СТРОЕНИЕ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ МИНЕРАЛОВ

Минерал – природное вещество, состоящее из одного элемента или из закономерного сочетания элементов, образующееся в результате природных процессов, протекающих в недрах Земли или на поверхности. Каждый минерал имеет определенное строение, обладает конкретными физическими и химическими характеристиками. Известно более 2 500 минералов (не считая разновидностей). Наука, изучающая минералы, называется минералогией.

В зависимости от агрегатного состояния минералы подразделяют на твердые (кварц), жидкие (ртуть), газообразные (метан). Наиболее распространены твердые минералы, среди которых, в свою очередь, преобладают кристаллические (атомы в них расположены упорядоченно), и гораздо реже встречаются аморфные (с хаотичным расположением атомов). Наука о строении кристаллических минералов называется кристаллографией.

В зависимости от пространственного расположения элементарных частиц, составляющих кристаллическую решетку, все многообразие форм кристаллов можно свести к нескольким группам симметрий, или сингоний. Выделяют семь сингоний: моноклинную, триклинную, ромбическую, тригональную, тетрагональную, гексагональную, кубическую. Огромное влияние на структуру кристаллической решетки оказывают физико-химические условия минералообразования: кристаллы одного и того же минерала, возникшие в разных условиях, будут отличаться сингонией. Более того, из одного элемента возможно формирование разных минералов: например, графита и алмаза, состоящих из углерода. Способность одинаковых по составу твердых веществ кристаллизоваться в разных модификациях называется полиморфизмом.

От внутреннего строения напрямую зависят физические свойства минералов. Так, обладающие кубической сингонией октаэдрические кристаллы алмаза – модификации углерода – характеризуются наивысшей твердостью. Другая же модификация углерода – графит – кристаллизуется в гексагональной сингонии и отличается минимальной твердостью. Кристаллическим минералам свойственна анизотропность – физические свойства в них отличаются по разным направлениям в кристалле. Наоборот, аморфным минералам характерна изотропность – сохранение физических параметров независимо от направления. К числу важнейших физических свойств, позволяющих производить макроскопическое определение минералов, относят следующие: твердость, блеск, цвет в куске, цвет в порошке (цвет черты), спайность, излом, прозрачность, удельный вес.

Твердость минерала – способность сопротивляться механическому воздействию со стороны другого тела. Твердость минерала зависит от его внутреннего строения и химического состава. Так, гидратированные соединения всегда мягче безводных (боксит и корунд). Твердость многих минералов непостоянна. Простейший способ определения твердости – царапанье одного минерала другим. Для такой оценки принята шкала Мооса, представленная десятью минералами-эталонами – в ней каждый последующий минерал царапает все предыдущие (чем выше номер минерала, тем он тверже).

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

Для диагностики используют и подручные предметы: твердость мягкого карандаша – 1; ногтя – 2; стекла – 5–5,5; стальной иглы и ножа – 6–7.

Блеск – это способность поверхности минерала отражать падающий свет. Блеск минерала может быть разным на гранях кристалла и на сколе. У кварца на гранях блеск стеклянный, а на сколе жирный. Различают металлический, неметаллический, матовый и другие виды блеска.

Металлический блеск присущ многим сульфидам, окислам металлов, самородным металлам.

Блеск полуметаллический тусклее (графит).

Стеклянный блеск выражен на гранях и плоскостях спайности прозрачных или полупрозрачных минералов (кальцит, полевые шпаты).

Жирный блеск подобен тому, что проявляется на смазанной маслом поверхности (излом кварца, нефелина).

Перламутровый напоминает блеск внутренней поверхности раковины (слюды, тальк).

Шелковистый подобен блеску ткани и свойственен волокнистым минералам (селенит, асбест).

Восковой подобен блеску поверхности свечи, им обладают некоторые скрытокристаллические агрегаты (кремень).

Матовый означает именно отсутствие блеска – свет отражается равномерно и тускло. Матовый блеск присущ землистым разностям с мелкопористой поверхностью (каолин, боксит).

Спайность – способность кристаллических минералов раскалываться по плоскостям. При наличии спайности видны блестящие пластины, наслаивающиеся друг на друга и образующие своеобразную лестницу. В слюдах спайность прослеживается в одном направлении. Спайность многих минералов выражена в нескольких взаимно пересекающихся направлениях. У галита и сильвина – в трех направлениях, перпендикулярных друг другу (спайность по кубу). У сфалерита – шесть направлений спайности.

Выделяют четыре вида спайности: весьма совершенную, совершенную, среднюю и несовершенную. Весьма совершенная – это спайность, при которой минерал очень легко (ногтем) расщепляется на тонкие пластинки с гладкой блестящей поверхностью (слюды, тальк). Совершенная спайность – легким ударом молотка минерал колется по ровным плоскостям (кальцит, полевой шпат). Средняя спайность выражена слабо и вскрывается сильным ударом (оливин). Несовершенная спайность не различима (апатит, берилл).

Излом. При расколе минералов возникают разные по конфигурации поверхности, называемые изломом. Выделяют следующие виды изломов:

зернистый – сросшиеся зерна, сферы (оолитовый лимонит, боксит);

землистый – шероховатый, матовый (каолинит);

раковистый – вогнутый, концентрически-волнистый (кремень);

занозистый – однонаправленные иглы (роговая обманка);

ступенчатый – уступы между плоскостями спайности (галит);

неровный – хаотично изломанная блестящая поверхность твердых минералов, лишенных спайности (нефелин).

Цвет зависит от химического состава минерала и примесей. Некоторые минералы меняют цвет в зависимости от угла освещения, иногда приобретая радужную окраску (лабрадор). Такое свойство называется иризацией. Иногда поверхностный слой минерала имеет дополнительную окраску, и образец переливается синими, красными, розово-фиолетовыми тонами (халькопирит, борнит). Это явление называется побежалостью. Побежалость объясняется интерференцией света в тонких пленках, образующихся на поверхности минерала в результате различных реакций. Окраска многих минералов не постоянна (кварц, галит, нефелин) – для них цвет не является диагностическим признаком.

Черта – это цвет порошка минерала. Черта может отличаться от цвета в куске: пирит в куске соломенно-желтый, а в порошке почти черный. Определяя черту, минерал растирают по фарфоровой неглазурованной пластине (при условии, что минерал мягче фарфора). Если образец слишком тверд, его истирают более твердым минералом. Как правило, для твердых минералов указывают, что черта отсутствует.

Прочие свойства объединяют другие, нередко индивидуальные признаки минералов. Прочие свойства часто играют важнейшую роль в диагностике, особенно у родственных минералов (галит и сильвин).

Удельный вес (г/см³) зависит от химического состава и структуры минерала. По удельному весу минералы делят на три группы: легкие – менее 2,5 (гипс); средние – от 2,5 до 5 (апатит); тяжелые – больше 5 (галенит).

Прозрачность – выделяют минералы непрозрачные, которые не пропускают свет даже в очень тонких пластинках (окислы металлов); просвечивающие только в тонкой пластинке (кремень); полупрозрачные подобно матовому стеклу (халцедон); прозрачные как обычное стекло (горный хрусталь).

Некоторым минералам характерны специфические свойства. Например, способность минералов класса карбонатов вступать в реакцию с соляной кислотой (вскипать). Ряд минералов характеризуется магнитностью (магнетит, пирротин) – они отклоняют магнитную стрелку. Диагностически значима растворимость минералов в воде (галит и сильвин). Эти же минералы обладают вкусом– соленым у галита, горько-соленым у сильвина. Иногда минералы имеют запах. Так, пирит при ударе издает запах сернистого газа; фосфорит при трении – запах жженой кости. Некоторые минералы жирные на ощупь (тальк), другие легко пачкают руки (графит, пиролюзит). Двойным лучепреломлением обладает исландский шпат. Флюоресценция характерна флюориту. Гигроскопичностью обладают каолин, сильвин.

По занимаемому в составе горных пород объему минералы делятся на породообразующие и акцессорные.

Породообразующие (их около 50) – минералы, играющие первостепенную роль в составе горных пород. Состав породообразующих минералов служит одним из критериев, по которым определяют название горной породы.

Акцессорные минералы встречаются в виде незначительных примесей (не более 5 % от объема породы) и их наличие не влияет на название породы.

Кроме того, выделяют обширную группу рудообразующих минералов, являющихся промышленным сырьем.

По происхождению минералы делятся на типы, которые объединяются в две группы: эндогенные – возникают в недрах Земли благодаря процессам магматизма и метаморфизма, экзогенные – образующиеся в верхней части земной коры в результате выветривания и осаждения из водных растворов. Последовательность формирования минералов от эндогенных до экзогенных и вновь к эндогенным можно представить следующим образом.

1. Магматический тип минералообразования имеет место в пределах магматического очага, возникающего в недрах Земли. По мере гравитационного разделения и остывания магмы из нее последовательно кристаллизуются вначале тугоплавкие, а затем все более легкоплавкие минералы. Тугоплавким минералам характерна черная, темно-зеленая окраска и большой удельный вес (они обогащены сравнительно тяжелым железом). Наоборот, легкоплавким минералам свойственна более светлая окраска и меньший удельный вес (они содержат сравнительно легкие элементы – натрий, калий, кальций). Соответственно первыми возникают тугоплавкие с большим удельным весом зелено-черные минералы: оливин, авгит, лабрадор. Затем кристаллизуются более легкоплавкие с меньшим удельным весом и светлоокрашенные минералы: роговая обманка, слюды, ортоклазы. Последним кристаллизуется кварц – самый легкоплавкий и обладающий наименьшим удельным весом среди магматогенных минералов. Данная последовательность получила название реакционного ряда Боуэна (по имени выявившего ее канадского минералога и петрографа).

2. Пегматитовый тип минералообразования протекает в трещинах, по которым расплав поднимается от магматического очага. Он проявляется на последних стадиях остывания магмы, при температурах 500–700 °С, когда в расплавленном виде остаются самые легкие фракции магмы, обогащенные кислотами, щелочами и газами. В этих условиях формируются своеобразные горные породы – пегматиты, сложенные крупными и гигантскими кристаллами кварца, ортоклаза, слюд. На данной стадии минералообразования возникают многие драгоценные камни, рудные и радиоактивные минералы.

3. Пневматолитовый тип минералообразования, или пневматолиз, также протекает в трещинах, расходящихся от магматического очага, но на большем от него расстоянии – как правило, за пределами пегматитовой зоны, при температурах ниже 500 °С. Газы, выделившиеся из магматического расплава, содержат значительное количество металлов и металлоидов, кристаллизация которых ведет к формированию руд висмута, вольфрама, молибдена, мышьяка и др.

4. Гидротермальный тип минералообразования протекает на значительном удалении от магматического очага и связан с кристаллизацией минералов из магматических паров. Гидротермальные процессы начинаются с падением температуры ниже 500 °С и сопровождают пневматолитовый тип, что ведет к накоплению рудообразующих минералов: галенита, сфалерита, киновари, халькопирита, пирита, золота и др. При охлаждении газов и растворов ниже 375 °С гидротермальное минералообразование протекает самостоятельно и возникают как самородные минералы (сера), так и соединения хлоридные (галит, сильвин), карбонатные (кальцит) и другие. Таким образом, гидротермальный тип завершает минералообразование, связанное с формированием и охлаждением магматического вещества.

5. Гипергенный тип минералообразования (от греч. hyper – над, сверх и genesis – происхождение) заключается в совокупности процессов химического и физического преобразования минеральных веществ на земной поверхности в воздушной или водной среде или на небольших глубинах в земной коре. Неустойчивые к внешним воздействиям минералы разрушаются и переходят в устойчивые соединения. Основополагающее значение принадлежит процессам выветривания, осаждения веществ из водных растворов, деятельности подземных вод. Характерными минералами являются каолин, монтмориллонит, галит, сильвин, малахит, лимонит, боксит, халцедон и др.

6. Метаморфический тип минералообразования (от греч. metamorphosis – превращение) заключается в распаде первоначальных минералов, последующей молекулярной перегруппировке и образовании новых, более устойчивых минералов. Метаморфизм протекает почти исключительно в недрах Земли. Он обусловлен воздействием на горные породы высоких температур, давления, а также магматических флюидов (газов и растворов). Метаморфизму подвергаются ранее возникшие породы любого генезиса: магматические, осадочные и метаморфические. При этом возникает обширный перечень минералов, среди которых необходимо назвать хлориты, гранаты, тальк, графит, магнетит и др.

При изменении физико-химических условий эндогенные и экзогенные процессы минералообразования могут сопровождаться метасоматозом (от греч. meta – после и soma – тело) – замещением одних твердых минералов другими с существенным изменением химического состава, но с сохранением исходного объема. Таким образом, при метасоматозе происходит миграция химических элементов. Например, кальцит (CaCo₃) под действием выделившихся из магмы растворов может перейти в доломит (CaMg[Co₃]₂). Кроме того, возможно образование одного и того же минерала в разных условиях и при разных процессах – классическим примером служит кварц, разновидности которого являются продуктами всех известных типов минералообразования. Наконец, каждому типу минералообразования характерны строго закономерные сочетания минералов, что ведет к образованию минералов-спутников. Такое явление получило название парагенезиса (от греч. para – возле и genesis – происхождение) – совместного нахождения в земной коре минералов, связанных общими условиями образования. Практическое значение парагенезиса заключается в том, что на основании обнаружения одного минерала можно предполагать наличие другого. Так, наличие пегматитового кварца свидетельствует о возможности обнаружения золота.