1.2. Основи мінералогії.
Поняття про мінерали та процеси мінералоутворення в природі.
Мінерали – це природні хімічні сполуки та самородні елементи, які утворились в надрах земної кори або на її поверхні внаслідок різних фізико-хімічних процесів. Вивченням мінералів займається наука мінералогія.
Виникнення мінералів пов'язане з різними природними процесами, що протікали не тільки в земній корі чи мантії Землі, але також на поверхні, у внутрішніх частинах інших планетарних тіл, у міжзоряному середовищі і, нарешті, як було доведено останнім часом, в атмосферах різних зірок.
Перша мінеральна речовина у Всесвіті виникла задовго до початку утворення нашої Сонячної системи і з тих самих пір процеси мінералоутворення не припинялися. Вони і зараз протікають на різних планетах і на деяких інших космічних об'єктах. Ймовірно, одним із перших процесів утворення мінеральної речовини в умовах ранньої Сонячної системи була конденсація високотемпературної "силікатної пари" з утворенням тугоплавких мінералів, встановлених у деяких типах включень метеоритів.
Але більшість мінералів, звісно, утворились дещо пізніше і на Землі. В загальному випадку за генезисом вони поділяються на:
ендогенні, що утворились внаслідок процесів, що протікали й протікають за рахунок внутрішньої теплової енергії Землі;
екзогенні, що утворились внаслідок процесів, які відбувалися й відбуваються за рахунок зовнішньої (сонячної) енергії, одержуваною поверхнею Землі; джерелом речовини для протікання екзогенних процесів є гірські породи, що оголилися на поверхні Землі.
При потраплянні продуктів ендогенних і екзогенних процесів мінералоутворення в більш глибокі зони земної кори, вони можуть зазнавати істотних перетворень. Це явище називається метаморфізмом.
Ендогенні процеси мінералоутворення. Серед них головними є магматичні, пегматитові і пневматолітово-гідротермальні.
Магматичні процеси. Магмою називається складний за складом розплав, що містить багато хімічних елементів і їхніх сполук, що утвориться в глибинних частинах чи Землі інших планет. Особливу роль у магмі грають кремнієвокисневі сполуки і тому магму часто називають силікатним розплавом, головними складовими якого є оксиди кремнію, алюмінію, заліза, магнію, кальцію, натрію й калію. Інші елементи присутні в магмі в істотно менших кількостях. Крім того, у магмі розчинені газоподібні й леткі речовини (вода, вуглекислота, вуглеводні, сірчисті сполуки й ін.), що приймають активну участь у процесах утворення мінералів. Мінерали, що утворюються при застиганні магми, являють собою сполуки, що складаються з тих хімічних елементів, що у ній містилися. Виникнення магм, звичайно, пов'язується з внутрішньою тепловою енергією планети – радіоактивним розпадом деяких хімічних елементів і рухом окремих блоків кори планети один відносно одного. Ці явища приводять до локального нагрівання й плавлення навколишніх порід. При русі до поверхні планети магми різного складу можуть змішуватися між собою і розчиняти захоплені на шляху уламки інших гірських порід. У такий спосіб виникають магми різного типу, кристалізація яких пояснює розмаїтість вивержених гірських порід.
Деякі типи магматичних порід залягають у формі жил чи прожилків. Вони утворюються в результаті заповнення тріщин земної кори різними мінеральними речовинами. У тріщини з глибинних частин земної кори могли проникати залишкові розплави, різноманітні пари і гази (флюїди) чи гарячі водяні розчини. Відповідно до цього жили за способом заповнення поділяються на пегматитові (утворилися в результаті власне магматичного процесу на одній із заключних стадій його протікання), пневматолітові (в утворенні взяли участь флюїди, що входили до складу магми) і гідротермальні (сформовані з гарячих водних розчинів, що надходили з глибинних частин земної кори).
Екзогенні процеси мінералоутворення. Головними серед них є різноманітні процеси вивітрювання, накопичення та перетворення осадів. Вивітрювання (фізичне, хімічне чи біологічне) полягає в поступовому розкладанні нестабільних мінеральних фаз і їх перетворенні в інші, більш стійкі в поверхневих умовах мінерали. Серед продуктів власне осадового процесу мінералоутворення, що протікає у водному середовищі, виділяють механічні осади, хімічні осади і біогенні чи органогенні осади.
У всіх випадках найважливішими факторами мінералоутворення є хімізм, температура й тиск. При зміні цих факторів мінерал або руйнується, або видозмінюється. Наприклад, магматичний мінерал алмаз (С), котрий утворюється в мантії при температурі більше 1200°С і тиску понад 45·105 МПа при поступовому зменшенні тиску перетворюється в мінерал графіт (С), а при доступі кисню згоряє з виділенням вуглекислого газу СО2, мінерал пірит (FeS2) – сульфід заліза в зоні хімічного окислення переходить в лімоніт – гідроксид заліза (FeO(OH)·nН20); а водний сульфат кальцію – гіпс (СаSO4·2Н2О) на глибині 150 м при збільшенні тиску, зневоднюючись, переходить в ангідрит (СаSO4).
Вивчаючи мінерали, можна помітити, що більшість із них мають вигляд правильних геометричних фігур: кубів, ромбів, призм, пірамід - так званих кристалів. Певні мінерали кристалів не утворюють, оскільки перебувають у аморфному стані. Різниця між кристалічним і аморфними станами полягає в тому, що в першому випадку складові елементи мінералу – молекули, атоми та іони розміщуються в чітко визначеному для даної речовини порядку, утворюючи кристалічну решітку (гратку). В другому випадку закономірність в розміщенні складових частин відсутня, тобто кристалічної решітки мінерал не має, і за хімічною будовою нагадує рідину.
Мінерали у вигляді кристалів правильної форми в природі зустрічаються порівняно рідко. Це окремі кристали, або їх зростання, що утворились в умовах вільного росту в підземних пустотах. Найбільш поширені мінерали у вигляді кристалів або зерен неправильної форми, які тісно прилягають одні до одних, утворюючи мінеральні агрегати – гірські породи. Всі види й різновиди мінералів мають свої власні назви, присвоєні різними традиційними способами. Найбільш поширений спосіб давати назву мінералу в честь видатних осіб.
Рис. 1.2.1. Прості форми кристалів.
Перші три ряди простих форм – піраміди (1-7), дипіраміди (8-14), призми (15-21). Їх назва залежить від форми поперечного перерізу: якщо переріз ромб – форма ромбічна, трикутник – тригональна, здвоєний трикутник – дитригональна, чотирикутник – тетрагональна, здвоєний чотирикутник – дитетрагональна, шестикутник – гексагональна, здвоєний шестикутник – дигексагональна, 22 – моноедр, 23 – пінакоїд, 24 – діедр, 25 – ромбічний тетраедр, 26 – кубічний тетраедр, 27 – тетрагональний тетраедр, 28 –тригональний трапецоедр, 29 – тетрагональний трапецоедр, 30 – гекса-гональний трапецоедр, 31 – ромбоедр, 32 – тетрагональний скаленоедр, 33 – дитригональний скаленоедр, 34 – куб (гексаедр), 35 – октаедр, 36 – тригон-тритетраедр, 37 – тетрагонтритетраедр, 38 – пентагонтри-тетраедр, 39 – дитригонтритетраедр, 40 – дитригонтриоктаедр, 41 – тетрагонтри-октаедр, 42 – пентагонтриоктаедр, 43 – дитригонтриоктаедр, 44 – тетра-гексаедр, 45 – дододекаедр, 46 – ромбодододекаедр, 47 – пентагондододекаедр.
Наприклад, гетит – в честь німецького поета Й. Гете, олексадрит – на честь російського царя Олександра ІІ; висоцькит – в честь відомого барда В.Висоцького. Широко практикується також спосіб утворення найменувань мінералів за місцем їх знаходження (ураліт, карпатит, донбасит), або за характерними фізичними властивостями (лазурит – за блакитний колір, тетраедрит – за форму кристалів, магнетит – за магнітні властивості). При цьому, більшість назв мінералів згідно правил сучасної мінералогічної номенклатури отримує закінчення "іtе'' (українською мовою – "ит" або "іт").
Всього в наш час відомо біля 2500 найменувань твердих мінеральних видів, з котрих не менше 100, в тому числі раніше невідомих, знайдено на Місяці (де проби відібрані лише у восьми пунктах). З цієї кількості більша частина мінералів зустрічається у природі дуже рідко, і лише 50 із них складають основну масу гірських порід. Ті природні мінерали, які зустрічаються рідко і за вмістом у породі не перевищують 5% від її маси, називаються акцесорними. Ті ж, масова частка яких у породі більша 5%, є породоутворюючими.
Окремі види мінералів у вільному стані або в складі гірських порід іноді утворюють значні за запасами родовища. За сприятливих економічних умов ці мінерали використовуються як корисні копалини і служать сировиною для промисловості або експортуються за кордон.
Поряд з природними, існує багато штучних мінералів: мінеральні добрива, неорганічні хімреактиви, деякі будматеріали, абразиви, метали і їх сплави тощо. Сучасні технології дозволяють також створювати так звані синтетичні кристали – алмази, рубіни, сапфіри, кварц та ін, які за своїми властивостями повністю відповідають природним аналогам і успішно заміняють їх у практичному використанні