Постійність хімічного складу мінералу

Мінерали у своїй більшості неорганічні хімічні сполуки класів простих елементів, сульфідів та їх аналогів, сульфосолей, оксидів та оксисолей, галоїдів. Довгий час дискутувалась проблема чи можна вважати мінералами природні кристалічні органічні сполуки в геологічних утвореннях. На даний момент вважається, що мінералом може бути як неорганічна, так і органічна сполука із кристалічною структурою, що виникла в ході геологічних процесів. CNMMN визнано ряд органічних мінералів, що за складом відносяться до

• цитратів, ацетатів, оксалатів K,Na,Mg,Ca,Fe,Cu;

• циклічних вуглеводнів: евенкіт, карпатит;

• кисень-містних вуглеводнів: саперит (целюлоза), геліт (C₁₄H₈O₂);

• азот-містних органічних сполук: абелсоніт - нікельмістний порфірин, ґуаніт;

• кремнійорганічних сполук: мелаофлогіт, царегородчевіт.

Постійність хімічного складу мінералу варто розуміти в контексті його кристалічної будови. Кристалічна будова зумовлює певні, переважно цілочисельні співвідношення вузлів кристалічної гратки, або ж, іншими словами, певних кристалохімічних позицій в його структурі. Мінерал характеризується стабільним співвідношенням позицій кристалічної структури (1:2 у кварцу SiO₂, 1:1 у галіту NaCl, 1:1:3 у кальциту CaCO₃). Формула мінералу відображає домінуючі молярні співвідношення елементів. За певних умов одна і та ж позиція може заселятися різним, близькими за хімічними властивостями, елементами (явище ізоморфізму), що зумовлює як широкі коливання (варіації) складу мінералу так і поступові переходи між мінералами різного складу. Для прикладу, мінерал кальцит CaCO₃ може містити домішки Fe, при збільшенні концентрації феруму і зниженні кальцію відбудеться поступовий перехід до сидериту FeCO₃. Тому постійність складу мінералів є доволі умовною; він може змінюватися у певних відомих межах.

Основні особливості хімічного складу мінералу описуються наступними явищами, які детально буде розглянута в подальшому:

• Стехіометричність-нестехіометричність, що визначає характер заповненості кристалохімічних позицій (можна порівняти пірит, галіт, кварц, карбонати, сфалерит)

• Тверді розчини та ізоморфізм, що описують варіації у заповненні кристалохімічних позицій різними атомами.

Об’єкт, що ми звичайно описуємо як мінерал, при досліджені під оптичним або електронним мікроскопом, або ж більш точними методами, може виявитися поліфазовим, вміщувати дуже дрібні включення інших мінералів або ж середовища, в якому він ріс (флюїдні та розплавні включення). Тверді та флюїдні включення в мінералах зумовлюють значні, випадкові чи закономірні відхилення від ідеального складу мінералу.

Мінерал – природна сполука, що має геологічне походження

Необхідною умовою віднесення кристалічної речовини до царства мінералів є її формування і/або стабільність при перебігу певних геологічних процесів (звітрювання, седиментогенезу, літогенезу, метаморфізму, магматизму, гідротермальних процесів).

Для мінералу обов’язкова стабільність в умовах природного його спостереження. Багато мінералів формуються при високих температурах та тисках і в умовах спостереження їх мінералогами є нестійкими або ж метастабільними; інші ж швидко гідратизуються або дегідратизуються при виході порід на поверхню або ж при зміні умов існування (прикладами можуть слугувати гідрати сульфатів заліза та міді, що легко дегідратизуються при зниженні вологості повітря, або ж різноманітні галоїди металів на схилах вулканів, що існують тільки за умови дуже низької вологості повітря).

Часто існування ряду мінералів було прогнозовано за результатами лабораторних експериментів при надвисоких P-T параметрах, що відповідали мантії Землі. Тільки в останні десятиліття вони були діагностовані у вигляді мікроскопічних включеннях в алмазах, олівінах та гранатах винесених із мантії потоками магми і захоронених у продуктах вулканічних вивержень. Зараз вченим вдалося синтезувати кристалічні сполуки, що можуть існувати на границі мантії і земного ядра, але зникнуть при менших температурах і тисках. Саме тому, навряд чи коли не будь ці сполуки перейдуть в ранг мінералів.

Окремо варто розглянути проблему участі живих організмів у мінералоутворенні. Ряд твердих речовин, що беруть участь у процесах осадотворення мають біологічне походження і вивчаються як мінерали тільки в тому випадку, якщо були поховані в осадах і перетерпівши певні трансформації, збереглися у складі гірських порід. Необхідно також пам’ятати про те, що мікроорганізми є важливим фактором перетворення осаду в породу і продукують ряд мінералів (пірит, магнетит, сірка, кальцит і т.п.). Поряд із цим, в організмах ссавців та людини існує ряд твердих речовин, що за структурою та хімічним складом є аналогами мінералів (кальцит, арагоніт, апатит, магнетит, пірит, веделіїт CaC₂O₄ · 2H₂O) і відіграють важливу фізіологічну функцію. Після завершення періоду життєдіяльності організму вони зникають, не попадають у круговерть геологічних процесів, і тому не можуть вважатись мінералами. Часто тверді кристалічні речовини в живих організмах, що мають мінеральні відповідники, називають біомінералами, а галузь науки, що використовує мінералогічні методики і мінералогічний світогляд у їх вивченні - біомінералогією.

Мінералами вважаються також кристалічні сполуки метеоритів, космічного пилу, а також складові порід Місяця та інших планет. Зокрема відомий мінерал транквалітіїт Fe₈(Zr,Y)₂Ti₃Si₃O₂₄ , що спостерігався тільки в породах, відібраних американськими астронавтами місії Apollo із моря Транквілітас на Місяці.

Проблемним є віднесення до мінералів так званих антропогенних речовин. Із одного боку, людина навчилася в промислових масштабах синтезувати набагато більше кристалічних сполук, ніж існує в природі. Синтезовані людиною відповідники мінералів (наприклад, кварцу, корунду, алмазу, берилу, цеолітів) в подальшому будемо називати синтетичними аналогами. Поряд із цим, людина, в ході своєї діяльності, створює нові типи середовищ, які, за поєднанням високих концентрацій хімічних елементів та фізико-хімічних умов, ніколи не виникнуть природнім чином. Існує велика група кристалічних сполук, що виникають при взаємодії продуктів виробничої діяльності людини (терикони вугільних шахт, відвали гірничих підприємств та шлаки металургійних комбінатів) із атмосферою, річковими, озерними та морськими водами. Початково такі сполуки також вважають мінералами. Ряд сполук, що викристалізувалися в антропогенних середовищах, на початках були включені CNMMN до списку мінералів. Так як кількість таких антропогенних сполук–«мінералів» в останні десятиліття лавиноподібно зростала, CNMMN прийняв рішення про те, що тільки ті антропогенні речовини, що були піддані геологічним змінам і залишились стабільними у геологічних випробуваннях, можна вважати мінералами.