2.3.1.2. Генезис и свойства минералов
Каждый минерал имеет характерное внутреннее строение, присущие только ему внешние признаки и выделяется своими свойствами. Всё это обуславливается физико-химическими процессами, в результате которых минералы появляются на свет. Минерал может существовать в природе лишь в определённой термодинамической среде. При изменении среды минеральное тело видоизменяется или разрушается.
Условия, в которых образуются минералы в природе, отличаются большим разнообразием и сложностью. Различают три основные номинации процессов минералообразования: эндогенные, экзогенные и метаморфический.
Эндогенные процессы связаны с энергией, возникающей в недрах Земли, и проявляются в тектонической, магматической, метаморфической и сейсмической активности. Минералы, в основном, формируются из магмы, силикатного огненно-жидкого расплава. Таким путём, например, образуются кварц, пирит, самородные минералы (золото, медь, сера) и различные силикаты. Эндогенные минералы обычно плотные, с большой твёрдостью, стойкие к воде, кислотам, щёлочам, благодаря ковалентному типу химической связи в кристаллах.
Экзогенные процессы происходят на поверхности Земли и в самых верхних частях земной коры (выветривание, эрозия, деятельность ледников и др.). Экзогенные процессы на суше обусловлены, главным образом, энергией солнечной радиации, силой тяжести и жизнедеятельностью организмов. Эти факторы оказывают разрушительное воздействие на эндогенные минералы. При этом образуются вторичные глинистые минералы (гидрослюда, монтмориллонит, каолинит и др.) (рис. 2.4, фото Э.И. Мулюкова), а также карбонаты, сульфаты, галоиды, оксиды и др. Главнейшими факторами самопроизвольной литификации (стабилизации) отложений являются дегидратация, цементация и уплотнение. Одновременно формируются структурные связи за счёт молекулярных и электростатических сил. Высока роль клеящей способности коллоидов в повышении прочности осадков в процессе диагенеза (преобразования), на что указывали Н.Я. Денисов и акад. П.А. Ребиндер. Во втором случае, т.е. в акваториях, минералы формируются в процессе выпадения химических осадков из водных растворов (галит, сильвин и др.). В экзогенном процессе ряд минералов образуется также за счёт жизнедеятельности различных организмов (опал и др.). Экзогенные минералы разнообразны по свойствам. В большинстве случаев они имеют низкую твёрдость, активно взаимодействуют с химическими реагентами, водой или растворяются в ней.
а
б
Рис. 2.4. Глинистые минералы под электронным микроскопом:
а – каолинит; б – монтмориллонит
Метаморфический процесс. Под воздействием высоких температур и давлений, а также геологических газов и флюидов на некоторой глубине в земной коре происходит преобразование минералов, ранее возникших в эндогенных и экзогенных процессах. Минералы изменяют своё первоначальное состояние, перекристаллизовываются, приобретают плотность, прочность. Известный советский геолог Н.А. Елисеев в 1963 г. в своём фундаментальном труде «Метаморфизм» отметил, что, например, амфиболы являются важнейшим минералом в метаморфических горных породах и их образование происходит за счёт других различных минералов. Минерал жадеит образуется из нефелина и альбита при температуре от 300 ºС до 600 ºС и давлении 1,5…2,5 ГПа.
Структура. Минералы обладают кристаллической структурой или бывают аморфными. Большинство минералов имеет кристаллическое строение, в котором атомы расположены в строго определённом порядке, создавая пространственную решётку. Благодаря этому многие минералы внешне имеют вид правильных многогранников (кристаллов). Примером могут служить кварц, галит, каолинит и др.
Со строением и конфигурацией пространственной решётки связаны свойства кристаллических тел. Прежде всего минералы обладают однородностью строения, состава и свойств, т.к. в каждой своей части, вплоть до элементарной ячейки, они имеют одинаковое кристаллическое строение и химический состав. Свойства минералов могут быть одинаковыми по всем направлениям (изотропные свойства) или разными по различным направлениям (анизотропные свойства). Аморфные минералы имеют пастообразную массу, по своим свойствам изотропны и для них характерен рваный излом и отсутствие каких-либо граней, рёбер, углов.
Химический состав. Состав кристаллических минералов выражается кристаллохимической формулой, которая одновременно показывает количественные соотношения элементов и характер их взаимной связи в пространственной решётке.
Многие минералы экзогенного происхождения содержат воду. Молекулярная вода не участвует в строении пространственной решётки и её удаление лишь обезвоживает минерал. Например, после нагревания гипса CaSO4·2H2O остаётся обезвоженный CaSO4, называемый ангидритом. Химически связанная вода в виде ионов ОН входит в пространственную решётку, например глинистых минералов, и её удаление приводит к разрушению минерала.
Физические свойства. Каждый минерал имеет определённые физические свойства. Главнейшими из них являются: форма, твёрдость, цвет, плотность, пористость, прочность, водопоглощение, морозостойкость, истираемость и др., определяющие долговечность материала изделия. Лидерами по физическим параметрам являются эндогенные минералы силикатного состава: кварц, диорит, гранит, диабаз и др.