Книга: Определитель минералов

ВВЕДЕНИЕ В МИНЕРАЛОГИЮ

ВВЕДЕНИЕ В МИНЕРАЛОГИЮ

Минералогия относится к числу наук, занимающихся изучением вещества земной коры; это одна из отраслей геологических наук. Слово «минерал» происходит от латинского minera, что означает вести горные разработки, заниматься горным делом, т. е. рыть канавы или закладывать шахты для добычи минералов и горных пород, которые в той или иной степени практически использовались прежде и в гораздо большем объеме находят применение в настоящее время. Ныне под минералами понимают (за немногими исключениями) кристаллические компоненты твердой земной коры, имеющие однородный состав. В настоящее время известно около 2000 минеральных видов, установленных с научной достоверностью. Однако в своем большинстве они встречаются редко, и в формировании твердой земной коры принимают существенное участие лишь относительно немногие минералы.

Естественная форма минерала — это кристалл. Лишь некоторые минералы не являются кристаллическими веществами. В физическом смысле они относятся к бесформенным, или аморфным, телам, как, например, опал — гель кремнезема, имеющий химический состав SiO₂xH₂O. Наряду с аморфными минералами существуют также весьма мелкие кристаллические образования, распознаваемые лишь под микроскопом. Они называются скрытокристаллическими (криптокристалличе–скими); примером образования скрытокристаллического вещества может служить переход геля кремнекислоты (опала) вследствие потери воды в минерал халцедон.

Под названием «рудные минералы» понимают минералы, из которых можно получать металлы, например золото, платину, серебро, медь, железо, хром, никель» марганец, цинк, свинец, сурьму, алюминий и др.

Начало образования минералов относится ко времени возникновения твердой земной коры, т. е. 4–5 млрд. лет назад. В процессе охлаждения раскаленного вещества Земли кристаллизовались первые породообразующие минералы. Тонкая вначале земная кора становилась в ходе длительного развития Земли все толще. Ее средняя мощность составляет ныне около 40 км. Неоднородная в химическом и физическом отношении Земля состоит из ряда земных оболочек (сфер), о вещественном (химическом) составе которых мнения ученых до сих пор расходятся.

В самом общем виде принимается, что Земля состоит из трех оболочек, резко различающихся между собой по вещественному составу и физическим свойствам, причем внешняя оболочка, или литосфера, в свою очередь характеризуется дифференцированным многослойным строением. Разграничение оболочек производится на основании результатов геофизических (сейсмических) и геохимических исследований.

Минералообразующие процессы определяются химическим составом земной коры и характером распределения в ней элементов. К области земной коры, состоящей из сиаля (гранитного слоя), сиальмы (переходного слоя) и симы [перидотит–габбрового(базальтового) слоя], относятся атмосфера (газовая оболочка), гидросфера (океаны, свободная вода, снег и лед) и биосфера (органические вещества, а также минеральные вещества панцирей и скелетов животных).

Из 102 химических соединений, составляющих периодическую систему элементов, лишь немногие широкораспространены в земной коре. Как следует из диаграммы рис. 2 (по А. Г. Бетехтину), самыми распространенными элементами являются кислород (О), кремний (Si), алюминий (А 1), железо (Fe), кальций (Са), натрий (Na), калий (К), магний (Mg), водород (Н), титан (Ti), углерод © я хлор (С 1). На долю всех остальных элементов приходится лишь несколько десятых массового процента. Большинство элементов земной коры входит в состав химических соединений. Самородные элементы, например платина, золото, серебро, мышьяк, сера, встречаются редко.

Риc. 1, Зональное строение Земли и физические свойства вещества зон.

1 — плотность и давление; 2 — скорость распространения сейсмических волн (Vt — скорость поперечной волны, V¹ — скорость продольной волны) и температура; 3 — сектор Земли.

Химическое и геохимическое своеобразие земной коры обусловливает предпочтительное образование тех или иных соединений. Частота вхождения химических элементов в состав минералов в целом соответствует их распространенности в земной коре.

Многообразие строения и размеров атомов (атомный радиус, катионный и анионный радиусы при разной валентности элементов) обусловливает многочисленность минеральных видов.

Мир минералов литосферы и атмосферы систематизирован в химическом отношении и расчленен на основании данных о тонкой атомной структуре на более дробные подразделения. В 1965 г. X. Штрунц разделил минералы на кристаллохимической основе на восемь классов.

I класс: элементы (а также природные сплавы, карбиды, нитриды, фосфиды), например серебро, золото, ртуть, мышьяк, сурьма, висмут, графит, алмаз, сера, селен, теллур и др.

II класс: сульфиды (а также селениды, теллуриды, арсениды, антимониды, бисмутиды), например пентландит, сфалерит, халькопирит, галенит, ковеллин, пирит, молибденит, прустит, борнит, реальгар, аурипегмент и др.

ВАЖНЕЙШИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМНОЙ КОРЫ

III класс: галогениды, например галит, сильвин, карналлит, криолит и др.

IV класс: окислы, гидроокислы, например лед, куприт, шпинель, магнетит, хромит, гематит, корунд, кварц, ильменит, вольфрамит 1, гидраргиллит, диаспор, гётит и др. [Вольфрамит чаще описывается вместе с другими вольфрама–тами, т. е. в VI классе.]

V класс: нитраты, карбонаты, бораты, например калиевая селитра, кальцит, магнезит, сидерит, доломит, арагонит, церуссит, азурит, малахит, людвигит, борацит и др.

VI класс: сульфаты (а также теллураты, хроматы, молибдаты, вольфраматы), например ангидрит, гипс, барит, кизерит, полигалит, каинит, крокоит, вульфенит.

VII класс: фосфаты, арсенаты, ванадаты, например монацит, лазулит, вивианит, вавеллит, бирюза, апатит и др.

VIII класс: силикаты, например силикаты с изолированными тетраэдрами [SiO₄]⁴~ (незосиликаты, ортоси–ликаты) — оливин, топаз, дистен, андалузит, силлиманит, ставролит, гранат, аксинит и др.; с изолированными группами [Si2O₇]^e~ (соросиликаты) — эпидот, цоизит; с кольцевыми анионными радикалами (циклосиликаты) — берилл, кордиерит, турмалин и др.; с бесконечными цепочками тетраэдров [SiO₄]⁴~ (шюсиликаты) — пи–роксены, амфиболы, родонит и др.; с бесконечными слоями тетраэдров [SiO₄]⁴~ (филлосиликаты) — тальк, мусковит, биотит, циннвальдит, хлориты, каолинит и др.; с бесконечными трехмерными каркасами тетраэдров [(SiAl)O4] (тектооиликаты) — полевые шпаты, лейцит, анальцим, нефелин, цеолиты и др.

Каждый минерал имеет определенный химический состав, находящий свое выражение в химической формуле. Последняя содержит в виде сокращенных символов названия входящих в состав соединения элементов, таких, как железо (Fe), марганец (Мп), никель (Ni), сера (S), кремний (Si), кислород (О), водород (Н), углерод ©, кальций (Са), натрий (Na), хлор (С 1) и т. д.

Рис. 2. Диаграмма, на которой показано распространение важнейших элементов в земной коре (литосфера–т–гидросфера+ + атмосфера) (в мае. %).

По обеим сторонам диаграммы показано содержание «ажнейших металле* (черные столбики).

Структурная формула отражает строение минерала. Соединение NaCl (каменная соль) состоит из одного атома натрия и одного атома хлора. При этом 23 массовые части натрия связаны с 25 массовыми частями хлора. Пирит, FeS₂, состоит из одного атома железа и двух атомов серы, т. е. в нем 56 массовых частей железа связаны с (32–2) массовыми частями серы.

Вычисление содержаний тех или иных компонентов в минералах часто производится в массовых процентах. Для наглядности приведем простой пример. Минерал сидерит (железный шпат), FeCO₂, имеет следующий состав:

Чтобы в более наглядной форме представить химические взаимоотношения в минералах сложного состава, формулы в минералогии записывают несколько иначе. Калиевый полевой шпат (ортоклаз) имеет, например, химическую (структурную) формулу KAlSi₃O₈; если же выразить состав этого минерала в виде окислов, то его формула примет вид К 2О-Аl₂О 3–6SiO₂. Минерал состоит из