Лекция 4. Минералы

Верхняя каменная оболочка Земли – земная кора – сложена разнообразными по происхождению и составу горными породами, которые в свою очередь состоят из минералов.

Минералами называют однородные по составу и внутреннему строению природные вещества (химические соединения или отдельные элементы), образовавшиеся в результате процессов, происходящих в недрах земной коры и на ее поверхности.

Подробным изучением минералов занимается особая наука – минералогия. В настоящее время установлено около 3500 минеральных видов. Однако лишь несколько десятков минералов (около 70) пользуются широким распространением. Они входят в состав горных пород и руд и называются породообразующими.

Абсолютное большинство минералов являются твердыми кристаллическими телами и только незначительное их число встречается в земной коре в твердом аморфном (опал, лимонит), жидком (вода, ртуть) или газообразном (углекислый газ, сероводород) состоянии.

Все кристаллические вещества в отличие от аморфных обладают закономерным внутренним строением, выражающемся в наличии у них кристаллических решеток – однородных бесконечно вертикальных построек, в которых материальные точки (атомы, молекулы, ионы и их группы) занимают строго определенные, геометрически закономерные места в пространстве.

Все кристаллические вещества обладают рядом свойств, являющихся следствием их закономерного внутреннего строения. Первое из них – анизотропность, или неравносвойственность в различных направлениях (в отличие от аморфных тел, которые всегда изотропны). Второе – однородность – выражается в том, что любые сколь угодно малые частицы одного и того же кристаллического вещества обладают одинаковыми свойствами (по параллельным направлениям). Но самым характерным свойством кристаллических веществ является их способность самоограняться, т.е. принимать в условиях свободного роста форму правильных многогранников – кристаллов.

Поверхность кристалла ограничена плоскостями - гранями, которые пересекаются под прямыми линиями – ребрами. Точки пересечения ребер образуют вершины.

Следует заметить, что в условиях земной коры редко реализуются условия свободного роста, поэтому кристаллы с абсолютно правильной огранкой возникают редко. В связи с этим в природных кристаллах минералов одинаковые грани могут развиваться неравномерно, тогда их форма отклоняется от геометрически правильной и их называют реальными кристаллами.

Во внешней форме кристаллов находят отражение закономерности строения кристаллических решеток, в том числе и каждый минерал, имеет свои, характерные для него формы кристаллов.

Важной особенностью кристаллических веществ является развитие в них явлений полиморфизма и изоморфизма.

Полиморфизмом называется свойство соединений и простых веществ в зависимости от внешних условий кристаллизоваться в различных структурных типах. Разности данного кристаллического вещества, устойчивые в определенных физико-химических условиях, называются его полиморфными модификациями.

Поскольку природные условия минералообразования очень разнообразны, полиморфизм достаточно широко распространен среди минералов. Классическим примером являются полиморфные модификации углерода – алмаз и графит.

Алмаз обычно возникает в условиях высоких давлений и имеет прочную кубическую решетку; при низких же давления углерод кристаллизуется в виде графита, обладающего слоистой гексагональной решеткой. И как следствие оба эти минерала, имеющие один и тот же состав. Обладают совершенно различными свойствами.

Другими примерами могут служить полиморфные модификации Fe₂S – пирит (кубический) и марказит (ромбический); CaCO₃ – кальцит (тригональный) и арагонит (ромбический) и т.д.

Под изоморфизмом понимается явление взаимного замещения атомов, ионов или их групп в кристаллических решетках минералов без изменения их строения. Образующиеся при этом вещества имеют переменный состав и называются изоморфными смесями или твердыми растворами.

В зависимости от количественных соотношений замещающих друг друга компонентов различают полный, или совершенный, изоморфизм, когда компоненты смешиваются в любых процентных соотношениях, и неполный, или несовершенный изоморфизм, когда сместимость возможна только в определенных соотношениях.

Среди минералов примером полного изоморфизма является группа плагиоклазов, представляющая собой неправильный изоморфный ряд, крайними членами которого являются натриевая составляющая – альбит Na[AlSi₃O₈] и кальциевая – анортит Ca[Al₂Si₂O₈]. Случаи неполного изоморфизма гораздо более многочисленны, например в кальците (CaCO₃) только до 22% кальция может замещаться магнием. Изоморфные примеси содержат очень многие минералы, поэтому их химические формулы достаточно сложны.

В условиях земной коры образование минералов может происходить несколькими способами, различающимися характером среды минералообразования.

1. Путем кристаллизации природных силикатных расплавов – магм – при понижении их температуры ниже точки плавления. Именно таким способом образуется большинство минералов магматических горных пород.

2. путем отложения минерального вещества из водных растворов, истинных или коллоидных. Такие растворы могут быть горячими или холодноводными. Так образуются очень многие рудные минералы. Отложение минералов из растворов происходит вследствие изменения физико-химических условий - температуры, давления, концентрации растворов, кислотности – щелочности или окислительно-восстановительного потенциала среды.

3. Путем реакционного взаимодействия между растворами и горными породами.

4. Вследствие различных превращений, протекающих в твердом состоянии и имеющих диффузионный характер.

Перечисленные способы образования минералов реализуются в различных геологических процессах, неотъемлемой составной частью которых являются процессы минералообразования. Как известно все геологические процессы делятся на эндогенные и экзогенные.

Эндогенные геологические процессы происходят в недрах Земли при повышенных температурах и давлениях; их энергетическим источником является внутренняя тепловая энергия планеты.

Среди эндогенных процессов основными минералообразующими процессами являются магматизм и метаморфизм.

В первом случае формирование минералов может происходить на разных его стадиях, в связи с чем выделяют ряд минералообразующих процессов магматогенной природы.

Собственно магматический, когда образование минералов осуществляется путем непосредственной кристаллизации из магматических расплавов при понижении их температуры ниже точки плавления. Так образуются оливин, пироксены, роговая обманка, апатит, хромит и т.д.

По мере кристаллизации магма обогащается газовыми компонентами, и если кристаллизация минералов происходит из этих остаточных, богатых газами расплавов. Минералообразующий процесс называется пегматитовым. Главными минералами этого процесса являются мусковит, кварц, полевые шпаты, обязательные для всех гранитных пегматитов.

На определенной стадии эволюции магматических расплавов, когда предел растворимости в них газовых компонентов повышается, от магма отделяются горячие растворы, которые выносят с собой многие полезные компоненты. Сначала в надкритических условиях эти растворы являются газовыми (пневматитовыми), а по мере снижения температур меняют свое агрегатное состояние и переходят в жидкие (гидротермальные). Этот процесс образования минералов путем выделения их из горячих газов жидких растворов называют пневмато-гидротермальным. Именно таким путем образуется большинство рудных минералов – вольфрамит, молибденит, пирит, касситерит, халькопирит, галенит, сфалерит, киноварь, антимонит и многие другие. Все вышеперечисленные процессы минералообразования, непосредственно или косвенно связанные с деятельность магмы, называют магматогенными.

К эндогенным принадлежат и метаморфические процессы минералообразования. Они заключаются в глубоком преобразовании в эндогенных условиях ранее сформировавшихся минералов и пород вследствие изменения физико-химических условий (температуры, давления, концентрации химически активных компонентов). При этом почти все преобразования происходят в твердом состоянии. И в результате старые минералы замещаются новыми. Более устойчивыми в создавшейся термодинамической обстановке. Так возникают тальк, хлорит, серпентин, графит.

Если метаморфизм имеет не региональный, а локальный характер и развивается в зонах контактов внедряющих магм с вмещающими породами (контактовый метаморфизм), важную роль в образовании минералов приобретают химически активные растворы, отделяющиеся от магмы или имеющие глубинное происхождение. С их помощью осуществляются различные обменные реакции, приводящие к образованию целого ряда новых минералов (гранат, эпидот, магнетит, халькопирит, сфалерит, молибденит и т.д.). Этот процесс минералообразования, происходящий в контактовых зонах интрузивов при активном участии газовых и жидких растворов, называется контактово-метасоматическим.

В экзогенных условиях минералообразование связано с процессами выветривания и осадконакопления. При выветривании минералы образуются вследствие воздействия на выходящие на земную поверхность горные породы различных атмосферных и биогенных агентов – кислорода, углекислого газа, органических кислот, микроорганизмов.

Происходящие при этом физико-химические процессы (растворение, окисление, гидролиз, гидратация) приводят к разложению уже существовавших минералов и замене их другими, устойчивыми в экзогенной среде. К типичным минералам выветривания можно отнести лимонит, ярозит, каолинит, малахит, опал, азурит и т.д.

С процессами осадконакопления связано образование осадочных минералов. Они образуются путем выпадения минеральных веществ из холодных истинных или коллоидных растворов при изменении физико-химических условий среды. Такими природными растворами могут быть воды морей и океанов, озер и болот, подземные воды. осадочный генезис имеют галит, сильвин, часто гипс, кальцит, доломит, оксиды и гидрооксиды марганца, алюминия, железа.

Большинство минералов не связано с каким-то одним процессом и может формироваться в различных геологических обстановках. Однако, встречаются минералы, характерные только для определенного процесса минералообразования. Их называют типоморфными.

В природе минералы встречаются либо в виде одиночных кристаллов и их сростков, либо, гораздо чаще, в виде скоплений минеральных зерен, называемых минеральными агрегатами. При этом один и тот же минерал при разных условиях может давать выделения различной формы.

Монокристаллы – единичные, сравнительно хорошо ограниченные кристаллы минералов, образуются в условиях свободного роста (в трещинах, пустотах) и в принципе могут быть продуктами почти всех минералообразующих процессов. Но, поскольку такие условия создаются не часто, поэтому природные монокристаллы сравнительно редки.

Очень часто кристаллы срастаются друг с другом. Такие сростки имеют разные формы:

Друзы – это сростки более менее правильных кристаллов, нарастающих на единое основание. Для их образования также необходимы открытые полости, где может происходить свободный рост кристаллов. Если в друзах кристаллы обладают близкими размерами, одинаково ориентированы и соприкасаются друг с другом, их называют щетками. А скопления на едином основании очень мелких кристалликов формируют кристаллические корки.

В земной коре минеральные агрегаты встречаются чаще, чем кристаллы и их сростки. По морфологии среди них выделяют зернистые, землистые, плотные, округлые, натечные и тонкие пленки.

Зернистые агрегаты наиболее распространены в природе, так как могут формироваться практически во всех минералообразующих процессах. Они образуются при одновременной кристаллизации из растворов или расплавов большого числа минеральных зерен. Из-за взаимных помех при росте кристаллы в этом случае не могут иметь правильной гранки и принимают форму того свободного пространства, которое было в их распоряжении. Отдельные минеральные зерна в таких агрегатах различимы простым глазом. В зависимости от количества слагающих их минералов зернистые агрегаты могут быть мономинеральными или полиминеральными.

Землистые и плотные агрегаты характеризуются тем, что в них отдельные минеральные зерна не различимы невооруженным глазом. При этом в землистых агрегатах сцепление между минеральными частицами невелико и они легко отделятся друг от друга. Подобные выделения характерны в основном для экзогенных минералообразующих процессов.

Округлые агрегаты. К этой группе могут быть отнесены секреции, конкреции и оолиты.

Секреции образуются при заполнении минеральным веществом округлых пустот в горных породах. При этом минеральное вещество отлагается на стенках полости, постепенно заполняя ее от периферии к центру. Поэтому секреции имеют концентрически-зональное внутреннее строение. В центре секреций могут оставаться полости. Мелкие секреции (до 10 мм) называются миндалинами, крупные с пустотой внутри – жеодами.

Конкреции представляют собой стяжения шарообразной или неправильно-округлой формы. Они формируются за счет отложения минерального вещества вокруг какого-либо центра кристаллизации и часто имеют радиально-лучистое внутреннее строение. В отличие от секреций, рост конкреций происходит от центра к периферии.

Оолитами называют мелкие (до 10 мм в поперечнике), обычно сцементированные округлые выделения, чаще всего сходные по внутреннему строению с конкрециями. Они образуются при выделении минерального вещества из водных сред.

Все округлые формы выделения характерны для минералов экзогенного происхождения.

Натечные агрегаты также характерны для экзогенных минералообразующих процессов. Они формируются в пустотах при медленной кристаллизации вещества из растворов (преимущественно коллоидных) или при их испарении. Имеют различную форму – почковидную, гроздевидную, столбчатую, неправильную. Натеки, свисающие в виде сосулек сверху, называют сталактитами, поднимающиеся им навстречу – сталагмитами, срастаясь они образую сталагматы.

По химическому составу минералы объединяются в классы, подразделяемые на подклассы и, далее, группы. Наибольшее распространение в земной коре получили восемь классов минералов.

1. Самородные минералы состоят только из одного химического элемента. Объединяют около 45 минералов самого разного происхождения, составляющих менее 0,1 % массы земной коры. Большинство имеет огромное хозяйственное значение (алмаз, графит, сера, золото, медь и др.). Физические характеристики самородных минералов отличаются большим разнообразием.

2. Сульфиды – сернистые соединения тяжелых металлов. Класс насчитывается около 250 минералов, составляющих 0,15 % массы земной коры. Образование сульфидов идет без доступа кислорода, большинство из них имеет гидротермальное происхождение. При окислении сульфиды легко переходят в окислы, карбонаты или сульфаты. Ценность сульфидов в том, что они являются рудами на цветные металлы, причем зачастую им сопутствует золото. Наибольшим распространением пользуются пирит (железный колчедан) FeS₂, халькопирит (медный колчедан) CuFeS₂, галенит (свинцовый блеск) PbS, сфалерит (цинковая обманка) ZnS, киноварь HgS и др. Подавляющему большинству сульфидов характерны металлический блеск, низкая и средняя твердость, высокая плотность.

3. Галогениды (галоидные соединения) являются солями галоидно-водородных кислот. Насчитывается около 100 представителей, как правило, гипергенного и гидротермального происхождения. Чаще всего встречаются соединения хлористые и фтористые, такие, как применяемые в химической промышленности галит NaCl (каменная соль), сильвин KCl (калийная соль). В оптике используется флюорит CaF₂. Галогениды отличаются стеклянным блеском, невысокими твердостью и плотностью, часто легкой растворимостью в воде.

4. Фосфаты образованы разного происхождения солями фосфорной кислоты. Класс насчитывает около 200 минералов, составляющих около 0,7 % массы земной коры. Чаще всего применяются для производства фосфорных удобрений магматического происхождения апатит Ca₅ (F, Cl) [PO₄]₃ и близкий к нему по составу, но гипергенного происхождения фосфорит (фосфат кальция). Фосфатам характерны невысокие показатели твердости и плотности.

5. Сульфаты представляют собой соли серной кислоты, накапливающиеся, в большинстве своем, в соленасыщенной водной среде. Сульфатам принадлежит большое породообразующее значение, они слагают около 0,1 % массы земной коры. Минералам свойственны низкая твердость, неметаллические разновидности блеска, светлая окраска. В земной коре широко распространены гипс CaSO₄ x 2H₂O, ангидрит CaSO₄, мирабилит (глауберова соль) Na₂SO₄ x 10H₂O.

6. Карбонаты являются солями угольной кислоты, насчитывают около 80 представителей. Карбонаты имеют огромное породообразующее значение в составе осадочных и метаморфических пород, составляют до 2 % массы земной коры. Отличительной особенностью карбонатов является их активное взаимодействие с соляной кислотой, сопровождающееся бурным выделением углекислого газа. Блеск большинства карбонатов стеклянный, твердость невысокая. Наиболее распространены такие представители, как кальцит CaCO₃, магнезит MgCO₃, доломит CaMg(CO₃)₂, сидерит FeCO₃.

7. Окислы и гидроокислы составляют до 17 % массы земной коры. Представители этого класса объединяют минералы разного происхождения и подразделяются, соответственно названию, на два подкласса: окислов, отличающихся высокой и средней твердостью, и гидроокислов, обладающих низкой твердостью. С другой стороны, названный класс можно разделить на окислы и гидроокислы кремния и окислы и гидроокислы металлов. Окислы и гидроокислы кремния обладают исключительно важным породообразующим значением: только на долю кварца SiO₂ приходится до 12% массы земной коры. Скрытокристаллические модификации кварца представлены разноокрашенными халцедонами. Среди водных окислов кремния необходимо назвать опал SiO₂ x nH₂O. Этим минералам соответственно характерен стеклянный или металлический блеск. Окислы и гидроокислы металлов обладают важнейшим рудообразующим значением. Для них свойственен, соответственно, металлический или матовый блеск. Наибольшее значение принадлежит таким минералам, как магнетит Fe₃O₄, гематит Fe₂O₃, лимонит Fe₂O₃ x nH₂O, корунд Al₂O, боксит Al₂O x nH₂O.

8. Силикаты и алюмосиликаты объединяют около 800 минералов, многим из которых принадлежит огромное породообразующее значение, ведь представители этого класса составляют до 80 % массы земной коры. Если же к числу силикатов относить и кварц, являющийся типичным силикатом по строению кристаллической решетки (но не по химическому составу), то доля превысит 90 %. Происхождение минералов данного класса разное. Основу кристаллической решетки в минералах составляет кремний-кислородный тетраэдр. В зависимости от сочетаний этих тетраэдров, все силикаты разделяются на большое количество групп.

– Островные силикаты сложены изолированными тетраэдрами. Самый распространенный представитель, имеющий огромное породообразующее значение – магматического происхождения оливин (MgFe)₂[SiO₄].

– Цепочечные силикаты объединяют минералы группы пироксенов, в которых тетраэдры соединены в непрерывные цепочки. Наиболее распространен породообразующий алюмосиликат авгит

(Ca, Na) (Mg, Fe²⁺, Al, Fe³⁺) [(Si, Al)₂O₆].

– Кольцевые силикаты обладают соединенными в замкнутые кольца тетраэдрами. Представитель – берилл Be₃Al₂[Si₆O₁₈].

– Ленточные силикаты содержат соединенные в обособленные ленты тетраэдры. Здесь выделяется группа амфиболов – минералов с непостоянным химическим составом, среди которых наиболее распространен породообразующий минерал роговая обманка.

– Листовые (слоевые) силикаты представлены минералами, в которых тетраэдры объединены в ленты, образующие единый непрерывный слой. Наибольшим распространением среди них пользуются такие породообразующие минералы, как слюды: бесцветный мусковит

KAl₂ (OH)₂ [AlSi₃O₁₀] и его мелкочешуйчатая разновидность серицит, черный биотит K(Mg, Fe)₃ (OH, F)₂ [AlSi₃O₁₀]. Кроме них часто встречаются метаморфического происхождения серпентин (змеевик) Mg₆(OH)₈ [Si₄O₁₀], тальк Mg₃(OH)₂ [Si₄O₁₀] и непостоянного состава хлориты. Эти минералы возникают при воздействии на ультраосновные породы горячих растворов и газов. Другая часть листовых силикатов образуется в результате гипергенеза – выветривания содержащих полевые шпаты и слюды магматических и метаморфических пород. Так возникают глинистые минералы каолин Al₄(OH)₈ [Si₄O₁₀], монтмориллонит (Mg₃, Al₂) [Si₄ O₁₀] (OH)₂ x nH₂O, бейделлит Al₂[Si₄O₁₀] (OH)₂ x nH₂O, нонтронит (Fe, Al₂) [Si₄O₁₀] (OH)₂ x nH₂O, а также гидрослюды – минералы непостоянного состава. Среди листовых силикатов выделяется также глауконит – водный алюмосиликат K, Fe, Al, образующийся в шельфовой зоне на глубинах 200 – 300 м.

– Каркасные силикаты представлены группами полевых шпатов и нефелина. Важнейшей из них является группа полевых шпатов, доля которых в массе земной коре достигает 50 %. Каркас полевых шпатов создан тетраэдрами, сцепленными всеми четырьмя вершинами. Группа подразделяется на калиево-натриевые и кальциево-натриевые полевые шпаты. Первые представлены ортоклазом K[AlSi₃O₈]. Вторые – разновидностями плагиоклазов, в которых наблюдается последовательное уменьшение содержания SiO₂. В соответствии с этим плагиоклазы включают ряд минералов: от натриевого (кислого по составу) альбита Na[AlSi₃O₈] – его сокращенная запись Ab, до кальциевого (основного) анортита Ca[AlSi₃O₈] – его сокращенная запись An. Промежуточное расположение занимает кальциево-натриевый (средний по составу) лабрадор Ab₅₀ An₅₀ – иризирующий плагиоклаз. Помимо полевых шпатов, в числе каркасных силикатов выделяют группу нефелина Na₃K[AlSiO₄]₄ – породообразующего алюмосиликата магматического и пегматитового происхождения.