Что такое минералогия

Определение понятия «минерал». Еще в XIX веке к объектам минералогии относили все горные породы, кристаллы, руды, окаменелости, уголь, нефть, жидкости и газы, т.е. все неживые естественные тела. Затем из минералогии были выделены окаменелости (они стали объектом палеонтологии), горные породы (они стали объектом петрографии), нефть, газ, уголь (они стали объектами геологии нефти и газа и твердых полезных ископаемых).

В настоящее время под минералами понимают природные химические соединения, образовавшиеся в результате физико-химических процессов и являющиеся составными частями горных пород и руд. С химической точки зрения минерал – более или менее однородное тело, отвечающее определенному составу. В основном, это твердые, кристаллические (98%) образования, реже – аморфные (некристаллические), жидкие (вода, ртуть), газообразные (метан, оксид серы, диоксид углерода).

Кристаллические минералы имеют широкое распространение. Внутренняя структура этих минералов выражается кристаллической решеткой, которая обусловливает форму кристаллов, физические, оптические и другие свойства минералов. Кристаллы нередко имеют идеально выраженную форму в виде многогранников (призмы, пирамиды, куба и др.).

Аморфные минералы не обладают какой-либо закономерностью внутреннего строения. В земной коре они расположены незначительно, являются неустойчивыми и могут переходить в кристаллическое состояния. Для этого необходимо длительное выдерживание их при температуре, близкой к точке плавления. Аморфные вещества (опал, кремень) характеризуются изотропными свойствами и непостоянством состава. Образуются обычно при быстром охлаждении расплавленных вязких масс или при выпадении из растворов.

Облик кристаллов минерала зависит от его внутреннего строения и условий образования. Существуют изометрические формы минералов: кубы пирата и галита, октаэдр магнетита; вытянутые в одном направлении: призматические, столбчатые, игольчатые; вытянутые в двух направлениях: таблитчатые, пластинчатые, листовые (полевые шпаты, гипс, слюда). Многие минералы обладают сходным обликом кристаллов, например, кристаллы кальцита и доломита – ромбоэдрические, пирита и галита – кубические, полевого шпата и гипса – таблитчатые или пластинчатые.

Одиночные кристаллы образуются при медленном охлаждении и кристаллизации магматического расплава в условиях свободного роста в пространстве. Они представляют собой геометрически правильные многогранники (например, кристалл горного хрусталя).

Формы природных выделений минералов. Друза (щетка) – совокупность кристаллов, наросших на какую либо поверхность своими основаниями. Вершины кристаллов, обращенных в сторону пустого пространства, обычно хорошо ограничены. Друзы характерны для кварца, кальцита, пирита и др.

Агрегат – совокупность компактно сросшихся кристаллов и кристаллических зерен. В минеральных агрегатах иногда наблюдается упорядоченное расположение кристаллов с образованием лучистых, игольчатых, жилковатых, волокнистых, пластинчатых, зернистых структур.

Натечные формы характерны для коллоидных минеральных образований, имеют вид корочек, почек, сосулек (сталактиты и сталагмиты) и для таких минералов как кальцит, лимонит, халцедон, гипс. Натеки возникают в пещерах или пустотах из просачивающихся вод, а также образуются гейзерами и источниками, имеющими в растворе избыток углекислого кальция (известковый туф).

Псевдоморфоза – ложная, необычная форма кристалла, не соответствующая его внутренней структуре. Образуется в результате замещения одного материала другим с сохранением внешней формы замещенного кристалла при обменных реакциях (например, псевдо-морфоза лимонита по кубическому кристаллу пирита) или при последующем заполнения пустот, возникающие после выщелачивания минералов.

В настоящие время известно более 7000 минералов, но только 100 из них относятся к породообразующим и около 30 широко распространенными (основными) [1].

Основные породообразующие минералы наиболее распространены в горных породах и определяют их вещественный состав. Например, для гранитов породообразующими минералами являются полевые шпаты (ортоклаз, реже – плагиоклаз), кварц и слюды; в диоритах преобладает средний плагиоклаз (андезин), слюды и роговая обманка, в меньшей мере - кварц; в габбро распространены основной плагиоклаз, роговая обманка, пироксен.

Для осадочных глинистых пород и пород биохимического происхождения характерны каолинит, монтмориллонит, доломит, гипс, ангидрит, кальцит, галит и др. В песчаных породах широко распространены обломки кварца, полевых шпатов, иногда глинистые минералы. Для метаморфических пород главным породообразующими минералами частично являются перечисленные выше минералы плюс типично метаморфические: змеевик, тальк, асбест и др

Основные диагностические свойства минералов. К основным свойствам минералов относятся: цвет, блеск, прозрачность, спайность, твердость, реакция с НСl.

Цвет минерала – это его окраска в образце. Он зависит от его структурных особенностей и химического состава и является постоянным (так называемый собственный цвет). Ложный цвет минерала обусловлен механическими примесями красящих элементов, а также световым воз- действием. Цвет следует наблюдать на свежем изломе.

Цвет черты – цвет минералов в тонком порошке, служит одним из диагностических признаков для определения минералов и горных пород. Многие минералы в порошкообразном состоянии имеют другой цвет, чем цвет в куске. Обычно для определения цвета минерала в порошке проводят кусочком минерала черту на белой шероховатой поверхности неглазурированного фарфора (его иногда называют «бисквит»). Этот метод диагностики весьма важен. Например, цвет черты соломенно-желтого пирита – черный, черного гематита – вишнево-красный, а черного магнетита – черный. В случае, если твердость минерала выше, чем твердость фарфоровой пластинки, то минерал не дает черты, а образует на фарфоре царапину.

Прозрачность минерала – это способность пропускать сквозь себя свет. Многие минералы, кажущиеся в больших кристаллах непрозрачными, в тонких осколках, шлифах просвечивают (например, биотит – черная слюда). Поэтому прозрачность минерала определяют в тонких пластинках.

В зависимости от степени прозрачности все минералы подразделяются на следующие группы:

1. прозрачные (наблюдаемый сквозь пластинку предмет ясно различим) – горный хрусталь, исландский шпат, мусковит;

2. полупрозрачные (предмет виден слабо) – галит, кварц;

3. непрозрачные (не пропускают света, пред- мет не виден) – все рудные минералы: пирит, магнетит, роговая обманка и др.

Блеск – это способность минерала отражать свет, падающий на его поверхность. Блеск за- висит от показателя преломления минерала, характера отражающей поверхности, трещиноватости, посторонних включений и т.п. Различают минералы с неметаллическим и металлическим блеском. В группе минералов с неметаллическим блеском выделяются оттенки блеска: стеклянный (кварц, карбонат); алмазный (алмаз, самородная сера); жирный (кварц с неровным изломом); шелковистый (волокнистый гипс, ас- бест); перламутровый (мусковит, тальк, пластичный гипс); матовый и восковой (доломит, лимонит); полуметаллический (гематит).

Спайность – способность минерала раскалываться или расщепляться с образованием правильных зеркальных поверхностей по определенным кристаллографическим направлениям. Такие поверхности называются плоскостями спайности. Спайность различается по степени ее совершенства:

а) весьма совершенная – минерал легко расщепляется на тонкие листочки-волокна в одном направлении (слюда, гипс, асбест);

б) совершенная – минерал раскалывается на геометрически правильные осколки, внешне на- поминающие настоящие кристаллы (галит);

в) средняя – при раскалывании минерала образуются гладкие поверхности спайности, а также неровные изломы по случайным направлениям (полевые шпаты, роговая обманка, оливин);

г) несовершенная – преобладают поверхности излома, а плоскости спайности обнаруживаются с трудом (апатит, сера);

д) весьма несовершенная – спайность практически отсутствует, минерал раскалывается с образованием поверхности излома (кварц, га- лит, магнетит и др.).

Излом – поверхность раскола, прошедшая в минерале (не по спайности). По характеру поверхности раскола различают несколько видов излома:

а) ступенчатый – у кристаллов с совершенной и средней спайностью (полевой шпат);

б) занозистый – у минералов волокнистого сложения (роговая обманка, асбест);

в) неровный – имеет неровную поверхность (шероховатую) и характерен для минералов с несовершенной спайностью (апатит, кварц);

г) раковистый – поверхность излома напоминает раковину, наблюдается у минералов без спайности (опал, халцедон, кварц);

д) землистый – характерен для глинистых минералов (каолинит).

Твердость – сопротивление минерала механическому воздействию при царапании пред- метами эталонной твердости (относительная твердость). В практике обычно определяют относительную твердость образцов по специальной таблице (табл. 2), а также легкодоступными предметами, твердость которых известна (на- пример, ноготь пальца – 2,5; медная монета – 3; стальной нож и стекло – 5,5-6).

Различают пассивную и активную твердость. Первая определяется способностью минерала воспринимать царапанье, вторая – его способностью царапать Магнитность свойственна минералам, содержащим железо. Наиболее магнитным является магнетит.

Реакция 10%-ным раствором соляной кислоты применяется для выявления карбонатных солей в минералах. Бурно реагирует («вскипает») под воздействием холодной HCl кальцит; доломит «вскипает» медленно, но в порошке, а также при нагретой HCl, он реагирует более интенсивно.

Вкус определяется для минеральных солей, хорошо растворимых в воде. Так, минерал сильвин (KCl) имеет горько-соленый вкус, а галит (каменная соль NaCl) – соленый.

Классификация минералов. Минералы классифицируются по химическому составу и кристалло-графическим особенностям, оптическим свойствам и др.Химическая классификация основана на со- отношении химических элементов в составе минералов, что находит отражение в их химических формулах.Выделяют 8 классов минералов. Различают следующие классы:

1. Самородные
2. Сульфиды
3. Сульфаты
4. Оксиды и гидрооксиды
5. Галоиды
6. Карбонаты
7. Фосфаты
8. Силикаты

Описание минералов

Самородные элементы (минералы). Это класс минералов, состоящих их одного химического элемента, и называемых по этому элементу. К ним относятся: золото, серебро, медь, платина, алмаз, графит, сера, и другие. Все они подразделяются на две группы: металлы и неметаллы. В первую группу входят самородные Au, Ag, Cu, Pt, Fe и некоторые другие, во вторую – As, Bi, S, С (алмаз и графит).

Медь. Химическая формула минерала – Сu. Цвет – красный, часто с бурой и пестрой побежалостью. Блеск – металлический. Твердость – 2,5-3. Излом – крючковатый. Самородная медь встречается очень редко. Чаще всего – в виде дендритовых или нитевидных форм. Кроме этого встречаются образования в виде пластин и порошковатых скоплений. Медь встречается в базальтовых лавах, песчаниках, конгломератах, в гидротермальных жилах и пластовых залежах совместно с халькозином, купритом, малахитом. Применение: электротехника, машиностроение, судостроение.

Фото1. Медь. Место отбора образца: Джезказган, Казахстан (№ образца 59, № полки 8)

Графит. Химическая формула минерала – С. Твердость – 1-2. Цвет – тёмно-серый. Блеск – металлический. Жирный (скользкий) на ощупь. При трении расслаивается на отдельные чешуйки (это свойство используется в карандашах). Образуется при высокой температуре в вулканических и магматических горных по- родах, в пегматитах и скарнах. Встречается в кварцевых жилах с вольфрамитом и другими минералами в среднетемпературных гидротермальных полиметаллических месторождениях. Широко распространен в метаморфических породах – кристаллических сланцах, гнейсах, мраморах.

Применение:
- для получения химически активных металлов методом электролиза расплавленных соединений;
- для приготовления твёрдых смазочных материалов, в комбинированных жидких и пастообразных смазках;
- замедлитель нейтронов в ядерных реакторах; - компонент состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином);
- для изготовления контактных щёток и токосъёмников для разнообразных электрических машин;
- как токопроводящий компонент высокоомных токопроводящих клеёв.

Фото 2. Графит. Место отбора образца: Красноярский край, Россия (№ образца 35, № полки 5)

Сера. Химическая формула минерала – S. Цвет самородной серы различен (от посторонних примесей селена, сернистого мышьяка, органических веществ) – медово-желтый, серно-желтый, серый и бурый. Блеск – жирный, приближающийся к алмазному. Излом – раковистый. Твердость – 1,5-2,5.

Самородная сера образуется в природе различными путями. Наибольшие количества происходят водным путем из источников и вообще вод, циркулирующих в недрах земной коры, содержащих сероводород. Последний при доступе кислорода воздуха окисляется, образуя воду и выделяя серу. Второй способ образования серы – вулканический. Она отлагается по стенкам кратера вулканов или вследствие непосредственной возгонки, или вследствие взаимодействия сероводорода и сернистого ангидрида, нахождение которых весьма обычно в продуктах вулканической деятельности.

Сера нередко встречается в самородном виде, образуя плотные или землистые массы или же кристаллические агрегаты в виде кристаллических друз, пленок и налетов. Находятся также и хорошо образованные кристаллы, достигающие значительных размеров. Применение: в резиновой, химической промышленности, в медицине, в электротехнике, для отбеливания тканей.

Фото 3. Сера. Место отбора образца – Водинское месторождение, Самарская область, Россия (№ образца 83, № полки 11)

Сихотэ-алинский метеорит.Химическая формула минерала – Fe+Ni- железистый метеорит, общая масса осколков оценивается в 60–100 тонн. Упал в Уссурийской тайге в горах Сихотэ-Алинь на Дальнем Востоке 12 февраля 1947 г. Он раздробился в атмосфере и выпал железным дождем на площади 35 квадратных километров. Отдельные части дождя рассеялись по тайге на площади в виде эллипса с большою осью длиной около 10 километров. По химическим анализам, Сихотэ-алинский метеорит состоит из 94 % железа, 5,5 % никеля, 0,38 % кобальта и небольших количеств углерода, хлора, фосфора и серы.

Фото 4. Сихотэ-алинский метеорит. Место отбора образца: Приморский край (№ образца 60, № полки 7)