Основные минералы и их классификация

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Географический факультет

Кафедра почвоведения и геологии

Специальность «География»

ОСНОВНЫЕ МИНЕРАЛЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

(Курсовая работа)

Студентки 1-го курса

Синяк А.К.

Научный руководитель

доцент Германович Т.М.

Минск 2010

Аннотация

УДК 55(476)(075.8)

Синяк А.К. Основные минералы и их классификация (курсовая работа). - Мн., 2010.

Минералогия, классификация, свойства, разнообразие, применение.

В работе приводится большое разнообразие минералов. Характеризуются их свойства. Даётся классификация минералов. Описано их практическое применение.

Библиогр. 11 назв., табл. 2, рис. 33.

Анатацыя

Сіняк А.К. Асноўныя мінералы і іх класіфікацыя (курсавая работа). - Мн., 2010.

Мінералогія, класіфікацыя, свойства, разнастайнасць, прымяненне.

У рабоце прыводзiцца вялiкая разнастайнасць мiнералау. Характарызуюцца iх уласцiвасцi. Даецца клаciфiкацыя мiнералау. Апiсана iх практычнае прымяненне.

Бiблiягр. 11 назв., табл. 2, рыс. 33.

Summаry

Sinyak A.K. The basic minerals and their classification. (course work) - Mn., 2010.

Mineralogy, classification, properties, a variety, application.

In work the big variety of minerals is resulted. Their properties are characterised. Classification of minerals is given. Their practical application is described.

Вibliogr. 11 ref., tabl.2, fig.33 .

Оглавление

Введение

Глава 1. История развития минералогии

Глава 2. Минералогия

Глава 3. Классификация минералов

Глава 4. Свойства минералов

Заключение

Список использованных источников

Введение

Представления о царстве минералов, их значении и роли, качественном и количественном распространении минеральных индивидов складывались по мере развития взглядов на общую геологическую историю, состав и строение того или иного региона земной коры.

Не существует ненужных или лишних минералов, роль их в развитии человечества исключительно велика. Они являются сырьём промышленности, находят применение в науке, используются в сельском хозяйстве, имеют большое культурное и эстетическое значение, применяются в качестве поделок и ювелирных изделий, а также коллекционного и познавательного минералогического материала. Минералы являются результатом и свидетелями многообразных, сложных и взаимовлияющих физических, химических и геологических процессов. Они являются основой всех без исключения геологических дисциплин и множества смежных областей знаний.

В настоящее время из всех известных минеральных видов человечеством используются всего 10-15% от их общего количества. Использование новых минералов в народном хозяйстве - задача современной науки и технологии.

Минеральный состав, особенности качественного и количественного распределения обломочных материалов по площади и в разрезе имеют большое научное и прикладное значение при решении различных вопросов минералогии, петрографии, геохимии, литологии, палеогеографии, геологии россыпей, литостратиграфии, нефтяной геологии и других.

Их значимость определяется ещё и тем, что только сопоставлением минералогических спектров современных и древних отложений с учётом их революции можно произвести интерпретацию многих деталей генезиса и условий седиментогенеза древних отложений.

Основная цель - характеристика минералов. Внимание сосредоточено на изложении наиболее характерных свойств минералов, являющихся ключевыми для их распознавания и точной диагностики, выявляющихся по площади и в разрезе, классификацию минералов.

минералогия минерал наука

Глава 1. История развития минералогии

Выделим некоторые ключевые моменты развития минералогии как науки. Минералогия как самостоятельная наука выделилась относительно недавно, но практика минералогического искусства возникла вместе с человеческой цивилизацией. Природные краски, сделанные из красного гематита и черной окиси марганца, использовались в пещерных росписях древним человеком, а кремневые орудия были желанной собственностью в каменном веке.

Первым исследователем минералов можно назвать Аристотеля (348-322гг. до н. э.), который включил раздел о камнях (минералах, металлах и ископаемых остатках организмов) в свою «Метеорологию». Однако, первой письменной работой по минералам считается трактат греческого философа Теофраста (372-287 гг. до н. э.) «О камнях». Плиний Старший (23-79 гг. н. э.) спустя 400 лет записал минералогические идеи своего времени. Он изложил естественную историю в 37 томах в труде «Естественная история», из которых 5 посвящены минералам. Термин минерал кельтского корня существовал где-то с 12 в. Под ним подразумевали металлические руды и прочие минералы и породы.

В последующие 1500 лет был опубликован ряд работ по минералам, в которых было много легенд, но мало фактической информации. Наибольших успехов (середина эпохи Возрождения) в изучении минералогии были найдены в трудах немецкого физика, горного советника Георга Бауэра (1494-1555 гг.), известного под латинским именем Георга Агриколы. Особый интерес представляют две книги «О природе ископаемых» - 1546 г. и «О рудах металлов» - 1556 г. Агрикола перечислил и дал описание в основном физических свойств минералов: твердости, характеру спайности, которые и до настоящего времени используются при макроскопическом описании минералов. Некоторые историки науки назвали Агриколу «отцом минералогии».

Следующая веха в развитии минералогии связана с работами датского ученого Нильса Стенсена (Николауса Стено). В 1669 г. им было показано, что углы между гранями кристаллов кварца постоянны независимо от формы и размеров этих граней. Это открытие легло в основу развития кристаллографии. Более столетия прошло до следующего крупного вклада в эту науку. В 1780 г. Каранжо изобрел прибор (прикладной гониометр) для измерения углов между кристаллическими гранями. В 1783 г. теория Стено была подтверждена Роме де Лилем, который сформулировал закон постоянства гранных углов. В 1784 г. Рене Ж. Гаюи показал, что кристаллы строятся путем упаковки крошечных одинаковых строительных блоков, которые он назвал интегральными молекулами. Позже (в 1801 г.), изучив сотни кристаллов, Гаюи развил теорию рациональных индексов кристаллических граней. Многие считают заслугой Гаюи превращение минералогии в истинную науку и, как и Агриколу, называют родоначальником новой отрасли науки - «отцом математической кристаллографии».

Восемнадцатый век характеризовался медленным, но непрерывным развитием минералогии. Были открыты и описаны новые минералы, были предприняты попытки рациональной классификации минералов. Минералогия стала первой из геологических дисциплин, которую начали преподавать в высших учебных заведениях.

Особенно надо выделить крупнейшего педагога своего времени профессора Горной академии во Фрейберге Абраама Готлоба Вернера (1750-1817 г.), по предложению которого из минералогии (она называлась тогда ориктогнозией) были выделены геология, палеонтология и тектоника. Он выделил особые разделы минералогии - химическую, географическую и экономическую минералогию. А. Г. Вернер создал классификацию, хотя и очень громоздкую - на основе внешних признаков: окраски, внешнего и внутреннего вида (облик, поверхность, блеск, излом, форма обломков). Значительно более прогрессивными были работы русского химика и минералога В. М. Севергина (1765-1826 гг.). Он был продолжателем научных идей М. В. Ломоносова. Создал 2-х томный труд «Первые основания минералогии». Считал, что минералы в природе образуются не изолировано, а образуют закономерные ассоциации (парагенезисы). Он создал научную основу для поисков и прогноза месторождений полезных ископаемых.

В начале 19 столетия в области минералогии началось быстрое развитие. В 1809 г. Волластон изобрел отражательный гониометр, который позволял очень точно измерять положение граней. Это сделало кристаллографию точной наукой. В начале XIX в. шведский химик Якоб Берцелиус (1779-1848) и его ученики также занимались химией минералов и сформировали принципы их химической классификации. В 1815 г. французский натуралист Кордье, направил свой микроскоп на обломки минералов, погруженные в воду, положив начало иммерсионному методу.

В 1837 г. Джеймс Дэна (1813-1895 гг.) из Йельского университета выпустил первое издание «Системы минералогии». В четвертом издании этого труда, вышедшем в 1854 г., Дэна предложил классификацию минералов, основанную на их химическом составе, которая до сих пор пользуется признанием у большинства минералогов.

Хотя микроскоп использовался для изучения минералов с начала XIX в., но лишь после того, как в 1828 г. Уильям Николь (1768-1851) применил поляризаторы, оптические методы заняли важнейшее место в минералогических исследованиях. Первое применение поляризационного микроскопа приписывают английскому петрографу Генри Клифтону Сорби (1826-1908). Последнего часто считают «отцом оптической петрографии». Обширные результаты в изучении физических - оптических свойств были получены Ф. Циркелем, Г. Розенбушем, А. А. Иностранцевым, А. П. Карпинским, твердости - Ф. Моосом .

В последние годы XIX в. Федоров, Шенфлис и Барлоу, работая независимо, почти одновременно разработали теории внутренней симметрии и порядка в кристаллах, которые стали основой для более поздних работ по рентгеновской кристаллографии.

Первые крупнейшие достижения 20 в. связаны с экспериментами по исследованию рентгеновских лучей с кристаллами. Эти эксперименты, задуманные Максом фон Лауэ, были осуществлены в 1912 г. его студентами. Вскоре после этого были опубликованы результаты рентгенографических исследований по определению пространственного расположения атомов в некоторых минералах. Другой важнейший вклад в развитие минералогии был сделан в 1916 г., когда П. Дебай и П. Шерер в Цюрихе и независимо от них А. У. Халл в США разработали метод, который теперь называется порошковой рентгенографией. В дальнейшем ряд других методик и применение рентгеновских дифрактометров в сочетании с ЭВМ привели к значительным успехам в минералогии.

Более поздние этапы развития минералогии характеризуются широким использованием электронных микроанализаторов и постоянно возрастающим применением некоторых других сложных приборов и методов (например, мессбауэровской и инфракрасной спектроскопии), в задачу которых входит определение тех или иных характеристик минералов.

Минералогия включает теперь широкую область исследований, в которую входят рентгеновская кристаллография, экспериментальная минералогия, петрология (изучение горных пород) и ряд вопросов металлургии, кристаллофизики и керамики.

В России развитие минералогических знаний шло самостоятельными путями. Начало развития отечественной минералогии связано с именем М. В. Ломоносова (1711-1765). В 1742 г. он приступил к изучению минералов и составлению каталога минералогического музея Академии наук. Он написал такие геологические труды как «Слово о рождении металлов от трясения Земли», «О слоях земных» и др. В них он дает многочисленные указания по поискам руд.

В 1773 г. в Петербурге было основано одно из старейших в мире учебных заведений - Высшее горное училище (ныне Горный институт), многие из воспитанников которого, стали выдающимися учеными, профессорами и академиками, внесшими крупный вклад в развитие минералогии. Открытие минеральных богатств России было обусловлено появлением Минералогического общества в 1817 г., которое занималось распространением минералогических знаний. Также большую роль сыграли местные энтузиасты - простые крестьяне и работники горных служб. Их усилиями были выявлены многочисленные месторождения драгоценных камней, золота, платины, впервые открытые на Урале, месторождения железа, меди, свинца, серебра и др. К середине 19 в. минералогия окончательно стала оформляться как наука о минералах, которые представлялись кристаллическими индивидами

Среди русских минералогов наиболее весомый вклад в развитие минералогии в России внесли такие ученые как В. М. Севергин (1765-1826), Д. И. Соколов (1788-1852), Н. И. Кокшаров (1818-1892) и др. О роли В. М. Севергина мы уже говорили выше - это основатель учения о минеральных парагенезисах. Д. И. Соколов читал в течение 33 лет минералогию и другие курсы геологии в Петербургском горном корпусе (ныне Горном институте). Написал двухтомное «Руководство к минералогии» (1832) как пособие для учащихся. С именем Н. И. Кокшарова связан расцвет русской минералогии. Его многочисленные описания и измерения кристаллов прочно вошли во все учебники и справочники по минералогии. Результатом его работы явилось одиннадцатитомный труд «Материалы для минералогии России».

По мере накопления данных химического состава минералов многие исследователи (Т. Е. Ловиц, Р. Герман, П. Евреинов и др.) пытались создать классификацию минералов. Однако рациональная классификация стала возможной только после создания периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева (1834-1907).

В конце 19 начале 20 вв. крупнейшие достижения российской науки в области кристаллографии были сделаны Е. С. Федоровым (1853-1919). Путем строгого математического анализа он подошел к теории строения кристаллов, отразившейся в труде «Симметрия правильных систем фигур» где он обосновал существование 230 пространственных групп симметрии.

Мысль о том, что минералы представляют собой продукты химических реакций, совершающихся в земной коре, наиболее ярко отражена в многочисленных трудах профессора МГУ акад. В. И. Вернадского (1863-1945). Рассматривая минералогию как «химию земной коры», Вернадский создал новое направление в области минералогических исследований. Много внимания он уделял химическому составу минералов, вопросам парагенезисов минералов и изучению вопросов существования минералов в природе в историческом аспекте. В 1891 г. Вернадский доказал опытом положение о том, что в алюмосиликатах может иметь место замена четырехвалентного кремния трехвалентным алюминием. Спустя 30 лет это было доказано рентгенометрическими исследованиями полевых шпатов. Как результат многолетнего труда в период 1908- 1914 гг. появился первый том его классической монографии по минералогии России «Опыт описательной минералогии», посвященной классу самородных элементов. Этот том, как и «История минералов земной коры» не был закончен при его жизни. Вернадский сделал ряд интереснейших обобщений, которые легли в основу новой, созданной им, области знания - геохимии. Своим современным развитием геохимия, кроме В. И. Вернадского, обязана В. М. Гольдшмидту (1888-1947) и А. Е. Ферсману (1883-1945).

Большую роль в открытии и освоении минеральных богатств России сыграли научные геологические экспедиции, проводившиеся под непосредственным участием А. Е. Ферсмана, ученика В. И. Вернадского. А. Е. Ферсман изучил сотни месторождений на Урале, в Средней Азии, Сибири и зарубежных стран, Кольского полуострова, освоение которых связано с его именем. Из многочисленных его трудов наиболее известна монография «Пегматиты». В дальнейшем он посвятил себя геохимии, с которой связаны его основные работы. Его роль как популяризатора минералогии и геохимии невозможно переоценить. Его перу принадлежит книга «Занимательная минералогия», претерпевшая множество переизданий

Большая заслуга в изучении минеральных богатств и подготовке кадров принадлежит А. К. Болдыреву (1883-1946), ближайшему ученику Е. С. Федорова. Его подробный «Курс описательной минералогии» и другие издания оказали огромное влияние на распространение минералогических знаний в России.

Огромную роль исследовании рудных минералов и месторождений сыграл С.С. Смирнов (1895-1947), посвятивший свою жизнь созданию минерально-сырьевой базы России.

Таким образом, минералогия -- одна из древнейших геологических наук. В дальнейшем развитию минералогии способствовало горное дело. В настоящее время интенсивно развиваются генетическая и экспериментальная минералогия.

Глава 2. Минералогия

Минералогия - наука о минералах - их кристаллографии, химическом составе, физических свойствах, образовании (генезисе), о способах их определения, а также о классификации. Минералов сейчас насчитывают около 3500-4000, и все они являются прямыми объектами минералогии.

Минералогия изучает состав, свойства, структуру и условия образования, встречающихся в природе кристаллических веществ - минералов. Каждый в какой-то степени знаком с минералами, т.к. они встречаются в горных породах, в песке морских пляжей, речной гальке и в почве.

Таким образом, основным и прямым объектом минералогии является минерал. Существует много трактовок понятия «минерал». Если упрощенно, то минерал - природное химическое соединение кристаллической структуры. Минерал - это встречающееся в природе однородное твердое тело с определенным, но обычно непостоянным, химическим составом и упорядоченным атомным расположением. Он обычно образуется в результате неорганических процессов.

Минералогия тесно связана химией, физикой и другими естественными науками. По сути, минералы являются частными объектами этих трех наук (представления о внутреннем строении минералов, законах роста и огранения кристаллов, химических реакциях, возможных при минералообразовании, методы исследования свойств и состава минералов).

В рамках минералогии сформировались, а затем выделились в самостоятельные науки кристаллография, петрография, учение о полезных ископаемых, геохимия и кристаллохимия. В последние десятилетия усилиями минералогов развивается новое направление генетической минералогии - онтогения минералов.

Минералогия представляет одну из важнейших отраслей наук о Земле, а также представляет значительный интерес для астрономов, специалистов керамической промышленности, медицины и металлургии. Из курса общей геологии известно, что горные породы и руды состоят из минералов. Например, минералы кварц, полевой шпат, биотит являются составными частями гранитов, гематит, магнетит - составными частями некоторых руд.

Следовательно, минералогия занимается:

1) изучением свойств и состава минералов,

2) выявлением геологических условий и физико-химической обстановки образования минералов,

3) исследованием минералов как формы концентрации одних и рассеивания других элементов,

4) выяснением механизма зарождения, роста и разрушения минералов,

5) разработкой минералогических критериев поиска рудного и нерудного сырья.

Как отмечал В. И. Вернадский, цель и суть минералогии состоит не в статичном описании минеральных фаз как мертвых тел и не в составлении классификаций, явление и процесс - вот главные ее объекты.

Развитие техники также способствует изучению минералов и позволяет глубже понять их состав и структуру. Сейчас нам стало намного яснее, как изменяются минералы в соответствии с изменением физических и химических свойств окружающей среды. Сегодня исследования состава, структуры и свойств кристаллов в физике и химии твердого тела и в материаловедении тесно связаны с аналогичными исследованиями в минералогии.

Минералогическое изучение метеоритов и образцов с других планет позволило узнать много нового об истории солнечной системы и процессах формирования планет.

Огромно значение минералов для человека. Многие минералы обладают большой эстетической привлекательностью не только тогда, когда они обработаны как драгоценные камни, но и в натуральном виде. Минералы также имеют ценность как рудное сырье. Это качество минералов заключено в их химическом составе, так как именно химический состав определяет, какие элементы могут быть извлечены из минерала посредством плавления или разрушения его структуры другим способом. Такой ценностью обладают, например, халькозин, галенит и сфалерит (сульфиды меди, свинца и цинка), касситерит (оксид олова) и многие другие минералы. Другой особенностью минералов является наличие у них уникальных свойств, связанных с кристаллической структурой. Алмаз и графит представляют собой различные кристаллические формы чистого углерода, а весьма значительные отличия в их физических свойствах обусловлены только способом, по которому атомы углерода расположены в пространстве и объединены в кристаллы. Алмаз самый твердый минерал используется как абразив, а графит один из самых мягких минералов - смазочный материал или карандашный грифель.

Особенности минералов - это не только их твердость, оптические характеристики, но и пьезоэлектрические и магнитные свойства. Например, кварц, обладающий пьезоэлектрическими свойствами, применяется при изготовлении часов, манометров, сложных приборов, используемых в военном деле. Еще одна особенность минералов - их ассоциации, которые образуют горные породы и позволяют получать информацию о геологических процессах. Петрография, занимающаяся изучением минеральных агрегатов или пород, неизбежно связана с минералогией, и весьма трудно провести границу, разделяющую описание минералов и оценку петрологических обстановок их образования. Проведя эксперименты и поняв, как меняются структура и состав минералов при изменении температуры и давления, мы получаем основу для построения теорий эволюции земной коры, а также можем судить о строении и составе глубоких недр Земли.

Главной международной организацией минералогов является Международная минералогическая ассоциация (The International Mineralogical Association, IMA). Она объединяет минералогические ассоциации различныхстран. Минералогов России, Беларуси объединяет минералогическое общество, входящее в состав Европейского минералогического союза.

Глава 3. Классификация минералов

В основе современной классификации минералов лежат химические и структурные признаки. Все известные минералы группируются в несколько классов, главнейшими из которых являются: 1) самородные элементы и интерметаллические соединения, 2) сульфиды и их аналоги, 3) галогениды, 4) оксиды и гидроксиды, 5) соли кислородных кислот. В пределах классов минералов выделяют подклассы, а внутри последних - группы. Краткое описание главных классов и подклассов минералов приведено ниже.

Самородные элементы и интерметаллические соединения. В природе известно более 30 элементов, находящихся в самородном состоянии. Однако число минералов принадлежащих классу самородных существенно больше, что связано с образованием разнообразных сплавов, интерметаллидов и амальгам. Если исключить из рассмотрения водород, азот, кислород и благородные газы, то все оставшиеся самородные элементы можно подразделить на три главных подкласса - металлы (медь, золото (рис. 3.1), серебро, платина), полуметаллы (мышьяк, сурьма) и неметаллы (сера, графит, алмаз (рис. 3.2)).

Рис. 3.1. Золото Рис. 3.2. Алмаз

Сульфиды и их аналоги. К рассматриваемому классу относятся сернистые, селенистые, теллуристые, мышьяковистые и сурьмянистые соединения металлов и полуметаллов. Наибольшее число минералов представлено сернистыми соединениями - сульфидами и сульфосолями. Около 40 химических элементов образуют в природе более 300 минералов, принадлежащих этому классу. Сульфиды представляют особый интерес как руды цветных металлов и часто как носители золота. Большинство сульфидов образуется из горячих водных (гидротермальных) растворов. Некоторые сульфиды могут кристаллизоваться из магмы, другие имеют осадочное происхождение. В земной коре наиболее широко распространены сульфиды железа (пирит - FeS₂ (рис. 3.3)), меди (халькопирит - CuFeS₂), свинца (галенит - PbS (рис. 3.4)), цинка (сфалерит - ZnS) и некоторые другие.

Рис. 3.3. Пирит Рис. 3.4. Галенит

Галогениды. К классу галогенидов относится приблизительно 100 минералов, представляющих собой соли галогеноводородных кислот HF, HCl, HBr и HI. Наиболее распространены хлориды Na, K и Mg (галит - NaCl - рис. 3.5), фториды Ca, Na и Al (флюорит - CaF₂ -рис. 3.6), криолит - Na₃AlF₆ -рис. 3.7). Галогениды имеют небольшое значение как породообразующие минералы, но очень важны в общегеологическом и практическом отношениях.

Рис. 3.5. Галит Рис. 3.6. Флюорит Рис. 3.7. Криолит

Окисиды и гидроксиды. Минералы этого класса очень широко распространены в природе и играют большую роль в сложении земной коры. Оксиды и гидроксиды образованы примерно тридцатью химическими элементами. Сейчас известно около 200 минералов, представляющих собой оксиды или гидроксиды металлов. Наиболее многочисленны оксиды, содержащие железо. Свободная SiO₂ существует в природе главным образом в виде кварца (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Кварц

Относящиеся к рассматриваемому классу соединения обладают кристаллическими структурами, для которых характерен ионный тип связи.

Значительное число оксидов и гидроксидов представляют собой продукты экзогенных процессов. В глубинных условиях образуются разнообразные оксиды Fe, Ti, Ta, Nb, р. з. э., Al, Cr, Be, Sn, U и других элементов. Происхождение некоторых оксидов и гидроксидов связано с гидротермальным процессом минералообразования. Ряд минералов, относящихся к рассматриваемому классу, возникают в результате метаморфических процессов. Кроме кварца и халцедона в природе широкое распространение получили также гематит - Fe₂O₃ (рис. 3.9), магнетит - Fe²⁺Fe₂³⁺O₄ (рис. 3.10), пиролюзит - MnO₂ (рис. 3.11), корунд - Al₂O₃ (рис. 3.12), касситерит - SnO₂ ( рис. 3.13)_, рутил - TiO₂ (рис. 3.14), куприт - Cu₂O, ильменит - FeTiO₃ (рис. 3.15), шпинель - MgAl₂O₄ (рис. 3.16), хризоберилл - BeAl₂O₄, хромит - FeCr₂O₄, колумбит - (Fe,Mn)Nb₂O₆, танталит - (Fe,Mn)Ta₂O₆, уранинит - UO₂, опал - SiO₂^.nH₂O (рис. 3.17), брусит - Mg(OH)₂, гидраргиллит - Al(OH)₃, гетит - HFeO₂, гидрогетит - HFeO₂^.nH₂O и некоторые другие.

Рис. 3.9. Гематит Рис. 3.10. Магнетит Рис. 3.11. Пиролюзит

Рис. 3.12. Корунд Рис. 3.13. Касситерит Рис. 3.14. Рутил

Рис. 3.15. Ильменит Рис .3.16. Шпинель Рис. 3.17. Опал

Соли кислородных кислот. В этот класс минералов входят соли различных кислородных кислот, главными из которых являются угольная (карбонаты), серная (сульфаты), фосфорная (фосфаты) и кремневая (силикаты), выделяемые в виде отдельных подклассов. Карбонаты и силикаты имеют особенно большое значение как породообразующие минералы. Учитывая сложность и важность рассматриваемого класса минералов целесообразно привести краткое описание каждого из отдельных подклассов.

Рис. 3.18. Кальцит

Рис. 3.19. Малахит

Карбонаты. Из неорганических соединений углерода в природе известно около ста минералов, большая часть из которых относится к солям угольной кислоты (H₂CO₃) и получила название карбонатов. Эти минералы очень широко распространены в верхней части литосферы и среднее их содержание в земной коре составляет 1,5 мас.%. В структуре карбонатов анионные группы [CO₃]^2- в форме плоских треугольников изолированы друг от друга катионами или дополнительными анионами. Обычно карбонаты подразделяются на безводные и водные. К безводным карбонатам относятся такие породообразующие минералы как кальцит - CaCO₃ (рис. 3.18), магнезит - MgCO₃ (рис. 3.19), доломит - CaMg(CO₃)₂, сидерит - FeCO₃, основные карбонаты меди: малахит - Cu₂(CO₃)(OH)₂ и азурит - Cu₃(CO₃)₂(OH)₂ (рис. 3.20), в которых вхождение гидроксил-иона (ОН)^- компенсирует избыточный заряд катионов; к водным - сода - Na₂[CO₃]^.10H₂O. Цвет карбонатов, как и большинства других минералов, зависит от вхождения в структуру ионов-хромофоров. Медные карбонаты зеленые или синие; урановые - желтые; карбонаты, содержащие железо или редкоземельные элементы, окрашены в коричневатые цвета, но большинство карбонатов белые или бесцветные. Твердость карбонатов обычно составляет 3-5.

Рис. 3.20. Азурит

Удельный все меняется в широких пределах в зависимости от химического состава минералов. Самый легкий из карбонатов - сода; наибольшим удельным весом обладают карбонаты висмута и свинца. Большинство карбонатов относительно хорошо растворяются в воде богатой свободной углекислотой по схеме СаСО₃ + СО₂ + Н₂О Са(НСО₃)₂; некоторые из них интенсивно вскипают в разбавленной (10 %) соляной кислоте, выделяя при этом пузырьки СО₂. Условия протекания реакции с кислотой (кусочки или порошок исходного минерала, интенсивность разложение при нагревании и без него) являются одним из основных диагностических свойств при идентификации широко распространенных карбонатов кальция, магния и железа. Из оптических свойств для карбонатов характерно весьма высокое двулучепреломление - следствие наличия в структуре этих минералов плоских групп [CO₃]^2-. В большинстве случаев карбонаты образуются в гипергенных процессах (хотя известны и магматические карбонаты). Происхождение некоторых карбонатов, например, кальцита в известняках, связано с жизнедеятельностью организмов. Многие карбонаты имеют практическое значение как руды на железо, цинк, свинец и медь.



Рис. 3.21. Гипс Рис. 3.22. Барит Рис. 3.23. Целестин Рис.3.24.Англезит

Сульфаты, хроматы, молибдаты и вольфраматы. Сульфаты - минералы, представляющие собой соли серной кислоты (H₂SO₄), могут образовываться в природе лишь в условиях повышенной концентрации кислорода, необходимой для перевода серы в высшую степень окисления (S⁶⁺) и при относительно низких температурах. Такие условия в земной коре создаются вблизи поверхности, где и встречается основная масса сульфатов. В природе известно около 300 минералов, относящихся к этому классу соединений, но по массе они составляют менее 0,1 % веса земной коры. В структурном отношении комплексный анион [SO₄]^2- характеризуется крупным размером. Поэтому образование устойчивых кристаллических структур возможно лишь при сочетании этого аниона с крупными двухвалентными катионами (Ba²⁺, Sr²⁺, Pb²⁺). Структуры сульфатов, катионы которых имеют небольшие радиусы, могут образовываться практически только при наличии молекул воды, которые располагаются в свободном пространстве. Одновалентные катионы щелочных металлов образуют слабые кристаллические структуры и, подобно сульфатам двухвалентных малых катионов, легко растворяются в воде. Сульфаты трехвалентных металлов встречаются только в виде водных соединений. Среди сульфатов широкое распространение получили двойные и более сложные соли одно-, двух- и трехвалентных металлов. Часто встречаются сульфаты с добавочными анионами (OH^-, Cl^-, CO₃^2-, PO₄^3- и др.). Характерной особенностью всех сульфатов является их небольшая твердость (меньше 3,5). Наиболее часто в природе встречаются следующие сульфаты: гипс - CaSO₄^.2H₂O (рис. 3.21), ангидрит - CaSO₄, барит - BaSO₄ (рис. 3.22), целестин - SrSO₄ (рис. 3.23), англезит - PbSO₄ (рис. 3.24), тенардит - Na₂SO₄, мирабилит - Na₂SO₄^.10H₂O, алунит - KAl₃(SO₄)₂(OH)₆ и ярозит - KFe₃(SO₄)₂(OH)₆.

Хроматы - представители солей ортохромовой кислоты (H₂CrO₄) - очень редки. Они встречаются в зонах окисления некоторых полиметаллических месторождений, классическим из которых является Березовское на Среднем Урале. Именно в хромате из этого месторождения - крокоите - PbCrO₄ в 1797 г. был открыт химический элемент хром.

Рис. 3.25. Вульфенит

Большинство молибдатов - солей молибденовой кислоты (H₂MoO₄) - являются гипергенными минералами, образующихся в зонах железных шляп рудных месторождений в результате окисления молибденита (MoS₂). Наиболее распространенные молибдаты (вульфенит - PbMoO₄ (рис. 3.25), ферримолибдит - Fe₂³⁺[MoO₄]₃^.7H₂O) имеют большое поисковое значение.

Рис. 3.26. Вольфрамит Рис. 3.27. Шеелит

Вольфраматы - соли вольфрамовой кислоты (H₂WO₄) в природе немногочислены. Однако в рассматриваемый подкласс входят два промышленно важных рудных минерала - вольфрамит - (Fe,Mn)WO₄ (рис. 3.26) и шеелит - CaWO₄ (рис. 3.27), имеющих глубинное происхождение.

Рис. 3.28. Апатит

Фосфаты, арсенаты и ванадаты. В природе установлено более 450 минеральных видов, принадлежащих солям ортофосфорной (H₃PO₄), мышьяковой (H₃AsO₃) и ванадиевой (H₃VO₃) кислот. Распространенность этих минералов в земной коре относительно невелика и составляет около 0,7 % по массе. Все фосфаты, арсенаты и ванадаты подразделяются на безводные и водные. Сравнительно крупные размеры трехвалентных анионов [PO₄]^3-, [AsO₄]^3- и [VO₄]^3- обусловили устойчивость в природе безводных соединений например, редкоземельных элементов: церия в монаците - Ce[PO₄]. Наиболее устойчивыми в земной коре фосфатами двухвалентных металлов также являются соединения с относительно крупными катионами (Ca²⁺, Sr²⁺), но с уже дополнительными анионами (OH^-, F^-, Cl^- и др.); примером может служить апатит - Ca₅[PO₄]₃(F,Cl,OH) (рис. 3.28). Для арсенатов и ванадатов характерны соединения со свинцом, причем добавочным анионом служит Cl^-, как, например, в миметезите - Pb₅[AsO₄]₃Cl или в ванадините - Pb₅[VO₄]₃Cl. Элементы с относительно маленькими ионными радиусами образуют, как правило, соединения, содержащие существенное количество молекул H₂O. Особое положение по составу среди водных фосфатов, арсенатов и ванадатов занимают, так называемые, урановые слюдки - двойные соли уранил-иона (UO2)²⁺ и двухвалентных металлов (главным образом, Cu²⁺ и Са²⁺): торбернит, отунит, тюямунит и другие. Многие водные соединения или соли основного типа, относящиеся к фосфатам и их аналогам, являются редкими или очень редкими минералами. Представители группы имеют в большинстве случаев гипергенное происхождение - образуются в близповерхностных условиях в результате разложения органических остатков (фосфаты), окисления мышьяковых соединений (арсенаты) и за счет рассеянного в осадочных породах ванадия (ванадаты). Некоторые фосфаты образуются магматическим путем. Наибольшее распространение и значение получили фосфаты, а среди последних - апатит. Он встречается во многих типах магматических и метаморфических пород и используется как сырье для производства фосфорных удобрений.

Силикаты представляют собой наиболее многочисленный подкласс минералов и слагают около 90 % массы вещества земной коры. Они входят в состав многих горных пород. Одним из главных элементов в составе силикатов является кремний, для которого характерна связь с кислородом. Кремний практически всегда четырехвалентный с ионным радиусом для Si⁴⁺, равным 0,39 А, что позволяет ему находиться в окружении четырех атомов кислорода, расположенных в вершинах тетраэдра. Такая тетраэдрическая группировка [SiO₄]^4- - кремнекислородный тетраэдр - является основой, своеобразным "элементарным кирпичиком", для описания структур всех силикатов. Расстояние Si-O в тетраэдре равно 1,62 А, а между двумя атомами кислорода 2,65 А. Группа [SiO₄]^4- обладает четырьмя свободными валентными связями, за счет которых происходит присоединение ионов других химических элементов (обычно Al, Fe, Mg, Ca, Na, K, реже Mn, Ti, B, Zr, Li и др.).

Кремнекислородные тетраэдры в структурах силикатов могут быть обособленными один от другого, а могут и соединяться между собой за счет общего иона кислорода. Соединение кремнекислородных тетраэдров практически всегда происходит через их вершины, при этом могут образовываться довольно сложные кремнекислородные кластеры. Силикаты в структуре которых кремнекислородные тетраэдры [SiO₄] или кластеры (например, группа сдвоенных тетраэдров [Si₂O₇] или кольцевой радикал [Si₆O₁₈]) находятся в виде изолированных "островов" получили название островные силикаты. Многократно повторяющиеся присоединения тетраэдров друг к другу могут привести к возникновению "бесконечных" одномерных цепочек или лент, двумерных плоскостей или трехмерных каркасов.

По форме вытянутых построек из кремнекислородных тетраэдров силикаты подразделяются на цепочечные, ленточные, слоистые (листовые) и каркасные. Примеры породообразующих силикатов приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Породообразующие силикаты

Островные силикаты	Оливин, гранаты
Цепочечные силикаты	Пироксены
Ленточные силикаты	Амфиболы
Слоистые силикаты	Тальк, серпентин, каолин, слюды, хлориты
Каркасные силикаты	Полевые шпаты, фельдшпатоиды, (кварц)

Среди класса солей кислородных кислот выделяют также бораты, иодаты и некоторые другие.

Глава 4. Свойства минералов

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

· Облик кристаллов и форма граней - обусловлены в первую очередь строением кристаллической решётки (рис. 4.1).



Рис. 4.1. Схематичное изображение элементарной ячейки:

А - гексагональной, B - кубической.

Симметрии кристаллов: 1 - кубическая, 2 - тетрагональная и тригональная, 3 - гексагональная, 4 - триклинная, 5 - моноклинная, 6 -ромбическая.

Существуют минералы, у которых не наблюдается упорядоченного строения кристаллической решётки. Такие минералы не образуют кристаллов и называются аморфными. Это опал, стекло, янтарь.

· Твёрдость. Это свойство поверхности минерала оказывать сопротивление механическому царапанию. Определяется по шкале Мооса (табл. 4.1, рис.4.3).

Твёрдость является анизотропным свойством. Это значит, что различные грани кристалла не равны по твёрдости, так как соответствуют разным по строению плоскостям кристаллической решётки, грани некоторых кристаллов по-разному царапаются в разных направлениях. Обычно эти различия в твёрдости не очень заметны, зачастую они имеют значение только для шлифовальщиков. Однако для некоторых минералов анизотропность твёрдости имеет диагностическое значение, например, кристалл кианита можно легко поцарапать ногтем в продольном направлении, а в поперечном он едва ли поцарапается стальным иглой. Различают шкалы твёрдости относительные и абсолютные (рис.4.2.). Если построить схематический график относительной шкалы твёрдости (шкалы Мооса), расположив минералы по оси Х от талька до алмаза, график будет выглядеть в виде прямой линии ( твёрдость возрастает линейно от 1 до 10). Построив шкалу абсолютной твёрдости (твёрдость по методу шлифования), увидим, что график выглядит как ветвь параболы, минимальное значение которой соответствует тальку, а на алмазе твёрдость будет стремиться к бесконечности. Поэтому относительная шкала является наименее точной, хотя её используют повсеместно до сих пор - она удобна и практична в применении. Относительную твёрдость минерала по шкале Мооса можно определять и в полевых условиях простейшими средствами. По-другому твердость по шкале Мооса называется склерометрической твёрдостью. Она определяется методом царапания, и была введена более 150 лет назад венским минералогом Моосом. Он разработал сравнительную шкалу (шкалу твёрдости Мооса), расположив 10 минералов в порядке возрастания их твёрдости. Минералы с большим номером твёрдости могут поцарапать любой минерал с меньшим номером. Минералы с одинаковой степенью твёрдости не оставляют друг на друге следов. Все известные в настоящее время минералы соотнесены со шкалой Мооса. Не стоит забывать о том, что при определении твердости всегда следует испытывать свежую поверхность минерала. Важно помнить, что скрытокристаллические, тонкопористые и порошковатые разности минералов обладают ложными малыми твёрдостями. Например, гематит в кристаллах имеет твердость 6, а в виде красной охры меньше 4, что говорит о практически отсутствии сцепления в порошковатой массе гематита. В целом главная масса природных соединений обладает твердостью от 2 до 6. Более твердым минералы, как правило, принадлежат к окислам и некоторым (чаще всего островным) силикатам.

Таблица 4.1

Твёрдость по шкале Мооса (абсолютная) [6]

Твердость	Минерал
1	Тальк	легко скоблиться ногтем	0,03
2	Гипс	легко царапается ногтем	1,25
3	Кальцит	можно поцарапать ногтем, медной монетой	4,5
4	Флюорит	легко царапается ножом	5,0
5	Апатит	царапается ножом, стальной иглой	6,5
6	Полевой шпат	царапается напильником	37
7	Кварц	слабо царапает оконное стекло	120
8	Топаз	царапает оконное стекло	175
9	Корунд	царапает оконное стекло	1000
10	Алмаз	царапает все вещества	140 000

Драгоценные камни с твёрдостью 1-2 считаются мягкими, камни с твёрдостью 3-5 считаются среднетвёрдыми, минералы с твёрдостью от 6 считаются твёрдыми. Камни с твёрдостью ниже 7 подвержены утрате блеска полировки из-за присутствия в воздухе пыли, неизбежно содержащей частички кварца (твёрдость 7), которые царапают поверхность. Поэтому камни с твёрдостью ниже 7 со временем становятся матовыми. Они нуждаются в особом уходе и осторожности при носке и хранении. Обычно склерометрическая твёрдость определяется при помощи стальной иглы, кусочка стекла и набора эталонных минералов. Например, если минерал царапается иглой так же легко, как и кальцит, ему присваивается твёрдость 3. Если труднее, чем кальцит, но легче, чем флюорит, твёрдость будет присвоена 3,5. Если минерал не царапается иглой, следует с усилием провести им по стеклу. Если он царапает стекло легче кварца, надо сравнить с топазом и т.д. Определяя твердость минерала лучше всего начинать со стекла, так как его значение твердости приходится примерно на середину шкалы.



Рис. 4.2. Сравнение абсолютной (нелинейной) 2 и относительной - 1 шкал твёрдости.

Рис. 4.3. Учебная шкала Мооса

Для шлифовальщиков драгоценных камней абсолютная твёрдость камня при шлифовании имеет большое значение, учитывая, что некоторые драгоценные и полудрагоценные камни имеют разную твёрдость на разных кристаллографических гранях и в разных направлениях. Шлифование более мягких драгоценных камней - это настоящее искусство, которым владеют лишь немногие специалисты, так твёрдые камни шлифуются гораздо лучше и легче поддаются полировке.

· Блеск - световой эффект, вызываемый отражением части светового потока, падающего на минерал. Зависит от отражательной способности минерала.

· Спайность - способность минерала раскалываться по определенным кристаллографическим направлениям.

· Излом - специфика поверхности минерала на свежем не спайном сколе.

Спайность и излом являются основными характеристиками любого минерала. Спайность - это свойство минерала раскалываться в определённых направлениях (одном или нескольких), образуя при этом гладкие поверхности. В зависимости от того, насколько гладкие получаются поверхности, минералы могут иметь:

· ясную (или совершенную спайность)

· среднюю спайность

· несовершенную спайность

· отсутствие спайности.

К сожалению, в литературе не существует общепринятой шкалы спайности, так что иногда можно столкнуться с совершено различными понятиями. В качестве примера можно привести слюды и гипс, которые имеют совершенную спайность в одном направлении; кальцит и галенит - совершенная спайность в трёх направлениях (по ромбоэдру); флюорит - совершенная по октаэдру; хризоберилл и шпинель - несовершенная спайность по октаэдру; полевые шпаты - средняя в двух направлениях; пирит, корунд и кварц - отсутствие спайности. Излом связан со спайностью. Излом - характер расколотой неравномерной поверхности. Например, излом у кварца называется раковистым (как отпечатки ракушек), ровные поверхности отсутствуют. Совершенная спайность галенита по трём направлениям придаёт его поверхности ступенчатый излом. Излом бывает неровным, гладким, волокнистым, крючковатым, занозистым, шероховатым.

Рис. 4.4. Плоскости спайности в кальците (в трёх направлениях по ромбоэдру).

Рис. 4.5. Флюорит - выколки по спайности по октаэдру

Шлифовальщики драгоценных камней и ювелиры должны учитывать спайность. Сильное напряжение может вызвать раскол камня. Часто достаточно даже небольшого давления или слабого удара под определённым углом при испытании материала. При пайке по причине температурных напряжений в камне вдоль плоскостей спайности могут образоваться трещины, по которым камень рано или поздно расколется. Огранённые драгоценные камни с совершенной спайностью считаются произведением искусства. Грани таких камней должны располагаться под наклоном по отношению к плоскостям спайности, сверлить минерал желательно перпендикулярно плоскостям спайности. Плотность и удельный вес. Плотность (удельный вес) драгоценных камней колеблется от 1 до 8. Камни с плотностью ниже 2 считаются лёгкими (янтарь - плотность около 1), показатели от 2 до 4 - средние (кварц - 2,6-2,7), камни с плотностью выше четырёх считаются тяжёлыми (гематит - 5, касситерит - около 7). Плотность более ценных минералов превышает плотность многих породообразующих (с этим связано образование россыпей драгоценных камней - алмаза, рубина, сапфира). Самым плотным минералом является самородное золото, имеющее плотность от 15,5 до 19,3.В соответствии с новой физической номенклатурой единицу измерения "удельный вес", указывающую вес вещества на единицу объёма, следует заменять единицей измерения "плотность". В старой литературе в основном встречается понятие "удельный вес". Принципиальная разница заключается в том, что вес - не является постоянной величиной и зависит от сил гравитации в каждой конкретной точке, тогда как плотность - величина, не зависящая от места. Плотность выражается отношение массы единицы объема вещества к массе того же объёма воды. Определяют плотность различными способами: методом гидростатического взвешивания с помощью гидростатических весов, флотационный метод (с помощью тяжёлых жидкостей).

· 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.

Цвет минералов - способность минералов отражать и преломлять свет, создавая определённое ощущение цвета. При оценке драгоценных и полудрагоценных камней их окраска обычно наиболее важна. Однако для большинства камней он не является диагностическим, так как многие камни имеют одинаковый цвет, а с другой стороны, многочисленные группы драгоценных камней встречаются в широком спектре цветовых вариаций. Цвета возникают, когда из общего светового спектра поглощается только один волновой диапазон соответствующего цвета, а остальные волны дают специфический цвет (но не белый). Если драгоценный камень поглощает волны всех длин, то он чёрный, если пропускает весь спектр - то он прозрачный. Если минералом поглощается одинаковое количество волн всех длин, то камень мутно-белый или серый. Цвета обусловлены различными причинами.

Выделяют три вида окраски: собственную или идиохроматическую, аллохроматическую, вызванную примесями ионов-хромофоров и псевдохроматическую. Собственная окраска, связанная с внутренними свойствами минерала, как правило, свойствами ионов примесей, внедрившихся в кристаллическую решетку. Аллохроматическая окраска не связана напрямую с природой минерала, и определяется окрашенными примесями - хромофорами (ионами или более крупными частицами). Хромофоры придают интенсивную окраску минералу даже в небольших концентрациях, например, окраска яшмы и Такая окраска свойственна многим горным породам и минералам. Аллохроматическая окраска может быть вызвана механическими примесями - включениями окрашенных минералов (иголочками рутила), пузырьков жидкостей (характерно для дымчатого кварца), газов и т.п. Псевдохроматическая окраска вызывается интерференцией падающего света в прозрачных и полупрозрачных минералах, возникающей при отражении от внутренних поверхностей, трещин спайности (например, иризация лабрадора и олигоклаза - от синего и зелёного до жёлтого и красного; опал, лунный камень, перистерит). Псевдохроматическая окраска возникает при дифракции света и интерференции отражённых лучей, при рассеянии, преломлении или полном внутреннем отражении белого света, связанном с особенностями кристаллической структуры минерала. Псевдохроматическая окраска нередко возникает при окислении поверхностного слоя кристаллов (побежалость - характерны радужные плёнки на пирите, халькопирите, ковеллине).

Цвет ювелирных и декоративных камней - важная потребительская характеристика для их драгоценных, поделочных и облицовочных разновидностей. С давних пор стремились "облагородить" менее ценные камни, сделав их цвет подобным более редким минералам. Дымчатый кварц обжигали, запекая в хлеб, пористые минералы (бирюза) - подкрашивали разными красителями (например, в медном купоросе, разведенном в эпоксидной смоле или воске), алмазы, топазы - облучали в реакторе для получения жёлтого цвета, берилл прокаливали для изменения жёлтой окраски на голубую аквамариновую, морион и тёмно-дымчатый горный хрусталь нагревали до приобретения золотисто-жёлтой цитриновой окраски или полного обесцвечивания, и.т.д. С другой стороны, под действием света, особенно солнечного, или нагревания, - некоторые минералы теряют свою окраску. Постепенно "выцветают" на солнце жёлтые топазы и аметисты. Буквально на глазах теряет под действием света свою изначально сиренево-розовую окраску гакманит (розовая разновидность содалита).

...