Общие сведения о минералах

Минералы — это природные химические соединения или отдельные самородные химические элементы, возникшие в результате определенных физико-химических процессов, которые происходят в земной коре или на ее поверхности.

Классификации

В зависимости от агрегатного состояния, минералы подразделяются на твердые (кварц), жидкие (ртуть), газообразные (метан). Большинство минералов представляют собой кристаллические тела и лишь незначительная часть находится в аморфном состоянии (от греч. «аморфос» — бесформенный). Кристаллическое состояние минералов выражено в их геометрически правильной многогранной форме — кристаллах. Кристаллическая форма обусловлена строением кристаллической решетки, которая зависит от химического состава и расположения атомов химического элемента. Формы природных кристаллов весьма разнообразны.

На рис. 1.1. приведены кристаллы четырех хорошо известных минералов. Это кубической формы кристаллы галита (поваренной соли), шестигранные призмы, увенчанные пирамидамикристаллы горного хрусталя, восьмигранники или октаэдры магнитного железняка, или магнетита, и двенадцатигранники граната.

Рис. 1.1 Различная форма кристаллов: а — галит; б — горный хрусталь (кварц); в — магнетит; г — гранат [ 8 ]

Форма кристаллов обусловлена закономерным упорядоченным расположением в пространстве элементарных частиц — ионов атомов и молекул, которые образуют структуру кристалла или их кристаллическую (пространственную) решетку. В зависимости от пространственного расположения элементарных частиц, составляющих кристаллическую решетку, все многообразие форм кристаллов можно свести к нескольким группам симметрий, или сингоний. Выделяют семь сингоний: моноклинную, триклинную, ромбическую, тригональную, тетрагональную, гексагональную, кубическую.

Из одного и того же химического соединения или химического элемента в различных условиях могут образоваться разной формы кристаллы. Так, кварц при высокой температуре кристаллизуется в гексагональной сингонии, а при более низкой — в тригональной. Кристаллизация в разных условиях приводит не только к появлению кристаллического разнообразия, но и к приобретению минералом совершенно разных свойств. Например, графит и алмаз состоят из чистого углерода. Но графит — это самый мягкий минерал (твердость 1), образует таблитчатой формы кристаллы гексагональной сингонии, а алмаз самый твердый в природе минерал (твердость 10), относится к кубической сингонии. Данные различия вызваны разным расположением атомов. Это хорошо видно при сравнении кристаллических решеток алмаза и графита (рис. 1.2.).

Рис. 1.2. Кристаллические решетки алмаза (слева) и графита (справа) (А). Форма решеток определяет свойства минералов (Б). Ионы хлора и натрия в кристалле каменной соли [ 3 ]

Способность одинаковых по составу твердых веществ кристаллизоваться в разных модификациях называется полиморфизмом.

Кристаллическим минералам свойственна анизотропность — физические свойства в них отличаются по разным направлениям в кристалле. Наоборот, аморфным минералам характерна изотропность — сохранение физических характеристик, независимо от направления.

По занимаемому в составе горных пород объему минералы делятся на породообразующие и акцессорные. Породообразующими (их около 50) являются минералы, играющие первостепенную роль в составе горных пород. Акцессорные минералы встречаются в виде незначительных примесей (не более 5% от объема породы) и их наличие не влияет на название породы. Кроме того, выделяют обширную группу рудообразующих минералов, использующихся человеком для производства металлов.

По происхождению минералы делятся на типы, которые объединяются в две группы: эндогенные — возникают в глуби земной коры благодаря процессам магматизма и метаморфизма, а также экзогенные — образующиеся в верхней части земной коры в результате выветривания и осаждения из водных растворов.

Процессы минералообразования могут сопровождаться метасоматозом — замещением одних минералов другими при изменении физико-химических условий. Например, переходом пирита (FeS₂) в лимонит (Fe₂O₃ x nH ₂O) в результате окисления. Кроме того, возможно образование одного и того же минерала в разных условиях. Наконец, каждому типу минералообразования характерны свои, строго закономерные сочетания минералов, что ведет к образованию минералов-спутников. Такое явление получило название парагенезиса.

По химическому составу минералы объединяются в классы, подразделяемые на подклассы и, далее, группы. Наибольшее распространение в земной коре получили восемь классов минералов.

• 1. Самородные минералы состоят только из одного химического элемента. Объединяют около 45 минералов самого разного происхождения, составляющих менее 0,1% массы земной коры. Большинство имеет огромное хозяйственное значение (алмаз, графит, сера, золото, медь и др.).
• 2. Сульфиды — сернистые соединения тяжелых металлов. Класс насчитывается около 250 минералов, составляющих 0,15% массы земной коры. Ценность сульфидов в том, что они являются рудами на цветные металлы, причем зачастую им сопутствует золото. Наибольшим распространением пользуются пирит (железный колчедан) FeS₂, халькопирит (медный колчедан) CuFeS₂, галенит (свинцовый блеск) PbS, сфалерит (цинковая обманка) ZnS, киноварь HgS и др.
• 3. Галогениды — (галоидные соединения) являются солями галоидоводородных кислот. Насчитывается около 100 представителей. Чаще всего встречаются соединения хлористые и фтористые, такие, как применяемые в химической промышленности галит NaCl (каменная соль), сильвин KCl (калийная соль). В оптике используется флюорит CaF₂.
• 4. Фосфаты образованы разного происхождения солями фосфорной кислоты. Класс насчитывает около 200 минералов, составляющих около 0,7% массы земной коры. Чаще всего применяются для производства фосфорных удобрений магматического происхождения апатит Ca₅ (F, Cl) PO₄₃ и близкий к нему по составу, но гипергенного происхождения фосфорит (фосфат кальция).
• 5. Сульфаты представляют собой соли серной кислоты. Сульфатам принадлежит большое породообразующее значение, они слагают около 0,1% массы земной коры. В земной коре широко распространены гипс CaSO₄ x 2H₂O, ангидрит CaSO₄, мирабилит (глауберова соль) Na₂SO₄ x 10H₂O.
• 6. Карбонаты являются солями угольной кислоты, насчитывают около 80 представителей. Карбонаты составляют до 2% массы земной коры. Наиболее распространены такие представители, как кальцит CaCO₃, магнезит MgCO₃, доломит CaMg (CO₃)₂, сидерит FeCO₃.
• 7. Окислы и гидроокислы составляют до 17% массы земной коры. Представители этого класса объединяют минералы разного происхождения и подразделяются, соответственно названию, на два подкласса: окислов, отличающихся высокой и средней твердостью, и гидроокислов, обладающих низкой твердостью. С другой стороны, названный класс можно разделить на окислы и гидроокислы кремния и окислы и гидроокислы металлов. Окислы и гидроокислы кремния обладают исключительно важным породообразующим значением: только на долю кварца SiO₂ приходится до 12% массы земной коры. Скрытокристаллические модификации кварца представлены разноокрашенными халцедонами. Среди водных окислов кремния необходимо назвать опал SiO₂ x nH₂O. Окислы и гидроокислы металлов обладают важнейшим рудообразующим значением. Наибольшее значение принадлежит таким минералам, как магнетит Fe₃O₄, гематит Fe₂O₃, лимонит Fe₂O₃ x nH₂O, корунд Al₂O, боксит Al₂O x nH₂O8.
• 8. Силикаты и алюмосиликаты объединяют около 800 минералов, многим из которых принадлежит огромное породообразующее значение, ведь представители этого класса составляют до 80% массы земной коры. Если же к числу силикатов относить и кварц, являющийся типичным силикатом по строению кристаллической решетки (но не по химическому составу), то доля превысит 90%. Основу кристаллической решетки в минералах составляет кремний — кислородный тетраэдр (рис. 1.3.).

Эти кремнекислородные тетраэдры [SiO4]4- представляют собой те элементарные структуры, из которых построены все силикаты (рис. 1.4). Именно за их счет и происходит присоединение ионов Al, Fe, Mg, K, Ca, Na и других. В зависимости от сочетаний этих тетраэдров, все силикаты разделяются на большое количество групп (табл.1.1):

Рис. 1.3 Строение кремнекислородного тетраэдра: а — единичный; б — соединенные в цепочку

• — Островные силикаты сложены изолированными тетраэдрами. Самый распространенный представитель оливин (MgFe)₂SiO₄, гранаты (Mg, Fe, Cа, Mn)3(Аl, Fe, Cr)2 [SiO4]3.
• — Цепочечные силикаты объединяют минералы группы пироксенов, в которых тетраэдры соединены в непрерывные цепочки. Наиболее распространен породообразующий алюмосиликат авгит (Ca, Na) (Mg, Fe²⁺, Al, Fe³⁺) (Si, Al)₂O₆.
• — Кольцевые силикаты обладают соединенными в замкнутые кольца тетраэдрами. Представитель — берилл Be₃Al₂Si₆O₁₈.
• — Ленточные силикаты содержат соединенные в обособленные ленты тетраэдры. Здесь выделяется группа амфиболов — минералов с непостоянным химическим составом, среди которых наиболее распространен породообразующий минерал роговая обманка.
• — Листовые (слоевые) силикаты представлены минералами, в которых тетраэдры объединены в ленты, образующие единый непрерывный слой. Наибольшим распространением среди них пользуются такие породообразующие минералы, как слюды: бесцветный мусковит KAl₂ (OH)₂ AlSi₃O₁₀ и его мелкочешуйчатая разновидность серицит, черный биотит K (Mg, Fe)₃ (OH, F)₂ AlSi₃O₁₀. Кроме них часто встречаются метаморфического происхождения серпентин (змеевик) Mg₆(OH)₈ Si₄O₁₀, тальк Mg₃(OH)₂ Si₄O₁₀ и непостоянного состава хлориты.
• — Каркасные силикаты представлены группами полевых шпатов и нефелина. Важнейшей из них является группа полевых шпатов, доля которых в массе земной коре достигает 50%. Каркас полевых шпатов создан тетраэдрами, сцепленными всеми четырьмя вершинами.

Группа подразделяется на калиево-натриевые и кальциево-натриевые полевые шпаты. Первые представлены ортоклазом KAlSi₃O₈. Вторые — разновидностями плагиоклазов, в которых наблюдается последовательное уменьшение содержания SiO₂.

В соответствии с этим плагиоклазы включают ряд минералов: от натриевого (кислого по составу) альбита NaAlSi₃O₈ — его сокращенная запись Ab, до кальциевого (основного) анортита CaAlSi₃O₈ — его сокращенная запись An.

Промежуточное расположение занимает кальциево-натриевый (средний по составу) лабрадор Ab₅₀ An₅₀ — иризирующий плагиоклаз.

Таблица 1.1 Силикатные минералы.

По формам нахождения минералы делятся на друзы, представляющие собой скопления кристаллов, приросших к стенкам пещер или к трещинам.

Секрециирезультат постепенного заполнения ограниченных пустот минеральным веществом, которое отлагается на их стенках. Они имеют концентрическое строение, которое отражает стадийность роста. Мелкие секреции называют миндалинами, а крупныежеодами.

Конкрецииболее или менее округлые образования, возникшие путем осаждения минерального вещества вокруг какого-либо центра кристаллизации. С этим часто связано концентрическое или радиально-лучистое строение конкреций. Мелкие округлые образования концентрического строения называют оолитами, а более крупныепизолитами. Их возникновение связано с выпадением минерального вещества в подвижной водной среде.

Натечные образования, осложняющие поверхности пустот, возникают при кристаллизации минерального вещества из просачивающихся подземных вод. Натеки, свисающие со сводов пустот, называются сталактитами, растущие вверх со дна пещер, — сталагмитами (рис. 1.5).На поверхности трещин могут развиваться плоские минеральные пленки, имеющие разное строение. В том случае, если на поверхности возникают выделения мелких кристаллов, в миниатюре напоминающие друзы, их называют щетками.

Рис. 1.5 Натечные формы карбоната кальция в пещерах: а — начало роста сталагмитов; б — сталактиты; в — сталагмиты [ 4 ]

В природе довольно часто встречаются минералы, имеющие не свойственную их составу форму. Это так называемые псевдоморфозы (от греч. «псевдо"-ложный). Они возникают при физико-химических изменениях ранее существовавших минералов или образуются в пустотах, ранее заполненных другими минералами.