Минерал

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
минералы

Минера́л (нем. Мinеrаl или фр. minéral, от позднелат. (аеs) minerale — руда[1]) — природное тело с определённым химическим составом и зачастую с упорядоченной атомной структурой (кристаллической структурой), образующееся в результате природных физико-химических процессов и обладающее определёнными физическими свойствами. Является составной частью земной коры, горных пород, руд, метеоритов. Изучением минералов занимается наука минералогия. С конца 1950-х годов новые минералы и их названия утверждаются Комиссией по новым минералам и названиям минералов (КНМНМ) Международной минералогической ассоциации (IMA)[2]. В настоящее время установлено около 4900 минеральных видов, более 4660 из которых было одобрено Комиссией. Однако лишь несколько десятков минералов (около 100) пользуются широким распространением. Они входят в состав горных пород и называются породообразующими. В последнее время усилиями рекламодателей минералами стали ошибочно называть также биологически значимые элементы (микро- и макроэлементы), входящие в состав биодобавок, что вносит путаницу в терминологию и дезориентирует покупателя.

Определение[править | править вики-текст]

Понятие «минерал» подразумевает твёрдое природное неорганическое кристаллическое вещество. Но иногда его рассматривают в неоправданно расширенном контексте, относя к минералам некоторые органические, аморфные и другие природные продукты, в частности некоторые горные породы, которые в строгом смысле не могут быть отнесены к минералам.

  • Минералами считаются также некоторые природные вещества, представляющие собой в обычных условиях жидкости (например, самородная ртуть, которая приходит к кристаллическому состоянию при более низкой температуре). Воду, напротив, к минералам не относят, рассматривая её как жидкое состояние (расплав) минерала лёд.
  • Некоторые органические вещества — нефть, асфальты, битумы — часто ошибочно относят к минералам, либо выделяют их в особый класс «органические минералы», целесообразность чего весьма спорна.
  • Некоторые минералы находятся в аморфном состоянии и не имеют кристаллической структуры. Это относится главным образом к т. наз. метамиктным минералам, имеющим внешнюю форму кристаллов, но находящимся в аморфном, стеклоподобном состоянии вследствие разрушения их изначальной кристаллической решётки под действием жёсткого радиоактивного излучения входящих в их собственный состав радиоактивных элементов (U,Th, и тд.). Различают минералы явнокристаллические, аморфные — метаколлоиды (например, опал, лешательерит и др.) и метамиктные минералы, имеющие внешнюю форму кристаллов, но находящиеся в аморфном, стеклоподобном состоянии.

«Минерал — это химически и физически индивидуализированный продукт природной физико-химической реакции, находящийся в кристаллическом состоянии»[3].

По определению академика Н. П. Юшкина (1977), «минералами называются естественные дискретные органически целостные системы взаимодействующих атомов, упорядоченных с трёхмерной неограниченной периодичностью их равновесных положений, являющиеся относительно неделимыми структурными элементами горных пород и дисперсных фазовогетерогенных образований. Вся совокупность минералов составляет минеральный уровень структурной организации неорганической материи, спецификой которого является кристаллическое состояние, определяющее свойства, законы функционирования и методы исследования минеральных систем».

Понятие «минерал» часто употребляется в значении «минеральный вид», то есть как совокупность минеральных тел данного химического состава с данной кристаллической структурой.

Кристаллическая структура является и важнейшей диагностической характеристикой минерала, и носителем заложенной в минерале генетической информации, расшифровкой которой среди прочего занимается минералогия. Вопрос о целесообразности отнесения к минералам в порядке «исключений из правила» некоторых некристаллических (жидких или рентгеноаморфных) продуктов является спорным и до сих пор дискутируется учеными. Вместе с тем современные исследования показали, что некоторые аморфные, как считалось ранее, геологические продукты, например опал, устроены сложнее, чем считалось ранее и обладают внутренней «структурой дальнего порядка».

Некоторые разновидности лимонита, описанные в своё время как «метаколлоиды», оказались при детальном изучении скрытокристаллическими или волокнисто-сферолитовыми агрегатами гл. образом гётита, иногда с примесью лепидокрокита, гематита и ярозита. Представления о «колломорфном» происхождении некоторых минеральных форм (лимониты, «стеклянные головы» гётита, гематита, настурана и др.) были опровергнуты после их более углубленного изучения и анализа в работах Д. П. Григорьева, Ю. М. Дымкова и др. Коллоидные фазы существуют лишь как промежуточные в процессах массопереноса и минералообразования и являются одной из физико-химических сред, в которых или из которых происходит кристаллизация минералов.

Классификация минералов[править | править вики-текст]

Существует много вариантов классификаций минералов. Большинство из них построено по структурно-химическому принципу.

По распространённости минералы можно разделить на породообразующие — составляющие основу большинства горных пород, акцессорные — часто присутствующие в горных породах, но редко слагающие больше 5 % породы, редкие, случаи нахождения которых единичны или немногочисленны, и рудные, широко представленные в рудных месторождениях.

Наиболее широко используется классификация по химическому составу и кристаллической структуре. Вещества одного химического типа часто имеют близкую структуру, поэтому минералы сначала делятся на классы по химическому составу, а затем на подклассы по структурным признакам.
Общепринятая в настоящее время кристаллохимическая классификация минералов подразделяет все их на классы и выглядит следующим образом:

Наглядный почтовый блок «Минералы», 2009

I. Раздел Самородные элементы

II. Раздел Сульфиды, сульфосоли и им подобные соединения

III. Раздел Галоидные соединения (Галогениды)

IV. Раздел Оксиды и гидроксиды

V. Раздел Кислородные соли (оксисоли)

VI. Раздел Органические соединения

Представленная выше классификация не может считаться исчерпывающей, так как в ней минерал рассматривается только как минеральный вид — совокупность минералов данного химического состава с данной кристаллической структурой.

Изучением минералов как видов занимается филогения минералов — раздел генетической минералогии, посвящённый исследованию процессов генезиса минеральных видов и образования парагенезисов: физико-химических условий возникновения видов и парагенезисов, причин кристаллизации, термобарогеохимии, изоморфизма, типоморфизма, типохимизма и т. п.(Д. П. Григорьев, 1955).

Вместе с тем минеральнй вид как таковой — в известном смысле абстракция, ведь в природе минералы находятся в виде физических тел — минеральных индивидов, агрегатов, рудных тел и т. д. Таким образом, кристаллохимическая характеристика минерала должна быть дополнена характеристикой морфологической, характеризующей формы его нахождения как физические тела. Изучением минералов как изменчивых во времени физических тел занимается онтогения минералов — раздел генетической минералогии, посвященный изучению генезиса минеральных индивидов и агрегатов, их возникновения, изменения и исчезновения.

Формы нахождения минералов[править | править вики-текст]

В ХХ веке в минералогии появились новые направления. Одним из них явилась онтогения минералов, изучающая формы индивидов и агрегатов минералов, их строение и взаимоотношения и позволяющая по полученным результатам восстановить историю их возникновения, развития и разрушения[4].

В связи с появлением новых задач и методик возникла актуальная потребность формирования адекватной поняти́йной базы, уточнения ряда старых терминов и введения новых[5]. И, разумеется, их взаимной увязки и систематизации. Как, впрочем, и самих природных объектов, этими терминами определяемых. Начнём с самого общего…

Минеральные индивиды — составные части минеральных агрегатов. Это отдельные кристаллы, зерна и сферические или близкие к сферическим выделения минералов, отделенные друг от друга физическими поверхностями раздела и представляющие собой форму нахождения минеральных видов в природе.

Минеральный индивид — исходное понятие минералогии, означающее зерна и идиоморфные кристаллы, в виде которых в природе представлены минеральные виды; индивиды могут быть зернами — «монокристаллами» или сферокристаллами, из которых строятся простые минеральные агрегаты (Ю. М. Дымков, 1966)

Минеральные агрегаты — это срастания минеральных индивидов одного и того же или разных минералов. Они могут быть одно- и многоэтапными.

Минеральный агрегат — исходное понятие минералогии. На уровне организации вещества, следующем за понятием «индивид», агрегат — это скопление индивидов, не обладающее при идеальном развитии чёткими признаками симметричных фигур (это принципиальное отличие от индивидов — по Ю. М. Дымкову, 1966).

Минеральными телами называются скопления минеральных агрегатов, обладающие естественными границами. Размеры их варьируют от микроскопических до очень крупных, соизмеримых с масштабом геологических объектов.

Свойства минералов[править | править вики-текст]

Важнейшими характеристиками минералов являются кристаллохимическая структура и состав. Все остальные свойства минералов вытекают из них или с ними взаимосвязаны. Важнейшие свойства минералов, являющиеся диагностическими признаками и позволяющие их определять, следующие:

  • Габитус кристаллов. Выясняется при визуальном осмотре, для рассматривания мелких образцов используется лупа
  • Твердость. Определяется по шкале Мооса. По этой шкале, самым твёрдым эталонным минералом является алмаз (10 по шкале Мооса, с абсолютной твёрдостью 1600, может резать стекло), а самым мягким является тальк (1 по шкале Мооса, с абсолютной твёрдостью 1, царапается ногтем)[6]. Твёрдость минерала не всегда постоянна для каждой из его сторон, что является производным от кристаллической структуры минерала — в некоторый направлениях срезать слой кристаллической решётки легче, чем в других[6]. Примером такого минерала является кианит имеющий твёрдость 5.5 по шкале Мооса в одном направлении и твёрдость 7 в другом[7].
  • Блеск — световой эффект, вызываемый отражением части светового потока, падающего на минерал. Зависит от отражательной способности минерала.
  • Спайность — способность минерала раскалываться по определённым кристаллографическим направлениям.
  • Излом — специфика поверхности минерала на свежем не спайном сколе.
  • Цвет — признак, с определённостью характеризующий одни минералы (зелёный малахит, синий лазурит, красная киноварь), и очень обманчивый у ряда других минералов, окраска которых может варьировать в широком диапазоне в зависимости от наличия примесей элементов-хромофоров либо специфических дефектов в кристаллической структуре (флюориты, кварцы, турмалины).
  • Цвет черты — цвет минерала в тонком порошке, обычно определяемый царапанием по шершавой поверхности фарфорового бисквита.
  • Магнитность — зависит от содержания главным образом двухвалентного железа, обнаруживается при помощи обычного магнита.
  • Побежалость — тонкая цветная или разноцветная плёнка, которая образуется на выветрелой поверхности некоторых минералов за счёт окисления.
  • Хрупкость — прочность минеральных зёрен (кристаллов), обнаруживающаяся при механическом раскалывании. Хрупкость иногда увязывают или путают с твёрдостью, что неверно. Иные очень твёрдые минералы могут с лёгкостью раскалываться, то есть быть хрупкими (например, алмаз)
Галенит, PbS имеет высокий показатель удельной плотности
  • Удельная плотность это термин, используемый для определения единичной массы минерала, представляет собой отношение плотности (массы на единицу объема) минерала к плотности воды. Удельная плотность это скалярная величина. Для большинства минералов эта характеристика не является диагностической. Камнеобразующие минералы, силикаты и некоторые карбонаты имеют удельную плотность в диапазоне 2.5-3.5[8], что объясняет почему камни тонут в воде. Тем не менее высокая удельная плотность может служить диагностической характеристикой для некоторых классов минералов. Среди часто встречающихся минералов более высокую удельную плотность имеют оксиды и сульфиды, поскольку они включают в себя элементы с высокой атомной массой. В общем случае, минералы с металлическим блеском имеют тенденцию к более высокой удельной плотности, чем тусклые минералы. Для примера, гематит, Fe2O3, имеет удельную плотность 5.26[9], в то время как Галенит, PbS, имеет удельную плотность 7.2-7.6[10][11], что является следствием высокой концентрации в них железа и свинца соответственно. Исключительно высокая удельная плотность проявляется в самородных металлах. Камацит, Железо-никелевый сплав распространённый в железных метеоритах имеет удельную плотность 7.9[12], а наблюдаемая удельная плотность самородного золота достигает 19.3[13].

Эти свойства минералов легко определяются в полевых условиях. К другим свойствам минералов относятся, например, оптические свойства: Преломление, Дисперсия и Поляризация, которые характеризуются их оптическими константами: показатель преломления, угол между оптическими осями, оптический знак кристалла, ориентация оптической индикатрисы и др.

Химия минералов[править | править вики-текст]

Распространённость минералов на Земле является прямым следствием их химического состава, который, в свою очередь, зависит от распространённости различных химических элементов. Большинство наблюдаемых минералов добываются из земной коры. Большинство минералов имеют в своём основном составе всего 8 элементов, наиболее распространённых в земной коре: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий и калий (по степени убывания). Вместе эти восемь элементов составляют до 98 % от веса земной коры. Из этих восьми особое значение имеют кислород, составляющий 46,6 % от веса земной коры, и кремний, составляющий 27,7 %[14].

Химический состав минералов, как правило, близок по своему составу той породе, из которой они сформировались. Так из магмы, богатой железом и магнием, сформируется оливин, а магма, богатая силикатами, кристаллизуется в богатый силикатами минерал — как, например, кварц. В известняке, богатом кальцием и карбонатами, формируются кальциты.

Химический состав может изменятся между членами ряда минералов. Например, плагиоклазы, входящие в группу каркасных алюмосиликатов — полевых шпатов, по химическому составу представляют собой непрерывный изоморфный ряд натриево-кальциевых алюмосиликатов — альбита и анортита с неограниченной смесимостью. Имеются 4 опознанные разновидности между богатым натрием альбитом и богатым кальцием анортитом — олигоклаз, андезин, лабрадор и битовнит[15][16]. Другие примеры подобных рядов включают в себя оливиновый ряд от богатого магнием форстерита до богатого железом фаялита[17] и вольфрамитовый ряд от богатого марганцом гюбнерита до богатого железом ферберита[18].

Наличие минеральных рядов объясняется химической субституцией. В природе минералы не являются чистыми материалами. В них присутствуют примеси, состоящие из любых элементов, находящихся в данной химической системе. В результате иногда определённый элемент подменяется другим[19]. Такая подмена обычно происходит между ионами похожих размеров и одинаковых зарядов. Например, K+ не может подменить Si4+ из-за химической и структурной несовместимости, вызванной большим различием в размерах и в заряде, а подмена Si4+ на Al3+ происходит достаточно часто, так как они близки по размеру, заряду и распространённости в земной коре, что мы и наблюдаем на примере плагиоклазов.

Изменения температуры, давления и химического состава влияют на минералогический состав данной породы. Изменения химического состава могут быть вызваны такими процессами, как эрозия почвы и выветривание, а также метасоматизмом. Изменения темературы и давления происходят, когда материнская порода проходит тектонический или магматический сдвиг в иной физический режим. Изменения в термодинамических условиях благоприятно влияют на возможность реакции между уже сформировавшимися минералами с получением новых минералов[20].

Разнообразие минералов[править | править вики-текст]

На сегодняшний день известно более 4 тысяч минералов. Ежегодно открывают несколько десятков новых минеральных видов и несколько «закрывают» — доказывают, что такой минерал не существует.

Четыре тысячи минералов — это очень не много по сравнению с числом известных неорганических соединений (более миллиона). Геологи объясняют небольшое количество минералов следующими причинами:

  • Распространенность элементов в Солнечной системе. Наиболее широко на Земле распространены кислород и кремний (кларковое число: O 470000 (Виноградов, 1962), 472500 (Ведеполь, 1967); Si 295000 (Виноградов, 1962), 305400 (Ведеполь, 1967). Соответственно, подавляющее большинство минералов является силикатами. С другой стороны, некоторые элементы так рассеяны, что никогда не образуют собственных минералов и лишь входят в структуру некоторых минералов в виде примесей.
  • Неустойчивость многих химических соединений в земных условиях.

Использование минералов[править | править вики-текст]

Минералы, наряду с органическими материалами, находят широкое применение. Минералы используются в пищу, как источник сырья, в качестве валюты, как предметы искусства и роскоши и как компоненты высоких технологий. Одним из видов шарлатанства является литотерапия — лечение минералами путем их ношения, прикладывания, вступления в астральные контакты с якобы заключённых в камнях и кристаллах сверхъестественными энергиями и магическими силами. Приверженцы литотерапии утверждают, что каждый кристаллический объект обладает свойствами излучения и поглощения неведомых энергий и полей, которые при «правильном» приложении к биологическому телу способны восстанавливать нарушенный энергетический баланс организма. Литотерапия не имеет под собой клинически доказанных обоснований и научной базы[21].

Использование в пищу[править | править вики-текст]

Для поддержания жизни человек обязан потреблять два минерала: оксид водорода (воду, жидкое агрегатное состояние минерала лёд) и хлорид натрия (поваренная соль). Cоль является самой распространённой приправой из всех.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Фасмер М. Этимологический словарь русского языка. — Прогресс. — М., 1964–1973. — Т. 2. — С. 623-624.
  2. Расцветаева Р.К. Как открыть новый минерал // Природа. — 2006. — № 5.
  3. Годовиков А. А., «Минералогия», М., «Недра», 1983
  4. Формы нахождения минералов в природе
  5. Термины и понятия онтогении минералов
  6. 1 2 Dyar and Gunter, pp. 28-29
  7. Kyanite. Mindat.org. Проверено 1 августа 2012.
  8. Dyar and Gunter, pp. 43-44
  9. Hematite. Mindat.org. Проверено 2 августа 2012.
  10. Galena. Mindat.org. Проверено 2 августа 2012.
  11. Галенит // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  12. Kamacite. Webmineral.com. Проверено 2 августа 2012. Архивировано из первоисточника 13 мая 2013.
  13. Gold. Mindat.org. Проверено 2 августа 2012.
  14. Dyar and Gunter, pp. 4-7
  15. Дир У.-А., Хауи Р.-А., Зусман Дж., Породообразующие минералы, пер. с англ., т. 4, М., 1966
  16. Марфунин А. С., Полевые шпаты — фазовые взаимоотношения, оптические свойства, геологическое распределение, М., 1962.
  17. Фаялит в базе webmineral.com  (англ.)
  18. Характеристика вольфрамита  (англ.)
  19. Dyar and Gunter, p. 141
  20. Dyar and Gunter, p. 549
  21. Lawrence E. Jerome. Crystal Power: The Ultimate Placebo Effect. Prometheus Books, 1989

Литература[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]