Основы учения о минералах

Минералы – это природные химические соединения или самородные элементы, возникающие в результате разнообразных физико-химических процессов, протекающих в земной коре и на ее поверхности.

Изучением минералов занимается отрасль геологии – минералогия.

В настоящее время в природе известно более 2500 минералов. Существенную роль в сложении горных пород играют лишь несколько десятков минералов, которые называются породообразующими.

В земной коре породообразующие минералы распределяются следующим образом (данные А.Е. Ферсмана):

Минералы	Содержание, %	Минералы	Содержание, %
Полевые шпаты	55,0	Вода в свободном и поглощенном состоянии	8,25
Пироксены и амфиболы	15,0	Слюды	3,0
Кварц и его разновидности	12,0	Окислы и гидроокислы	3,0
Глинистые минералы	1,5	Фосфаты	0,75
Кальцит	1,5

По условиям образования минералы разделяют на первичные и вторичные:

- первичные минералы образовались одновременно с породой в основном в глубоких слоях земной коры и сохранились в ней почти в неизмененном состоянии;

- вторичные минералы образовались позже первичных и часто за счет них, на земной поверхности или вблизи нее. Своим появлением они обязаны процессам, которые происходили после образования породы.

Минералы входят в состав всех горных пород, рудных и нерудных полезных ископаемых.

• Кристаллическое и аморфное строение вещества

В природе твердые минералы встречаются либо в виде кристаллов с более или менее хорошо выраженной формой многогранников, либо в виде неправильных по форме зерен или сплошных масс, имеющих как кристаллическое, так и аморфное строение.

Для большинства минералов, слагающих земную кору, характерно кристаллическое строение (Кристаллические решетки могут быть: атомными, ионными, молекулярными). На долю аморфных минералов приходится всего лишь около 2% их общего количества.

Различия во внутреннем строении кристаллических и аморфных тел обусловливают различия в их свойствах.

 Для кристаллического состояния вещества характерна анизотропность: свойства кристаллического тела остаются неизменными в любых параллельных направлениях и могут изменяться лишь в непараллельных.

 Физические свойства аморфных тел остаются неизменными во всех направлениях. Тела, свойства которых не меняются в зависимости от направлений, называют изотропными.

• Физические свойства минералов

К главнейшим физическим свойствам минералов относят их морфологические, оптические, магнитные особенности, форму кристаллов, цвет, прозрачность, блеск, твердость, спайность, излом, плотность, радиоактивность и т.д.

Форма кристаллов. Минералы в условиях природы образуют тела неправильной формы. Широко распространены следующие формы минералов в виде одиночных кристаллов: игольчатые, волокнистые (асбест), плоские, листовые, чешуйчатые (слюда). Одиночные кристаллы встречаются реже чем срастания минералов в виде агрегатов:

- друзы – группы кристаллов, наросших на какой-либо поверхности в виде щетки;

- шаровидные образования;

- древовидные, перистые или вязанные формы;

- землистые агрегаты в виде рыхлых масс.

Окраска минералов. Минералы имеют разнообразную окраску. Для некоторых из них она является решающим диагностическим признаком (малахит, рубин). В одних случаях окраска обусловлена веществом минерала, а в других - включением твердых или газообразных частиц. Для отдельных минералов (опал) характерна ложная окраска, возникающая в результате интерференции световых лучей при отражении от их внутренних плоскостей.

Прозрачность минералов. Это – способность пропускать или поглощать световой луч.

Различают минералы:

- прозрачные (кварц, кальцит);

- полупрозрачные (изумруд, хальцедон);

- непрозрачные (графит, магнетит).

Блеск минералов. Это способность их поверхности отражать свет. Блеск не зависит от окраски минерала и может быть разнообразным.

Различают минералы:

- с металлическим блеском (графит);

- с неметаллическим блеском: стеклянный (силикаты), жирный (тальк), перламутровый (кальцит), алмазный (алмаз), шелковистый (асбест).

Твердость минералов. Под твердостью понимают степень сопротивления минерала царапанию острием другого минерала. Это свойство отражает строение кристаллической решетки минерала и характер соединения ее элементарных частиц. Чем сильнее связь между этими частицами, тем больше твердость минерала.

Анизотропные минералы в различных направлениях имеют разную твердость, изотропные – во всех направлениях одинаковую.

Для оценки твердости существует шкала Мооса, представленная 10 минералами – эталонами (табл.). Как правило, более твердые минералы будут оставлять царапины на менее твердых.

Эталонные элементы	Твердость	Эталонные лементы	Твердость
Тальк	1	Кварц	6
Гипс	2	Ортоклаз	7
Кальцит	3	Топаз	8
Флюорит	4	Корунд	9
Апатит	5	Алмаз	10

Для практике твердость приближенно определяют с помощью царапанья минералов ногтем (твердость 2), стальным ножом (твердость 5), стеклом (твердость 5,5).

Точно твердость минералов определяют прибором – склерометром.

Твердость большинства минералов колеблется в пределах 2-6.

Спайность минералов. Это способность минералов раскалываться по определенным направлениям (плоскостям).

Различают минералы:

- с весьма совершенной спайностью, которые легко расщепляются ногтем на тончайшие листочки (слюда);

- с совершенной спайностью, которые под действием легких ударов распадаются на осколки правильной, ограненной формы (кальцит, каменная соль);

- со средней спайностью – на осколки, ограниченные приблизительно в одинаковой степени как плоскостями спайности, так и неправильными поверхностями излома (роговая обманка) – видны плоскости спайности;

- с несовершенной спайностью, у которых плоскости спайности либо не видны, либо совершенно отсутствуют, поэтому образующиеся при раскалывании их обломки имеют неправильные формы (кварц, апатит);

- с весьма несовершенной спайностью (аналогично) – спайность совершенно отсутствует, образуются осколки неправильной формы.

Излом минералов. Характеризует поверхность разрыва и раскалывания минералов не по плоскостям спайности, а по случайным направлениям.

Плотность минералов. Колеблется в широком диапазоне – 0,9-23 г/см³.

• Процессы образования минералов

Генезис минералов – происхождение и условия образования минералов в земной коре.

Каждый тип минералов может существовать в природе лишь при определенных термодинамических условиях. При изменении этих условий минералы либо разрушаются, либо перекристаллизовываются. Условия, в которых они образуются в природе, отличаются большим разнообразием и сложностью. Все процессы минералообразования по главным источникам энергии можно разделить на три группы:

- эндогенные;

- экзогенные;

- метаморфогенные.

Эндогенный генезис минералов. Эндогенные процессы образования минералов обусловлены внутренними силами Земли.

Магматический генезис минералообразования. По мере понижения температуры и остывания магмы в глубоких сферах Земли происходит расщепление, или дифференциация, магматического расплава с последующей его кристаллизацией и затвердеванием (многие минералы класса силикатов, а также рудные (хромиты, платиноиды)). Условия магматического генезиса – высокие температуры (700-1200 ⁰С) и давления (десятки и сотни МПа).

Пегматитовый генезис минералообразования. В процессе постепенного остывания и раскристаллизации магматического расплава содержащиеся в нем газовые компоненты (пары воды, углекислота и т.д.) с остатками жидкой магмы проникают в трещины, появившиеся в результате остывания расплава, и застывают. При раскристаллизации этих застывших остаточных продуктов магматического расплава образуется около 300 минералов (в том числе кварц, полевой шпат, слюда, драгоценные камни).

Пневматолитовый генезис минералообразования. По мере дальнейшего охлаждения и застывания магмы количество летучих веществ в ней становится избыточным, они уже не могут оставаться в гомогенном растворе-расплаве. Начинается их выделение. Летучие вещества реагируют между собой и с возникшими ранее минералами.

Гидротермальный генезис минералообразования. При охлаждении газовой фазы летучих веществ ниже критической температуры воды, т.е. 374 ⁰С, водяные пары конденсируются, образуется раствор горячей воды, насыщенной различными компонентами. Этот раствор проникает в трещины и оказывается в условиях низких температур и давления. Из него выпадают минералы (полиминеральные жилы, содержащие кварц, кальцит, самородные элементы и др).

Эксгаляционный генезис минералообразования. При остывании излившейся на поверхность земли магмы часть газообразных компонентов (HF, HCl, P), входящих в ее состав, улетучивается. Эти улетучившиеся компоненты, попадая в низкотемпературные условия, кристаллизуются – переходят из газообразного состояния в твердое (самородная сера, минералы бора и т.д.).

Минералы эндогенного генезиса – типичные первичные почвообразующие, они входят в состав различных магматических горных пород.

Экзогенный генезис минералов. Экзогенные процессы минералообразования происходят вблизи или на поверхности Земли.

Под действием многочисленных факторов (кислорода, углекислоты, воды, живых организмов, температуры и др.) первичные минералы претерпевают глубокие химические и физико-химические изменения, из них образуются новые, более устойчивые в условиях земной поверхности минеральные виды и их ассоциации. Разрушение и возникновение новых минеральных видов называют процессом выветривания.

Примеры:

- гипс и карналлит зарождаются в результате выпадения и осаждения минеральных солей на дне морей, озер и мелководных лагун в периоды интенсивного испарения воды или изменения ее температуры, когда вода становится пересыщенной солями;

- многие минералы возникают в процессе жизнедеятельности животных и растительных организмов – это биогенный процесс минералообразования. (Моллюски в своих раковинах создают жемчуг – углекислый кальций с примесью органического материала).

Минералы экзогенного генезиса – типичные вторичные почвообразующие, они входят в состав разнообразных осадочных горных пород.

Метаморфогенный генезис минералов. Это сложный процесс преобразования эндогенных и экзогенных минералов, обусловленный в основном изменением термодинамических условий их зарождения.

В зависимости от изменения основных факторов метаморфизма – давления и температуры – различают прогрессивный и регрессивный метаморфизм.

При прогрессивном метаморфизме минералы и горные породы преобразуются в условиях последовательно увеличивающихся давлений и температур. В условиях повышенных давлений и температур, под влиянием водных растворов и газов претерпевает изменения как внешний облик, так и внутреннее строение эндогенных и экзогенных минералов.

Пример:

Для глубоких зон метаморфизма характерны дегидратация, деоксидация и декарбонатизация минералов, возникших в приповерхностных условиях. Так, опал, теряя воду, превращается в условиях повышенного давления и температуры в халцедон, халцедон – в кварц.

В условиях высокого давления и температуры в зоне метаморфизма вещество материи уплотняется, из него зарождаются минералы с относительно плотной кристаллической решеткой и большой плотностью.

При регрессивном метаморфизме минералы и горные породы преобразуются в условиях последовательного уменьшения давлений и температур. Образовавшиеся в глубоких сферах минералы и горные породы в результате медленного поднятия какого-либо участка земной коры оказываются с течением времени в условиях низких давлений и температур. Это приводит к возникновению устойчивых к таким условиям минералов и минеральных ассоциаций.

Минералы метаморфогенного генезиса могут сформироваться как на больших глубинах, так и вблизи земной поверхности. В зависимости от условий образования они могут быть первичными и вторичными.

• Классификация минералов

В основу современных классификаций минералов положен главным образом кристаллохимический принцип, т.е. их кристаллическое строение и химический состав. Все минералы подразделяют на несколько классов, из которых главнейшими являются:

1. силикаты

2. окислы и гидроокислы

3. карбонаты

4. фосфаты

5. сульфаты

6. галоиды

7. нитраты

8. сульфиды

9. самородные элементы.