22

Процессыокисленияпротекаютвовсехжелезо-магнезиальныхми- нералах.

Химическоевыветривание, связанноесокислением, определяется границейраспространениясвободногокислорода(кислороднойповерхностью). Приповерхностныйучастокземнойкоры, ограниченныйкислородной поверхностью, называется зоной окисления.

Осадочный процесс минералообразования. Разрушенные в результатевыветриваниямассыпородиминераловперемещаютсятекущимиводами. Приэтомпроисходитсортировкаматериалаиегоотложение. Так образуются механические осадки, имеющие очень широкое распространение (гравий, песок, глина – всямасса обломочных горных пород).

Химическое осаждение минералов происходит как из истинных, так и из коллоидных растворов. В водоемах возникали такие условия, когда растворенные вещества больше не могли находиться в растворе и выпадали на дно водоема. Таково происхождение многих солей(галита, гипсаидругих); это– химическиеосадки. Накоплениесолейпроисходило в условияхсухого климата при испарении воды. Последовательность осаждениясолейопределяетсяихконцентрацией, составомитемпературойводы. Омасштабахэтогопроцессаможносудитьпомощностисоляныхзалежей, котораянанекоторыхместорожденияхдостигаетнескольких сотен метров.

Большую роль в разрушении минералов и пород и в их новообразованиииграютживыеорганизмы(главнымобразом– бактерии). Поэтомуможновыделитьбиохимическийпроцессминералообразования. Доказаноучастиеорганизмоввобразованиифосфоритов, самороднойсеры, руд Fe и Ni. Минералы, образовавшиеся при участии организмов, называютбиолитами. Кбиолитамможноотнестиигорныепороды: известняки, мел, каменный уголь, торф, горючие сланцы и, возможно, нефть.

§ 1.3. Метаморфические процессы минералообразования

Данные процессы связаны с изменениями магматических и осадочныхпородлибоназначительнойглубине, подвоздействиемвысоких температур и давлений – так называемый региональный метаморфизм, когда сравнительно большие участки земной коры испытывают опускание, либоподвлияниемгазовипаровводы, отделяющихсяотмагматическихочагов– такназываемыйгидротермальныйметаморфизм, либона контактемагматическоговысокотемпературногоочагасвмещающейпородой– контактовыйметаморфизм. Возникающиевэтихусловияхпреобразованныегорныепородыназываютсяметаморфическими. Имсвойственны характерные минералы.

Всепроцессыобразованияипреобразованияминераловигорных пород можно отобразить на следующей схеме (рис. 2.1).

	23
Магматические				Метаморфические
горные породы				горные породы
		Осадочные гор-
		ные породы

Минералы магматического происхождения

Химические элементы магмы

Минералы химического происхождения

Химические элементы в растворах

Минералы органического происхождения

Химические элементы в организмах (останках)

Рис. 2.1. Схема образования и преобразования минералов и горных пород.

§ 2. Строение минералов

Минералы – это вещества, главным образом кристаллические и, значительно реже, некристаллические (аморфные).

Кристаллическиевещества(кристаллы) имеютопределенныйпо-

рядок в пространственном расположении составляющих их частиц: атомы, ионы и молекулы, составляющие кристалл какого-либо минерала имеют определенное упорядоченное расположение.

Вообщекристаллы, природныеиискусственные, изучаетгеологическая наука кристаллография (их форму, внутреннее строение, происхождение и свойства). "Кристаллос" по-гречески – лед. Так в древности называлиилед, игорныйхрусталь(разновидностьминералакварца), полагая, что он, как и лед, образуется при низкой температуре. Впоследствии кристаллами стали называть любые твердые тела (в том числе и искусственные), имеющие многогранную форму.

Кристаллическим веществам присущи следующие важнейшие свойства:

−анизотропность(неравносвойственность). Физическиесвойства такихвеществодинаковывпараллельныхнаправленияхинеодинаковыв непараллельных: этотеплопроводность, твердость, упругость, светопреломление и другие свойства.

−способностьсамоограняться. Присвободномростекристаллыограничиваются плоскими гранями и прямыми ребрами, принимая форму многогранников.

24

−симметрия(закономернаяповторяемостьврасположениипредметов и их частей на плоскости и в пространстве).

Закономерное расположение атомов внутри минерала образует кристаллическуюпространственнуюрешеткуихарактеризуетструктуру кристалла (см. рис. 2.2).

Внешнимпризнакомкристаллаявляетсяегоправильнаягеометрическая (симметричная) форма, ограниченная плоскостями – гранями, прямыми ребрами и точками пересечения ребер – вершинами.

Ребра кристаллов представляют собой ряды кристаллической решетки, грани – ее плоские сетки.

Эти грани, ребра, и углы при вершинах образуют всевозможные, иногда довольно сложные многогранники. Их количество велико, но не бесконечно: существует тридцать две так называемые простые формы кристаллов; скомбинациямипростыхформмногогранниковзначительно больше (несколько сотен).

Рис. 2.2. Пространственная решетка кристалла: а) ряд; б) плоская сетка.

Законпостоянствагранныхуглов: каждомукристаллуприсуще совершенноопределенноеколичествовершин, ребериграней, ктомуже углы между гранями всегда остаются постоянными.

Такимобразом, всекристаллыкакого-либоминерала, независимо от величины кристаллов, способов их образования, формы и размеров граней будут иметь одинаковый угол между гранями.

Нередко только по беглому взгляду на кристалл можно сразу назвать минерал. Некоторые минералы образуют кристаллы простой фор-

25

мы, ночащевстречаютсякомбинациинесколькихформ. Приэтомзакон постоянства гранных углов сохраняется.

Аморфныевеществахарактеризуютсябеспорядочнымрасположениемсоставляющихихэлементарныхчастиц. Вэтомотношенииаморфные вещества аналогичны жидкостям, расплавам или так называемым «твердым жидкостям» (стекло).

Вприродеаморфны, главнымобразом, минералыэкзогенногопроисхождения, хотя встречаются и эндогенные и метаморфические.

Ваморфныхминералахфизическиесвойствавовсехнаправлениях одинаковы, тоестьэтиминералыизотропные. Аморфноесостояниеминералов является неустойчивым и, с течением времени, они переходят в кристаллическоесостояние(например, вулканическоестеклораскристаллизовывается).

Взависимостиотусловий, процессобразованиякристалловневсегда происходит равномерно. Чаще, одни грани развиты хорошо, другие значительноотстаютвразвитииилинеразвиваютсявообще. Такобразу-

ютсятаблитчатые, пластинчатые, игольчатые, призматическиеидру-

гие формы кристаллов.

Одиночные кристаллы минералов в природе сравнительно редки, распространеныобычноразличныесросткикристаллов, причем, иногда, этосросшиесявместеиндивидуумыразличныхминералов. Взависимости отвнешнейформысрединихразличаютзернистыемассы, друзы, щетки,

секреции, конкреции и другие формы.

§ 3. Химический состав минералов

Химическийсоставвминералогии, вотличие, например, отаналитическойхимии, выражаетсянеэмпирическимиформулами(которыепоказываютколичественныесоотношенияэлементов), аструктурными, которыепоказываютхарактервзаимнойсвязиэлементоввструктуреминерала. В минералах важно выделять катионные и анионные комплексы.

Значительноеколичествоминераловимеетразличныепримеси. Примесибываютмеханические– ввидегазов, растворов, взвешенныхчастиц

иизоморфные – в виде отдельных элементов, входящих в кристаллическуюрешеткуминераланенарушаяегоцелостности. Приэтомизоморфныезамещениямогутбытькаквкатионном, такиванионномкомплексе

иотэтихпримесеймогуточеньсильноизменитьсяфизическиесвойства

идаже облик минералов.

Например, широкораспространенныйминералкорунд(впросторечии– наждак) выражаетсяформулойAl2O3. ЗамещениевкристаллическойрешеткечастиAl2O3 наCr2O3 превращаетневзрачныйнаждаквдрагоценный красный рубин, а если Al2O3 замещается на CuO и Fe2O3, то получается синий сапфир.

26

Многиеминералыприодномитомжехимическом составемогут иметьразличнуюструктуру(кристаллическуюрешетку) ивнешнийоблик кристаллов, а, следовательно, и различные физические свойства.

Этоявлениеносит называниеполиморфизм. Например, углерод, в зависимостиотусловийкристаллизации, можетобразовыватьлибоалмаз

– самоетвердоеминеральноевеществосоченьплотноупакованнойкристаллической решеткой, либо весьма мягкий графит. Это – две полиморфные разновидности.

Водавминералахвстречаетсяввидецеолитной, кристаллизационной и конституционной воды.

Цеолитная вода (впервые изучена в минералах цеолитах) как бы растворенавминерале; принагреванииминералтеряетцеолитнуюводуи меняет физические свойства, а при помещении в водяные пары восстанавливает воду и связанные с ней свойства.

Кристаллизационная вода связана с кристаллической решеткой минералов в виде молекул H2O. Присоединение или удаление ее посредством высокихтемпературещесильнееизменяетфизическиеихимические свойства минерала.

Например, минералгипсCaSO4.2H2O придегидратациипревращается вангидритCaSO4. Приэтомобъемвеществауменьшаетсяна60%, атакжерезкоизменяетсявнешнийоблик: характерныестолбчатыекристаллы гипса превращаются в тонкозернистую сплошную массу ангидрита.

Конституционная вода еще прочнее связана с кристаллической решеткой минерала. Например, в составе минерала каолинит Al4[Si4O10]. [OH]8 она входит в кристаллизационную решетку в виде иона ОН-. Присоединение такой воды означает образование нового минерала, а удаление – разрушает минерал. Переходы невозможны.

§ 4. Физические свойства минералов

Химический состав и структура минералов придают каждому из них характерные физические свойства и внешние признаки, по кото-

рым можно отличать один минерал от другого.

1. Плотностьминераловколеблетсяот, приблизительно, 1г/см3 до 23г/см3 (платинистыйиридийPt, Jr). Подавляющеебольшинствоминералов имеет плотность 2,5 – 3,5г/см3 (что, кстати, обуславливает среднюю плотность земной коры 2,7 – 2,8г/см3).

Условно все минералы можно разделить на 3 группы:

-легкие, сплотностьюдо2,5г/см3, - галит, гипс, сильвин, самородная сера. Сюда же относятся водные минералы;

-средние(среднейтяжести), сплотностьюот2,5 до4г/см3, - сюда относится подавляющее большинство минералов;

27

- тяжелые, сплотностьюболее4г/см3, - минералы, содержащиетяжелые металлы (сульфиды, окислы, самородные минералы).

Уполиморфныхразновидностейплотностьвышеутогоминерала,

укоторогоплотнееупаковкакристаллическойрешетки(алмаз– 3,5г/см3, графит – 2,2г/см3).

Сравнительноеопределениеплотности(вполевыхусловиях) производитсяпутемвзвешиванияналадоняхдвухпримерноодинаковыхпо размеруобразцов. Приэтом«эталонами» являютсятакиеширокораспро-

страненные минералы как кварц и полевой шпат с плотностью 2,7- 2,8г/см3. Точное определение плотности производится в лабораторных условияхпутемпогруженияобразцаминералав тяжелыежидкости. Су-

ществуют специальные наборы тяжелых жидкостей с шагом около

0,01г/см3.

2. Твердостьминерала– этосопротивлениеповерхностиминерала механическомувоздействию. Относительнуютвердостьминералаопределяют царапаньем по нему другим минералом: более твердый минерал оставитцарапинунаменеетвердом. Абсолютнуютвердостьопределяют приборомсклерометромпутемвдавливанияалмазнойпирамидкивобразец под микроскопом.

Для определения относительной твердости принята 10-балльная шкала Мооса, которая составлена из 10 минералов – эталонов, каждый из которых тверже предыдущего на единицу.

Таблица 2.1

		Шкала твердости
	Твердость,		Абсолютная
	балл по	Минерал - эталон
			твердость
	Моосу
	1	Тальк	2,4
	2	Гипс	36
	3	Кальцит	109
	4	Флюорит	189
	5	Апатит	536
	6	Полевой шпат	795
	7	Кварц	1120
	8	Топаз	1427
	9	Корунд	2060
	10	Алмаз	10060

Нередко, дляопределениятвердостиминералаиспользуютшироко распространенные предметы (особенно если отсутствует минерал – эта-

28

лон). Так, мягкийгрифелькарандашаимееттвердость1 балл, ноготь–2,5 балла, медная монета – 3 балла, железный гвоздь – 4 балла, стекло – 5 баллов, игла или лезвие ножа – 6 баллов, напильник – 7 баллов.

Большинствоминералов вприроде имееттвердостьот2 до 6 баллов; некоторые минералы отличаются различной твердостью в разных направлениях. Например, минералдистенAl2[SiO4]O имееттвердостьпо длине кристалла 4,5 балла, а поперек – 6.

3. Спайность– способностьнекоторыхминераловраскалываться или расщепляться по одному или нескольким направлениям с образованием ровных блестящих поверхностей. Это связано со строением кристаллической решетки минерала (см. рис.2.3).

Рис. 2.3. Плоская сетка кристаллической решетки.

Каквиднонарисунке, плоскуюсеткулегчеразорватьполинииАБ, нежели по линии СД.

Спайность может проявляться в одном направлении (слюда, графит), вдвух(полевыешпаты), втрех(кальцит, каменнаясоль), вчетырех (флюорит) и в шести направлениях (сфалерит).

Спайность подразделяется по степени ее совершенства:

29

-весьмасовершенная– минералылегкорасщепляютсяилираскалываются на отдельные тонкие пластинки с блестящей зеркальной поверхностью (слюда, гипс);

-совершенная– кристаллвлюбомместеколетсяпоопределенным направлениям, образуяровныеповерхности; неправильныйсколполучается очень редко (кальцит, галит, галенит);

-средняя – при расколе получаются как ровные, так и неровные поверхности (полевые шпаты, роговая обманка);

-несовершенная – ровные поверхности при расколе получаются редко (апатит, берилл);

-весьманесовершенная– спайностьотсутствует, прирасколеполучаются только неровные поверхности излома (кварц).

4.Блескминераласвязансотражениемсветовыхлучейотповерхности минерала. По блеску различают две большие группы минералов:

-минералы с металлическим блеском – блестящие непрозрачные минералы, такие как пирит, самородные металлы;

-минералыснеметаллическимблеском– болееобширнаягруппа,

вкоторой, в свою очередь, выделяется несколько различных видов блеска. Как то: алмазный блеск - очень интенсивный блеск немногих прозрачных и просвечивающих минералов (алмаз, сфалерит); стеклянный – блеск, характерныйдляпрозрачныхиполупрозрачныхминералов(кальцит, полевыешпаты, кварц); перламутровый – блесксрадужными переливами, присущийпрозрачнымминералам(мусковит, тальк, гипс); инекоторые другие виды (жирный, шелковистый, матовый, восковый).

-минералысполуметаллическимблеском(похожимнаметаллический, но более слабый);

-минералы, лишенные блеска (землистые массы).

5.Цветминерала. Длянекоторыхминераловцветявляетсяпостоянным признаком. Например, минерал малахит всегда имеет зеленый цвет, киноварь– красная, азурит– синий, пирит– золотистый. Длябольшинства минералов цвет – непостоянный признак. Например, полевые шпаты могут быть белые, серые, желтые, зеленые, красные. А минерал турмалин (из группы сложных бороалюмосиликатов):

Na(Mg,Fe)3(Al,Fe)6[BO3]3[Si6O18](OH,F)4, можетбытьокрашенвообщево всецветарадугиидажевстречаютсяполихромныекристаллытурмалина: один конец розовый, другой конец зеленый, середина белая.

6. Цветчерты. Минералы, твердостькоторыхотносительноневелика, оставляют черту нанеглазурованной фарфоровой пластинке. Цвет этой черты, или, другимисловами, цветминерала в порошке, иногдаотличаетсяотцветаминералавкуске. Например, черныепоцветугематит, хромит, сфалеритоставляют, соответственно, вишнево-красную, желтую и коричневую черту, а золотистый пирит – черную. Цвет черты обла-

30

дает большим постоянством, чем цвет минерала в образце. Для диагностикибольшоезначениеимеетцветчертыминераловсметаллическими полуметаллическим блеском.

7.Оптическиесвойстваминераловизучаютсяподмикроскопом, в очень тонких срезах – шлифах, в проходящем свете. Однако некоторые оптическиесвойстваможноувидетьневооруженнымглазом. Например, припрохождениисветачерезкристаллоптическогокальцита– такназываемогоисландскогошпата, естественныйсветраспадаетсянадвесветовыеволны, распространяющиесясразличнымискоростями. Этоэффект двупреломления света. Предмет, рассматриваемый через пластинку исландского шпата, двоится.

8. При диагностике – определении минерала по внешним признакам, могутбытьиспользованынекоторыеегоспецифические, присущие небольшой группе минералов, свойства:

−магнитность: некоторыеминералы, содержащиежелезо(магнетит), действуют на магнитную стрелку компаса и притягиваются даже слабыми магнитами.

−прозрачность: способностьминераловпропускатьсвет. Постепени прозрачности различают прозрачные минералы (горный хрусталь, исландскийшпат, мусковит), просвечивающиеилиполупрозрачныеминералы (халцедон, гипс) и прозрачные минералы.

−растворимостьвводе: некоторыеминералырастворимывводе,

восновном галоиды и фториды.

−вкус: многиерастворимыевводеминералыимеютвкус: галит– соленый, сильвин – горько-соленый.

−запах: некоторыеминералыимеютхарактерныйзапах: асфальт, сера, арсенопирит FeAsS (при ударе издает запах чеснока).

−растворимостьвкислотах: минералыгруппыкарбонатовреаги-

руют с растворами соляной и азотной кислот (кальцит CaCO3 – бурно вскипает в HCl);

−ковкость: свойство самородных металлов. Максимальная ковкостьузолота: теоретически, золотоможетобразовыватьслойтолщиной

внесколько молекул;

−гибкость характерна для листоватых минералов – слюд.

−горючесть: типичные горючие минералы это самородная сера, янтарь, озокерит.

−радиоактивность: характерна для минералов, содержащих радиоактивные элементы (U, Th, Ra) и изотопы.

−электрические свойства: некоторые минералы обладают электрическими свойствами. Выделяют пиро - и пьезоэлектричество. Пироэлектричество: заряд возникает на концах кристаллов-диэлектриков в