Betekhtin

ОБЩАЯ ЧАСТЬ

ВВЕДЕНИЕ

МИНЕРАЛОГИЯ И ПОНЯТИЕ О МИНЕРАЛЕ

Минералогия принадлежит к числу геологических наук. Название этой науки в буквальном смысле означает учение о минералах, которое объемлет все вопросы о минералах, включая и их происхождение. Термин «минерал» происходит от старинного слова «минера» (лат. minera — руда, ископаемое). Это указывает, что его появление связано с развитием горного промысла.

Интуитивно минералы можно определить как составные части гор ных пород и руд, отличающиеся друг от друга по химическому составу и физическим свойствам (цвету, блеску, твердости и т. д.). Например, био титовый гранит как горная порода состоит из трех главных минералов различного состава: светлоокрашенного полевого шпата, серого кварца и черной слюды (биотита). Сплошная руда магнитного железняка сложена почти мономинеральным агрегатом, состоящим из кристаллических зе рен магнетита.

На протяжении всей истории минералогии вопрос об определении содержания понятия «минерал» часто дискутировался, так что круг объек тов этой науки неоднократно менялся и его границы нельзя считать окон чательно установленными.

В настоящее время большинство объектов минералогии отвечает сле дующему определению: минерал — однородное природное твердое тело, находящееся или бывшее в кристаллическом состоянии. Таким образом, определенное понятие минерала отвечает минеральному индивиду — есте ственно ограниченному телу — и охватывает все разнообразие реальных еди ничных объектов минералогии, встречающихся в природе. В число минера лов обычно не включаются высокомолекулярные органические образования типа битумов, не отвечающие в большинстве случаев тре бованиям кристалличности и однородности. Некоторые из солеподоб ных органических соединений тем не менее рассматриваются в числе

минералов, равно как и единичные аморфные образования, традиционно изучавшиеся минералогами, например, опал и аллофан. Газы, жидкости

ивулканические стекла минералами не считаются.

Сгенетической точки зрения минералы представляют собой природ' ные химические соединения и простые вещества, являющиеся естествен ными продуктами различных физико химических процессов, соверша ющихся в земной коре и прилегающих к ней оболочках (включая и продукты жизнедеятельности организмов)1. К минералам относят и космогенные объекты, отвечающие вышеприведенным требованиям од нородности и кристалличности.

Как показывают наблюдения над условиями нахождения минералов в природе, а также экспериментальные исследования, каждый минерал возникает в определенном интервале физико химических условий (дав ления, температуры и концентрации химических компонентов в систе ме). При этом отдельные минералы сохраняются неизменными до тех пор, пока не будут превзойдены пределы их устойчивого состояния при воздействии внешней среды (например, при процессах окисления или восстановления, при падении или повышении температуры или давле ния и др.). Поэтому в историческом ходе развития геохимических про цессов многие минералы подвергаются изменению, разрушению или за мещению другими минералами, устойчивыми во вновь создающихся условиях.

Рассматривая минералы как части природных физико химических систем, можно определить их, в полном соответствии с понятиями хими ческой термодинамики, как природные твердые фазы (в понимании Дж. Гиббса). Необходимо только отметить, что некоторые минералы мо гут существовать в природе и за пределами своих полей устойчивости, сохраняясь в метастабильном состоянии долгое время (например, алмаз).

Весьма значительное количество известных в настоящее время мине ралов имеет важное практическое значение как минеральное сырье (при условии, конечно, если скопления их в определенных участках, называ емых месторождениями полезных ископаемых, обладают промышленным содержанием и запасами, достаточными для обеспечения предприятия по разработке месторождения). Одни минералы (рудные) содержат в сво ем составе те или иные ценные для промышленности металлы (железо, марганец, медь, свинец, цинк, олово, вольфрам, молибден и др.), извлека емые при металлургической обработке руд. Другие минералы (такие как

1 Разнообразнейшие синтетические продукты, т. е. искусственно получаемые в лабо раториях и в заводских условиях химические соединения не могут называться минера лами. Искусственными, или синтетическими, минералами условно называют лишь те искусственные соединения, которые по своему составу и кристаллическому строению отвечают природным.

алмаз, хризотил асбест, кварц, полевые шпаты, слюды, гипс, сода, мираби лит и др.), благодаря их ценным физическим или химическим свойствам, применяются для тех или иных целей в сыром виде (без переработки) или используются для получения необходимых в промышленности синтети ческих соединений, строительных материалов и пр.

Таким образом, минералогия как наука о природных химических соеди' нениях (минералах) изучает во взаимной связи их состав, кристалличе' ское строение, свойства, условия образования и практическое значение. В соответствии с этим и задачи данной науки должны быть тесно связа ны, с одной стороны, с достижениями смежных с нею наук (физики, хи мии, кристаллохимии и др.), а с другой — с запросами практики поиско во разведочного дела.

Главнейшими задачами минералогии в настоящее время являются:

1)всестороннее изучение и более глубокое познание физических и хи' мических свойств минералов во взаимной связи с их химическим со' ставом и кристаллическим строением с целью практического исполь зования их в различных отраслях промышленности и выявления новых видов минерального сырья;

2)изучение закономерностей сочетания минералов и последователь' ности образования минеральных комплексов в рудах и горных породах

с цельювыясненияусловий возникновения минералови истории про цессов минералообразования (генезиса), а также использования этих закономерностей при поисках и разведках различных место

рождений полезных ископаемых.

Минералогические исследования при решении этих задач опирают ся на законы точных наук: физики, химии, кристаллографии, кристал лохимии, коллоидной химии и физической химии. Данные минерало гии, в свою очередь, используются в таких науках, как геохимия, петрография, учение о месторождениях полезных ископаемых, а также в поисково разведочном деле и в ряде технических наук (металлургия, обогащение руд и др.).

Представления о природе минералов, а соответственно, и содержание минералогии складывались исторически и менялись по мере развития знаний в области геологии и естествознания в целом. Рассмотрим глав нейшие события в истории естествознания, повлиявшие на развитие ми нералогии как науки.

16 минеральных видов, главным образом драгоценных камней. Позднее римский натуралист Плиний Старший, погибший в 79 г. при извержении Везувия, написал четыре трактата, в которых собрал все, что было извес тно в то время о минералах, включая и фантастические предания.

В период раннего Cредневековья явный подъем научного творчества происходил в арабских странах Востока, воспринявших древнегреческую и древнеиндийскую культуры. При этом, как выяснилось, огромное влия ние на развитие арабской науки оказали ученые, вышедшие из народов Средней Азии (Узбекистана), находившихся в то время в подчинении у Багдадского халифата. В области минералогии выдающимся естествоис пытателем в начале XI в. был великий ученый, математик и астроном Би' руни (972–1048), уроженец Хорезма (Узбекистан). В своей работе о драгоценных камнях он дает замечательные для своего времени описа ния минералов и, что особенно важно, впервые в истории минералогии при определении минеральных видов применяет такие физические констан ты, как относительную твердость и удельный вес. Другим представителем выдающихся ученых того времени является Авиценна — Ибн Сина (980– 1037), уроженец Бухары. В своем «Трактате о камнях» он дал классифика цию известных в то время минералов, разделив их на четыре класса: 1) кам ни и земли, 2) горючие или сернистые ископаемые; 3) соли и 4) металлы.

Естествознание в Средневековой Европе также находилось под влия нием античных авторов. В так называемых лапидариях (от лат. lapis — камень), представлявших единственную минералогическую литературу того времени, приводились главным образом фантастические описания магических свойств камней.

Таким образом, минералогия как наука за первый, огромный по вре мени этап ее развития, закончившийся в Средние века, находилась еще

вэмбриональном состоянии. Минералами в основном назывались руды. Классификация их была весьма примитивна. Представления о химиче ских элементах, как и о самой химии, еще не существовало. Следователь но, не могло быть и представления о химической природе минералов. Химия появилась лишь в конце Средних веков в виде алхимии, увлече ние которой продолжалось вплоть до XVIII в. Изучением минералов в эту эпоху и занимались в основном алхимики, среди которых необходи мо упомянуть германца Альберта Магнуса (ок. 1193–1280), первооткры вателя мышьяка и автора трактатов «О металлах» и «О ядах».

Начальный период развития минералогии как науки. Примерно со вто рой половины XV в., начиная с эпохи Возрождения, и особенно в XVIII и XIX вв., в условиях бурного роста торгового капитала естествознание вступа ет в фазу мощного развития. Уровень развития ряда наук, особенно математи ки, физики, химии, биологии, геологии, стал резко повышаться. Естествоис пытатели начали накапливать научные факты, изучать закономерности

вявлениях природы и сознательно проводить научные эксперименты.

Уже в XVI в. в европейской литературе появился ряд важных работ по минералогии. Так, итальянец В. Бирингуччио (ум. в 1538) и яхимов ский лекарь Георгий Агрикола (Бауэр) (1490–1555) в Чехословакии неза висимо друг от друга дали весьма содержательные по тому времени свод ки минералогических знаний, накопленных в горной практике при разработке рудных месторождений Саксонии, Чехии (Рудные горы), Италии и других стран Европы.

Отрешившись от алхимии, Агрикола сделал много точных наблюдений в области условий нахождения различных минералов в рудных месторож дениях. В результате своих работ он создал классификацию минералов, которая в общем виде хотя и немногим отличается от приведенной выше классификации Авиценны, но проработана гораздо глубже. Минеральные образования Агрикола делил на горючие ископаемые, земли, соли, драго ценные камни, металлы и минеральные смеси. Важно отметить, что им под робно описаны диагностические признаки минералов: цвет, прозрачность, блеск, вкус, запах, вес, твердость и др. Однако данные химического состава минералов у него еще отсутствуют. В своих работах он касается и вопросов генезиса рудных месторождений. Труды Агриколы оказали большое влия ние на минералогические исследования ряда поколений.

ВXVII в. в Западной Европе основания будущего развития минера логии были заложены при исследовании кристаллов, большая часть из которых была представлена природными минеральными индивидами. Среди ученых, внесших существенный вклад в изучение физических свойств кристаллов и высказывавших нередко гениальные прозрения об их внутреннем строении, можно назвать имена И. Кеплера, Н. Стенона,

И.Ньютона, Р. Гука и Х. Гюйгенса.

Внашей стране явный прогресс в развитии горной промышленности, а вместе с ней и познаний в области полезных ископаемых наметился в период феодальной монархии, главным образом со времени Ивана IV (XVI в.). В этот период потребности в минеральном сырье стали значи тельно возрастать в связи с усилением мощи Московской Руси, особенно после ликвидации угрозы со стороны татарских полчищ за Уралом — в Сибири. Однако резкий перелом в развитии горного дела наступил в пет ровское время, в начале XVIII в. При этом огромную роль сыграли ураль ские минеральные богатства, до тех пор лежавшие втуне. В самом начале 1700 х гг. Петром I на Урал были посланы тульские кузнецы, в том числе братья Демидовы. Их усилиями с помощью местных рудознатцев в ряде мест были открыты месторождения железных и медных руд. Некоторые из них разрабатываются и в настоящее время (рис. 2). На Среднем Урале были созданы десятки железоделательных заводов (Каменский, Невьян ский, Нижне Тагильский и др.). Этим было положено прочное начало горнозаводского дела на Урале, занявшем в дальнейшем ведущее поло жение в нашей промышленности.

Рис. 2. Карьер Нижне Тагильского медного рудника в XIX в.

Начало развития отечественной минералогии связано с именем ге ниального русского ученого М. В. Ломоносова (1711–1765). Этот исклю чительно одаренный и всесторонне образованный человек, сын просто го крестьянина из Архангельской губернии не только стоял несравнимо выше ученых немцев, работавших в Академии, но намного опередил и лучшие умы Европы. Исходя из своей «корпускулярной философии» он высказал теорию строения кристаллического вещества, развил ки нетическую теорию газов, механическую теорию теплоты, в чем почти на 100 лет обогнал своих современников. Как талантливый химик, он применил количественный анализ химических процессов, установил роль воздуха в горении органических веществ и задолго до Лавуазье сформулировал закон сохранения вещества.

Непосредственно вопросами минералогии М. В. Ломоносов занялся во второй половине своей научной деятельности. Еще в 1742 г. он при ступил к изучению минералов и составлению каталога минералогического музея Академии наук. Незадолго перед смертью он предпринял состав ление исключительно важной по замыслу «Общей системы Российской минералогии». В 1761 г. Ломоносов представил в Сенат проект собира ния минералов — «разных песков, разных камней, разных глин, смотря по их цветам» — по всей стране с отправкой их для изучения в Петербург. В 1763 г. им было составлено обращение к содержателям заводов, «дабы для сочинения оной Российской минералогии они постарались прислать разные руды промышленных у себя металлов». К сожалению, неожидан ная смерть не позволила ученому осуществить свою идею.

Будучи пламенным патриотом своей Родины, Ломоносов на русском языке издавал написанные им геологические труды («Слово о рождении металлов от трясения Земли», «О слоях земных» и др.), где даются мно гочисленные практические указания по поискам руд. Следует заметить, что Ломоносов был тесно связан с горнопромышленными предприятия ми, на развитие которых оказал большое влияние.

ВЗападной Европе в это время господствующую роль играла Шве ция с ее широко развитыми горной промышленностью и металлургией.

Ксередине XVIII в. здесь выдвинулась целая группа шведских минера логов. Из них упомянем о Линнее и Кронштедте, являвшихся современ никами М. В. Ломоносова. К. Линней (1707–1778), автор известного тру да «Система природы», сделал попытку применить к минералам двойную номенклатуру (род и вид), подобную той, которая им была предложена в систематике растений и животных. Заслугой А. Кронштедта (1702–1765) является то, что он исключил из области минералогии ископаемые орга низмы. Много внимания этот ученый уделял также разработке метода паяльной трубки и изучению химического состава минералов.

Вконце XVIII в. во всех главных странах Европы с развитием про мышленного капитала происходит новый мощный подъем во всех облас тях культуры и науки. Благодаря ряду крупнейших изобретений этого периода техника переживает настоящий переворот. В связи с успехами химии и физики в развитии минералогии наблюдается новый, более ярко выраженный прогресс.

Вбогатой различными металлическими полезными ископаемыми Саксонии в связи с развитием горной промышленности в течение XVIII в. непрерывно продолжались и минералогические исследования. Была со здана Фрайбергская школа минералогов во главе с А. Г. Вернером (1750– 1817) и позднее И. А. Брейтгауптом (1781–1873), оказавшая свое влия ние на развитие минералогии в ряде сопредельных стран.

Сам Вернер принципиально нового в минералогию внес очень мало. В заслугу ему ставят лишь то, что он и его ученики, использовав все до стижения предшественников и современников, уделили много внима ния детальному описанию минералов, их внешним признакам, включая и данные кристаллографии, начало которой положили современники Вернера — французские ученые Роме де'Лиль (1736–1790) и Р. Ж. Гаюи (1743–1822).

Дальнейший прогресс минералогии на Западе связан с окончатель ным оформлением химии как науки в первой половине XIX в. Важным вкладом в химию, обеспечившим возможность правильной системати ки минералов, было введение понятий кислот и оснований шведским ученым И. Я. Берцелиусом (1779–1848). Его ученик Э. Митчерлих (1794–1863) совершил два открытия, имевших огромное значение для развития минералогии: в 1819 г. он, опытным путем получив смешан

ные кристаллы, обнаружил явление изоморфизма, а в 1821 г. установил полиморфизм — возможность существования веществ с одинаковым со ставом, но различной структурой. Усилия кристаллографов тех лет дать объяснение внутреннего строения кристаллов привели к разработке концепции кристаллической решетки, над созданием которой работали англичанин У. Волластон (1766–1828), французы Г. Делафос (1796– 1878) и О. Браве (1811–1863).

ВРоссии за это время развитие минералогических знаний шло самостоя тельными путями и вскоре достигло столь высокого уровня, что обратило на себя внимание всей Западной Европы. Огромную роль в этом сыграли организованные Академией наук во второй половине XVIII в. грандиоз ные путешествия ученых по разным провинциям нашей обширной стра ны, главным образом по Уралу и Сибири. Эти экспедиции были вызваны потребностями бурно развивавшейся в то время отечественной промышлен ности. В печати появились фундаментальные описания географии, этногра фии, фауны, флоры и минеральных богатств Российской империи.

В1773 г. в Петербурге было основано одно из старейших в мире учеб ных заведений — Высшее горное училище (ныне Горный институт), мно гие из воспитанников которого стали выдающимися учеными, профессо рами и академиками, внесшими крупный вклад в развитие минералогии.

Сбольшими успехами в открытии минеральных богатств связано также учреждение научных обществ — Вольного экономического общества в 1765 г. и Минералогического общества в 1817 г., оказавших огромное вли яние на распространение минералогических знаний в России.

Немалую роль в открытии минеральных месторождений сыграли мест ные энтузиасты — простые крестьяне и горные деятели. В конце XVIII и в первой половине XIX вв. их усилиями были выявлены многочислен ные месторождения драгоценных цветных камней (турмалинов, топаза, горного хрусталя, изумруда, малахита и др.), месторождения золота, пла тины, впервые открытые на Урале, месторождения железа, меди, свин ца, серебра и т. д. Все эти открытия, особенно новых минералов, посы лавшихся на международные выставки, получили широкое признание за границей и вошли как крупный вклад в историю мировой науки.

Среди русских минералогов в это время выдвинулись такие замеча тельные ученые естествоиспытатели, как В. М. Севергин и Д. И. Соколов.

В. М. Севергин (1765–1826), являясь последователем и продолжате лем трудов М. В. Ломоносова, вел непримиримую борьбу со всякого рода схоластикой в минералогии, особенно свойственной последователям не мецкой школы Вернера. Крупной заслугой В. М. Севергина является то, что он осуществил идею Ломоносова о создании «Общей системы Рос сийской минералогии», обобщив громадный материал, собранный акаде мическими экспедициями. В 1809 г. Севергин выпустил в свет два тома «Опыта минералогического землеописания Государства Российского».

Сведения по отдельным минералам он стремился привести «в такой сис тематический порядок, по коему бы, так сказать, единым взглядом обо зреть можно было все то, что доселе в разных странах пространной Импе рии Российской открыто было». Среди многочисленных работ Севергина особого внимания заслуживают: «Первые основания минералогии, или естественной истории ископаемых тел» (1798), «Пробирное искусство, или Руководство к химическому испытанию металлических руд» (1801), «Подробный словарь минералогический» (1807), «Новая система мине ралов, основанная на наружных отличительных признаках» (1816). Эти работы сыграли огромную роль в деле популяризации и распростране ния минералогических сведений в нашей стране. Многие введенные этим ученым термины прочно укоренились в минералогической и химической литературе. Севергин, будучи также образованнейшим химиком, при изу чении минералов обращал внимание не только на внешние физические их свойства, но и на химические признаки.

Д. И. Соколов (1788–1852), почетный член Академии наук, пользовал ся исключительной популярностью как талантливый профессор, читав ший в течение 33 лет минералогию и другие курсы геологии в Петербург ском горном корпусе (ныне Горном институте), основанном еще в 1773 г. Одним из первых преподавателей геологии он был и в Петербургском университете, открывшемся в 1819 г. Он воспитал многочисленных вы дающихся деятелей практической геологии, работавших в горных пред приятиях, и целую плеяду ученых, занявших кафедры в ряде универси тетов. Написанное им двухтомное «Руководство к минералогии» (1832) являлось образцовым пособием для учащихся. «Всего более я старался о том, — писал он в предисловии к руководству, — чтобы в сочиненной мной минералогии заключались сколь возможные полные и верные све дения о русских месторождениях минералов, кои в иностранных мине ралогиях показываются всегда кратко и ошибочно». Д. И. Соколову на ряду с В. М. Севергиным принадлежит также большая заслуга в популяризации минералогических знаний путем публичных лекций, все гда привлекавших обширный круг слушателей.

Примерно в середине XIX в. минералогия окончательно начала офор мляться как наука о минералах. Большое значение имело введение в

1858 г. англичанином Г. Сорби в практику минералогических и петрогра фических исследований поляризационного микроскопа, что позволило использовать для диагностики минералов кристаллооптические констан ты. Ряд названий горных пород, считавшихся до тех пор минералами, после микроскопических исследований был изъят из минералогической номенклатуры. Минералы все больше и больше стали привлекать внима ние исследователей как кристаллические индивиды, обладающие опреде ленными свойствами. Вместо прежних многословных рассуждений о минералах последователей школы Вернера стали появляться точные опи