревьев, а гагат - чёрный ископаемый уголь растительного происхождения.
4. Диагностические свойства минералов
Каждый минерал имеет набор характеристик, который отличает его от других минералов и помогает в его диагностике. Важное значение при определении минералов имеют их физические характеристики, такие как, плотность; механические свойства: твёрдость, спайность, поверхность скола, прочность; оптические свойства: цвет, блеск, прозрачность, показатель преломления, а также – люминесценция, теплопроводность, магнетизм и химические свойства.
Твердость — это сопротивление твердого тела царапающему действию другого тела, т. е., если испытуемый минерал мягче, чем тот предмет или минерал, которым вы царапаете по его поверхности, то на нем остается след-царапина.
Для определения твердости минералов обычно используется шкала твердости Мооса. Она представлена такими специально подобранными минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие. В шкалу входят следующие минералы:
1. Тальк | 6. Ортоклаз |
2. Гипс | 7. Кварц или горный хрусталь |
3. Кальцит | 8. Топаз |
4. Флюорит | 9. Корунд |
5. Апатит | 10. Алмаз |
Порядковый номер минерала этой шкалы принят за его относительную твердость. Так, твердость кальцита равна трем, кварца - семи и т. д. Твердость минерала определяется следующим образом.
В самом начале минералом проводят по стеклу (стекло нельзя держать в руке!). Если на стекле остается царапина, то твердость минерала больше 5, если минерал скользит по стеклу, то твердость его меньше 5. После этого следует уточнить твердость по шкале Мооса. В первом случае, из шкалы берут эталонный минерал с твердостью 6 (полевой шпат), выбирают на определяемом минерале ровную поверхность и чертят по нему эталоном. Если на минерале остается царапина, то твердость искомого минерала меньше 6. Далее пробуют царапать минералом с твердостью 5 (апатит) и, если не остается царапины, то твердость минерала между 5 и 6, т. е. 5,5.
Во втором случае, начинают уточнение твердости искомого минерала эталоном из шкалы Мооса с твердостью 4 (флюорит). Этим минералом чертят по искомому минералу, на нем может остаться след-черта, которая стирается пальцем, это будет значить, что у искомого минерала твердость больше 4, но меньше 5, т. е. 4,5.
Мы с вами по твердости все минералы будем делить на 7 групп.
I — на минералах этой группы ноготь (твердость ногтя по шкале Мооса 2) оставляет царапину — это минералы с твердостью от 1 до 2 по шкале Мооса: тальк, графит, гипс. Если минерал пишет на бумаге, не царапая ее, то его твердость равна 1.
II — на минералах этой группы (минералы с твердостью больше 2 до 3 включительно) ноготь не оставляет царапины, но кончик стального ножа легко, без заметного усилия, чертит по нему: кальцит, медный колчедан (халькопирит).
III — на минералах этой группы для получения царапины кончиком ножа нужно применить небольшое усилие. К минералам этой группы относятся минералы с твердостью более 3 до 4 включительно.
IV — на минералах этой группы (минералы с твердостью более 4 до 5 включительно) кончик ножа оставляет царапины только при значительном усилии.
V — на минералах этой группы (минералы с твердостью более 5 до 6 включительно) кончик ножа оставляет царапины только при крайнем усилии (твердость минерала 5,5). Минералы с твердостью 6 и более сами оставляют царапины на ноже.
VI — к этой группе относятся минералы с твердостью выше 6 до 7 включительно.
VII — к этой группе относятся минералы с твердостью выше 7. Минералов этой группы немного: гранаты, топаз, берилл, турмалин, корунд.
При определении твердости необходимо помнить, что твердость некоторых минералов в зависимости от кристаллографического направления может быть различной. Например, у дистена твердость на плоскости спайности вдоль длинной оси кристалла составляет 4, а поперек на той же плоскости - 6; у кальцита твердость на гранях ромбоэдров по спайности 3, а на гранях призмы около 4.
Очень твердые минералы встречаются только в группе с неметаллическим блеском.
Блеск у минералов существует благодаря отражению лучей света от его поверхности. По блеску мы все минералы будем делить на две большие группы: минералы с металлическим блеском и минералы с неметаллическим блеском. Практически к первым относятся минералы, дающие черную черту и непрозрачные даже в тонких осколках: уголь, графит, магнетит. Исключением здесь стоят минералы с металлическим блеском, но цветной чертой. Это золото с зеленоватой чертой, серебро с серебряно-белой чертой, медь с медно-красной чертой, халькопирит с зеленоватой чертой, блеклые руды с темно-бурой чертой.
Металлический блеск напоминает блеск свежего излома металлов. Он хорошо виден на свежей (неокисленной) поверхности образца. Минералы с таким блеском непрозрачны, как и большинство, нам хорошо известных металлов (железо, алюминий, медь, золото и др.) и более тяжелы по сравнению с минералами, имеющими неметаллический блеск.
Металлический блеск характерен для минералов, являющихся рудами различных металлов: медный колчедан (халькопирит), свинцовый блеск (галенит).
Неметаллический блеск может быть различным:
Стеклянный, напоминающий блеск поверхности стекла: каменная соль, горный хрусталь и др. Алмазный - искрящийся, напоминает стеклянный, но более сильный: алмаз, цинковая обманка (сфалерит) и др. Перламутровый - подобен блеску перламутра, т. к. поверхность минерала отливает радужными цветами: кальцит, слюда и др. Шелковистый - мерцающий блеск. Характерен только для минералов, имеющих волокнистое или игольчатое строение: асбест, селенит и др. Жирный. Поверхность минерала как будто смазана жиром. Иногда сам минерал жирен на ощупь: тальк. Восковой - подобен жирному, но более слабый: халцедон. Металловидный или полуметаллический, когда минерал имеет блеск металла, но черта и порошок цветные.Цвет - постоянный признак лишь для немногих минералов: так малахит всегда зеленый; золото — золотисто-желтое и т. д., а для большинства минералов этот признак непостоянен. Чтобы определить цвет минерала, необходимо получить свежий скол его.
Цвет черты (цвет порошка минерала) у некоторых минералов не отличается от цвета самого минерала, но встречаются и такие минералы, цвет порошка, которых резко отличается от их собственного цвета. Например, кальцит бывает белый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый, бурый, черный, а порошок его всегда белый.
Порошок минерала, т. е. его черту, можно получить на шероховатом, не покрытом глазурью фарфоре, так называемом бисквите. Для этого необходимо по поверхности бисквита провести определяемым минералом и полученную черту слегка размазать пальцем. Здесь необходимо помнить, что твердые и очень твердые минералы черты не дают, т. к. они царапают бисквит. Для получения цвета порошка минерала можно соскоблить часть его ножом на белую бумагу и растереть.
Спайность - это способность минерала расщепляться или раскалываться в определенном направлении, давая при этом гладкие блестящие поверхности.
Свойство спайности открыл в 1669 г. профессор Копенгагенского университета Эразм Бартолин. Он опубликовал результаты своих работ (о законах спайности и двупреломления света, проходящего через кристаллы минерала, привезенного из Исландии, получившего впоследствии название «исландский шпат» - бесцветная разновидность кальцита) в Лейпциге, Копенгагене и Лондоне и разослал образцы минерала отдельным ученым и академиям. артолина были встречены с полным недоверием. Английское Королевское общество даже назначило для проверки специальную комиссию из видных ученых: Ньютона, Бойля, Гука и других. Эта авторитетная комиссия признала открытые Бартолином явления случайными, а законы несуществующими. артолин был лишь спустя столетие после смерти.
Мы с вами будем различать пять градаций спайности у минералов.
Спайность весьма совершенная - минерал легко расщепляется на тонкие пластинки: слюда, гипс, тальк.
Спайность совершенная - при любом ударе молотком минерал раскалывается на обломки, ограниченные плоскостями спайности: кальцит, галит, флюорит, барит, галенит, большинство полевых шпатов.
Спайность средняя или ясная - при раскалывании минерала получаются обломки, ограниченные как плоскостями спайности, так и неровными поверхностями по случайным направлениям: ортоклаз, авгит.
Спайность несовершенная - обнаруживается с трудом: оливин, апатит, берилл.
Спайность весьма несовершенная, - т. е. практически отсутствует: кварц, пирит, магнетит.
Некоторые минералы обнаруживают спайность нескольких направлений, что часто является для них главным диагностическим признаком. Спайность двух направлений имеют полевые шпаты, барит, трех — кальцит, доломит, галит.
Излом. Изломом называют поверхность раскола, прошедшую в минерале не по спайности. Различают следующие типы изломов:
Ровный - поверхность его ровная, но не зеркально ровная как при спайности.
Ступенчатый - наблюдается у кристаллов с более или менее совершенной и ясной спайностью: полевые шпаты.
Неровный - например, у апатита и других минералов с несовершенной спайностью.
Занозистый - у минералов волокнистого сложения; напоминает излом древесины поперек волокнистости: гипс, золото.
Раковистый - формой поверхности напоминает раковину: кварц, опал, халцедон и др.
Для многих минералов отличительным или диагностическим признаком является магнитность. Для определения магнитности используется стрелка компаса или намагниченный перочинный нож. Испытания на магнитность производятся следующим образом. К маленькому кусочку (порошку) испытуемого минерала прикасаются намагниченным перочинным ножом или магнитной подковкой и, если частички минерала притягиваются (прилипают) к магниту, то этот минерал обладает магнитностью. При использовании компаса, последний кладут на ровную поверхность, ждут пока успокоится стрелка, и подносят к кончику стрелки минерал, не касаясь компаса. Если стрелка компаса смещается, то минерал магнитен.
Некоторые минералы, имеющие в своем составе углекислые соли, под действием соляной кислоты (10 % раствор) выделяют углекислый газ в виде пузырьков или, как говорят «вскипают». К таким «вскипающим» минералам относятся кальцит, малахит, из горных пород - мел, известняк, мрамор.
минералы хорошо растворяются в воде. Эта способность минералов определяется на вкус, например, каменная соль (галит) - соленый вкус, калийные соли (сильвин, карналлит) - горько-соленый вкус и др.
Если необходимо исследовать минерал на горение или плавкость, следует отколоть от него маленький кусочек и внести его пинцетом в пламя свечи, спиртовки или газовой горелки. Некоторые минералы (сера) загораются даже в пламени спички.
