Основи мінералогії.

1.2.1. 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:

1. ендогенні, що утворились внаслідок процесів, що протікали й протікають за рахунок внутрішньої теплової енергії Землі;

2. 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. Магмоюназивається 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, накопиченнята 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 процесумінералоутворення, 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

1.2.2. Фізичні властивості мінералів.

Зовнішня форма і властивості мінералів залежать від багатьох факторів, головними з яких є їх хімічний склад і внутрішня будова. Методи визначення мінералів і вивчення їхніх властивостей дуже різноманітні. Для цих цілей у лабораторіях використовують різні оптичні й електронні мікроскопи, рентгенівські установки й іншу більш складну апаратуру. У польовій практиці мінерали звичайно, визначаються візуально (за зовнішніми ознаками). Найважливішими фізичними властивостями, що дозволяють проводити діагностику мінералів є колір мінералу в шматку й порошку, блиск, злам, спайність, твердість, питома вага і деякі інші властивості.

Деякі фізичні властивості можуть бути однаковими в різних мінералів і, навпаки, які-небудь властивості (наприклад, колір) можуть змінюватися в того самого мінералу. Тому при діагностиці мінералу необхідно встановити якомога більшу кількість цих властивостей. Результати польової візуальної діагностики мінералів потім підтверджують в камеральних умовах більш точними методами (визначенням оптичних констант мінералів, п'єзоелектричних і магнітних властивостей, радіоактивності й характеру люмінесценції, визначенням хімічного складу, вивченням поводження мінералу при нагріванні, залученням різноманітних рентгеноструктурних і рентгеноспектральних методів аналізу).

Колір мінералів може бути найрізноманітнішим. Нерідко колір того ж самого мінералу може змінюватись, що залежить від того, які домішки входять до його складу. Тому іноді для того самого мінералу, залежно від його кольору, навіть використовують різні назви. Наприклад, кварц звичайно, безбарвний, і його прозорий різновид, представлений добре ограненими кристалами, отримав назву гірський кришталь. Але той же кварц може мати жовтий колір (цитрин), фіолетовий (аметист), зелений (празем), димчастий (раухтопаз), чорний (моріон) чи інші кольори.

Деякі мінерали, наприклад, лабрадор, змінюють свій колір у залежності від умов освітлення, набуваючи при цьому красивого веселкове забарвлення. Така властивість мінералів отримала назву іризація (інтерференція білого світла при проходженні крізь мікроскопічні паралельно орієнтовані пластинки чи тріщини).

Колір риски мінералу. Багато мінералів у порошкоподібному стані мають інший колір, ніж колір у шматку. Звичайно, для визначення кольору мінералу в порошку проводять шматочком мінералу риску на білій шорсткуватій поверхні неглазурованої порцеляни. Цей метод діагностики дуже важливий. Наприклад, колір риси солом'яно-жовтого піриту – чорний, чорного гематиту – вишнево-червоний, а чорного магнетиту - чорний. У випадку, якщо твердість мінералу вища, ніж твердість порцелянової пластинки, то мінерал не дає риси, а утворить на порцеляні подряпину.

Прозорість. Під цим терміном мається на увазі здатність речовини пропускати світло. Залежно від ступеня прозорості всі мінерали поділяються на прозорі(гірський кришталь, ісландський шпат), напівпрозорі (сфалерит, кіновар) і непрозорі (пірит, галеніт). Деякі непрозорі мінерали, наприклад, халцедон, просвічується по краях у тонких пластинках. Деякі прозорі мінерали, наприклад, ісландський шпат, мають збільшувальний ефект у зв’язку із подвійним заломленням променів внаслідок специфіки їх кристалічної гратки.

Блиск – це здатність мінералу відбивати світло. Розрізняють наступні види блиску: металевий блиск (сильний блиск, властивий мінералам, що дають чорну рису і самородним металам) і неметалевий. Останній поділяється на: алмазний,скляний. Іноді виділяють проміжний блиск між металевим і алмазним, що одержав назву напівметалевого чи металоподібного. На характер блиску впливає і стан поверхні мінералу. Наявність нерівностей є причиною виникнення жирного чи воскового блиску. Перламутровий блиск виникає за рахунок інтерференції світла в тонких пластинах. При паралельно-волокнистій будівлі агрегатів мінералів виникає шовковистий блиск. Деякі тонкозернисті агрегати мають матовий блиск (наприклад, писальна крейда).

Спайність – здатність мінералу розколюватися по визначених кристалографічних напрямках з утворенням гладких поверхонь. По характеру розколювання і гладкості утвореної поверхні виділяють наступні види спайності: дуже досконаласпайність – мінерал без особливих зусиль розщеплюється на тонкі пластини, площини спайності – дзеркальні, рівні (наприклад, у слюди); досконаласпайність – мінерал легко розколюється з утворенням рівних блискучих площин; середняспайність – мінерал розколюється при ударі на осколки, обмежені як площинами спайності, так і неправильними площинами зламу; недосконаласпайність – розколювання мінералу приводить до утворення уламків, велика частина яких обмежена нерівними поверхнями зламу; дуже недосконала спайність – при ударі мінерал розколюється по випадкових напрямках і дає нерівну поверхню зламу. Площини спайності необхідно відрізняти від граней кристалів. Багато мінералів мають спайність у декількох напрямках, причому ступінь досконалості спайності в різних напрямках може і не збігатися. Кількість напрямків спайності й ступінь її досконалості є одними з головних діагностичних ознак при визначенні мінералів.

Злам – характер поверхні, що виходить при розколюванні мінералів. Мінерали, що характеризуються досконалою спайністю в 1-2 напрямках дають рівнийзлам; якщо число напрямків досконалої спайності зростає до 3 і більш, то злам може бути східчастим. Для мінералів із недосконалою чи дуже недосконалою спайністю часто спостерігається раковистий чи нерівний злам. Мінерали, що характеризуються волокнистою структурою характеризуються скалкуватим зламом. Самородні метали (мідь, залізо) мають гачкуватий злам.

Таблиця 1.2.1. Шкала твердості Мооса

Твердістьмінералу визначає ступінь його опору при дряпанні гострим предметом чи іншим мінералом. Для визначенні твердості мінералу прийнята емпірична шкала, запропонована на початку ХІХ ст. австрійським мінералогом Моосом (1772-1839), і названа на його честь. У цій шкалі використовуються десять мінералів з відомою й постійною твердістю. Ступінь твердості оцінюється по десятибальній шкалі: найнижча твердість позначається одиницею, а найвища – 10. Шкала Мооса наведена в таблиці 1.

Шкала Мооса, поряд із більш складними сучасними методами визначення твердості, широко використовується мінералогами дотепер. Твердість по шкалі Мооса є відносною величиною, тобто кожен із мінералів, що наведені в шкалі є твердішим, ніж попередній мінерал, але менш твердим, ніж наступний за ним мінерал. При польових дослідженнях не завжди може виявитися під рукою потрібний набір мінералів шкали твердості. У такому випадку для орієнтованого визначення твердості мінералу звичайно, використовують підручні засоби: м'який олівець (1), ніготь (2-2,5), бронзова монета (3,5-4), скло (5), сталевий ніж (5,5-6), напилок (7).

Твердість мінералів іноді сильно залежить від напрямку прикладання сили відносно структурних елементів кристалу. Показовим прикладом такого роду зміни (анізотропії твердості) може служити кіаніт (дистен): по напрямку спайності твердість цього мінералу дорівнює 4, а в перпендикулярному напрямку – 6,5.

Питома вага й щільність мінералів. Питома вага являє собою відношення маси речовини до маси рівного об'єму води при 4^оС, і є величиною безрозмірною. Щільність являє собою масу речовини, що приходиться на одиницю об'єму і виражається в г/см³. Питома вага мінералів коливається в дуже широких межах - від 0,9 (лід) до 20 і більше (осмистий іридій). Найбільше чисельні мінерали з питомою вагою від 2 до 4, тому питома вага служить діагностичною ознакою тільки для мінералів важких елементів. Точно питома вага мінералів визначається шляхом зважування на гідростатичних вагах чи за допомогою інших спеціальних пристосувань. На практиці питома вага визначається лише приблизно, зважуванням на руці з оцінкою – важкий (більш 4), середній (2,5-4) і легкий (менш 2,5). При цьому враховують, що питома вага води прийнята за 1. Питома вага й щільність мінералу залежить від кристалічної структури мінералу.

Інші властивості. Деякі мінерали мають специфічні властивості, що дозволяють швидко й надійно діагностувати мінерали в польових умовах. До таких властивостей відносяться магнітність (вплив на стрілку гірського компаса, як, наприклад, у магнетиту), електропровідність, розчинність у кислотах, смак(наприклад, хлориди мають солоний смак), запах, радіоактивність, здатність взаємодіяти із соляною кислотою (характерно для карбонатів) і ін. Ці властивості дозволяють розпізнавати порівняно невелике коло мінералів, однак у ряді випадків вони є визначальними при макроскопічній діагностиці.