Минералы

Все вещество земной коры и мантии Земли состоит из минералов, которые разнообразны по форме, строению, составу, распространенно­сти и свойствам. Все горные породы состоят из минералов или продук­тов их разрушения.

Самое древнее описание минералов относится к 500 г. до н. э., когда в китайском манускрипте Сан Хейдина «Древние сказания о горах и лю­дях», было рассказано о 17 минералах. Само слово минерал происходит от латинского минера, что означает кусок руды.

Минералами называются твердые продукты, образовавшиеся в ре­зультате природных физико-химических реакций, происходящих в ли­тосфере, обладающие определенным химическим составом, кристалли­ческой структурой, имеющие поверхности раздела.

Каждый минерал имеет поверхность раздела с соседними минерала­ми в виде граней кристаллов или межзерновых границ произвольной

Атомы углерода

А

Отрицательные ионы хлора

Рис. 2.20. Кристаллические решетки алмаза (слева) и графита (справа) (А). Форма решеток определяет свойства минералов. Иоиы хлора и натрия в кристалле каменной соли (Б)

Положительные ионы натрия

формы. Совокупность минералов, обладающих одинаковой структурой и близким химическим составом, образует минеральный вид. Например, кристаллы и зерна, имеющие состав Si0₉ и одинаковую структуру, могут иметь разный цвет, размер, форму выделения и т. д., но в целом они от­носятся к одному и тому же минеральному виду — кварцу. Минералы одинакового состава, но с разной структурой относятся к разным мине­ральным видам, например графит и алмаз имеют один состав — углерод, но совершенно различные свойства (рис. 2.20).

В настоящее время выделено более 3 тыс. минеральных видов и почти столько же их разновидностей. Распространенность минералов в зем­ной коре определяется распространенностью химических элементов (табл. 4). По данным А. Б. Ронова и А. А. Ярошевского (1976), наибо­лее распространены в земной коре восемь химических элементов в ве­совых процентах, составляющих в сумме 98 % (см. табл. 4).

Таблица 4 Наиболее распространенные в земной коре (98 %) химические элементы Элемент Символ Ионы % Кислород О О2 46,5 Кремний Si Si** 25,7 Алюминий А1 А13+ 7,65 Железо Fe Fe2+, Fe3+ 6,24 Кальций Са Са2' 5,79 Магний Mg Mg2+ 3,23 Натрий Na Na1+ 1,81 Калий К Кн 1,34

На долю Ti, С, Н, Мп, S и других элементов приходится менее 2 %. К числу редких элементов относятся Си, РЬ, В, Ag, As, однако, будучи мало распространенными, они способны образовать крупные месторож­дения. Некоторые элементы, например Rb, не образуют собственных минералов, а существуют в природе только в виде примесей (табл. 5).

Минерал в виде кристалла — это твердое вещество, в котором ато­мы или молекулы расположены в строго заданном геометрическом по­рядке. Элементарной ячейкой называется самая маленькая часть крис­талла, которая повторяется многократно в 3-мерном пространстве. Формы природных кристаллов-минералов чрезвычайно разнообразны. Варианты размещения атомов и молекул в кристаллах впервые были описаны более 100 лет назад в России Е. С. Федоровым и в Германии А. Шенфлисом, создавшими теорию 230 пространственных групп сим­метрии. Все известные группы кристаллографической симметрии под­разделяются на семь систем, или сингоний (в порядке понижения сим­метрии): 1) кубическая (элементарная ячейка — куб); 2) гексагональная (шестигранная призма); 3) тригональная (ромбоэдр); 4) тетрагональ­ная (тетрагональная призма); 5) ромбическая (прямоугольный парал­лелепипед); 6) моноклинная (параллелепипед с одним углом между гранями, отличающимся от прямого); 7) триклинная (косоугольный параллелепипед).

Все минералы обладают кристаллической структурой — упо­рядоченным расположением атомов, что называется кристалли­ческой решеткой (см. рис. 2.20 и рис. 2.21). Атомы или ионы удер­живаются в узлах кристаллической решетки силами различных

Таблица 5 Некоторые наиболее распространенные химические элементы, ионы и группы в минералах Элемент Символ Анион Катион Группа Символ Алюминий А1   Al3+     Кальций Са   Ca2v     Углерод С   C4+ Карбонат (со3)2- Хлор С1 ci-       Медь Си   Cu2+     Фтор F F"       Водород Н   H+ Гидроксил (ОН) Железо Fe   Fc2+, Fc3+     Свинец Pb   Pba+     Магний Mg   Mg2+     Кислород О O2       Фосфор Р рз-   Фосфаты (РО„)3- Калий К   K>     Кремний Si   5i*+ Силикаты (Sio4y- Натрий Na   Na+     Сера S S2-   Сульфаты   Цинк Zn   Zn2+

типов химических связей: 1) ионной; 2) ковалеитной; 3) металли­ческой; 4) ван-дер-ваальсовой (остаточной); 5) водородной. Бывает, что минерал обладает несколькими типами связи. Тогда образуются компактные групны атомов, между которыми осуществляется более сильная связь. Например, группы [SiOJ ¹ в структуре силикатов, [COJ² в карбонатах. Химические элементы в одном и том же сочета­нии могут кристаллизоваться в различные структуры и образовывать разные минералы. Это явление называется полиморфизмом. Напри­мер, модификации С (алмаз, графит); калиевого полевото шпата (ор­токлаз, микроклин); а также FeS, (пирит, марказит); СаС0₃ (каль­цит, арагонит); кварца и др. Кристаллы минералов бывают анизотропными (неравносвойственными), т. е. со свойствами, оди­наковыми в параллельных направлениях и различными — в непарал­лельных.

Рис. 2.21. Строение кремнекислородного тетраэдра: а — единичный; б — соединенные в цепочку

Изотропными (равносвойственными) называются вещества, например, аморфные, в которых все физические свойства одинаковы по всем направ­лениям.

Одним из факторов, определяющих разнообразный состав минералов, является изоморфизм, способность одних элементов замещать другие в струк­туре минералов без изменения самой структуры. Замещение может быть изовалентным, если элементы одинаковой валентности замещают друг дру­га — Mg⁺² <-» Fe⁺²; Mn⁺² Fe"², или гетеровалентным, когда замещающие ионы имеют различную валентность.

Важную роль в составе минералов играют вода и гидроксильные группы, в зависимости от положения которых в кристаллической структуре различа­ют воду: 1) конституционную; 2) кристаллизационную и 3) адсорбционную. Первая связана со структурой минералов теснее всего и входит в состав мно­гих силикатов, окислов и кислородных солей в виде ОН". Вторая — занимает крупные полости в структуре алюмосиликатов и при нагревании постепенно отделяется от структуры. Третий тип воды отделяется от минералов при нагревании до 110 °С и является самой распространенной разновидностью.

Минералы чаще всего образуют срастания или агрегаты, в каждом из которых отдельные минералы характеризуются внешним обликом — раз­мером и формой выделения. Если минерал хорошо огранен, он называет­ся идиоморфным, а если обладает неправильными очертаниями, — ксено- морфным.

По своему происхождению минералы подразделяются на эндогенные, связанные с земной корой и мантией, и экзогенные, образующиеся на поверхности земной коры.

Современная систематика минералов. Хотя минералов известно более 3 тыс., не более чем 50 из них являются главными породообра­зующими, имеющими наибольшее распространение в земной коре. Ос­тальные минералы присутствуют лишь в виде примесей и называются акцессорными. Среди минералов на основе структурных и химических признаков выделяется несколько основных классов (по А. А. Ульяно­ву, -2000).

1. Самородные элементы и интерметаллические соединения.

В настоящее время известно около 30 элементов в самородном состоя­нии, подразделяющихся на металлы (золото, платина, серебро, медь); полуметаллы (мышьяк, сурьма); неметаллы (сера, графит, алмаз).

2. Сульфиды и их аналоги. Шире всего развиты сернистые соеди­нения — сульфиды, образующиеся из гидротермальных растворов: пи­рит FeS.,; халькопирит CuFeS₂; галенит PbS; сфалерит ZnS; вюрцит ZnS (рис. 2.22).

3. Галогениды представлены более чем 100 минералами — солями галогеноводородных кислот: HF, НС1, НВг, HI. Шире всего распро­странены хлориды Na, К и Mg: галит NaCl; сильвин КС1; карналит MgCl₂- КС1 • 6Н₂0; фториды Са, Na и А1, например флюорит CaF,.

Рис. 2.22. Кристаллические решетки: а — вюрцита (ZnS) и б — перовскита (СаТЮ3)

4. Оксиды и гидрооксиды широко распространены и насчитывают около 200 минералов оксидов и гидрооксидов металлов и реже — полу­металлов, составляющих по массе 5 % литосферы. Особенно развит свободный кремнезем SiO, — кварц и его многочисленные разновидно­сти, опал Si0₂ ■ nH₂0 и др., всегда тесно связанные с силикатами. В глубоких частях земной коры образуются оксиды Fe, Ti, Та, Nb, Nb, Al, Cr, Sn, U и др.

В класс оксидов попадают важные рудные минералы: гематит Fe₂0₃, магнетит Fe^:+Fe₂³⁺0₄, пиролюзит Мп0₂, касситерит Sn0₂, рутил ТЮ₂, хромит FeCr₂0₄, ильменит FeTi0₃, уранинит U0₂, а из гидрооксидов — брусит Mg (ОН)₂, гетит HFe0₂, гидрогетит HFe0₂ • nH₂0, гиббсит А1 (ОН)₃.

5. Карбонаты. Содержание минералов класса карбонатов составля­ет в земной коре 1,5 % по массе. Важное значение в структуре карбона­тов имеют анионные группы [С0₃]~², изолированные друг от друга ка­тионами. К карбонатам относятся: кальцит СаС0₃, доломит CaMg (С0₃)₂, сидерит FeCO.,, магнезит MgC0₃. Карбонат меди представлен малахитом Cu,(C0₃) (ОН),; карбонат натрия — содой Na₂[ С0₃] ■ ЮН₂0. Ионы — хромофоры (красители) — окрашивают карбонаты Си в зеле­ные и синие цвета, U — в желтые, Fe — в коричневые, а другие карбо­наты бесцветные. Некоторые карбонаты имеют органогенное проис­хождение, другие связаны с гидротермальными растворами, третьи — с минеральными источниками.

6. Сульфаты, хроматы, молибдаты и вольфраматы.

Сульфаты — это соли серной кислоты (H₂S0₄), входящие в состав

300 минералов и составляющие 0,1 % по весу в земной коре. Главную роль в структуре сульфатов играет крупный анион [SOJ²". Среди суль­фатов шире всего распространены гипс CaS0₄ • 2Н,0, ангидрит CaS0₄, барит BaS0₄, мирабилит Na,S0₄ • ЮН₂0, целестин SrS0₄, алунит (К, Na) Al₃[SOJ₂(OH)₆.

Хроматы представляют собой соли ортохромовой кислоты (Н₉Сг0₄) и встречаются очень редко, например в крокоите PbCr0₄.

Молибдаты — это соли молибденовой кислоты (Н₂Мо0₄), образую­щиеся на поверхности, в зонах окисления рудных месторождений, — вульфенит PbMo0₄.

Вольфраматы — соли соответственно вольфрамовой кислоты (H,W0₄), и к промышленно важным минералам относятся вольфрамит (F,"Mn) W0₄ и шеелит CaW0₄

7. Фосфаты, арсенаты и ванадаты. Все эти минералы принадлежат к солям ортофосфорной (Н₃Р0₄), мышьяковой (H₃As0₃) и ванадиевой (H₃V0₃) кислот. Хотя их распространенность в литосфере невелика — 0,7 % по массе, всего этих минеральных видов насчитывается более
450. Наиболее характерным и устойчивым минералом фосфатов является апатит Ca₅[POJ₃ (Fe, С1, ОН), а также монацит Ce[POJ. К ванадатам относятся урановые слюдки, например тюямунит Ca(U0₂)₂[V0J₂ • 8Н₂0, а к арсенатам — редкий минерал мимете- зит Pb₅[AsOJ₃Cl. В большинстве случаев все эти минералы обра­зуются в близноверхностных условиях вследствие разложения орга­нических остатков (фосфаты), окисления мышьяковых соединений (арсенаты) и рассеянного в осадочных породах ванадия (ванадаты). Только апатит связан с магматическими и метаморфическими по­родами.

Силикатные минералы

8. Силикаты. Класс силикатов содержит наиболее распростра­ненные породообразующие минералы, из которых состоит 90 % ли­тосферы. Самым важным элементом класса силикатов является че­тырехвалентный кремний, находящийся в окружении четырех атомов кислорода, расположенных в вершинах тетраэдра. Эти кремнекисло- родные тетраэдры (КТ) [SiOJ¹" представляют собой те элементар­ные структуры, из которых построены все силикаты. КТ имеет че­тыре свободные валентные связи. Именно за их счет и происходит присоединение ионов Al, Fe, Mg, К, Са, Na и др. КТ способны груп­пироваться друг с другом, образуя сложные кремнекислородные кла­стеры (табл. 6 и рис. 2.23).

Таблица 6 Структура силикатов Группировка Минерал Примеры Островная (W Оливин Форстерит Mg.SiO, Цепочечная (одна цепь) (Si03)2" Пироксен Авгит (Ca(Mg, Fe, Al) х х (Si, А1)206) Ленточная (двойная цепь) (Si4Ou)6- Амфибол Роговая обманка (Са, Na)2(Mg, Fe2+)„ Al, Fe3+) х(ОН)2х x [(Al, Si)4OJ2 Листовая (слоевая) (SiA)!- Слюда Мусковит КА12(ОН)2х x [AlSi3On] Каркасная (SiO) Кварц Полевой шпат Кварц (Si02) Ортоклаз (KAlSi3Os)