Минерал

Минерал (франц. minéral, от позднелат. minera - руда), природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов на поверхности или в глубинах Земли (и других космических тел), главным образом как составная часть горных пород, руд, метеоритов.

М. в подавляющем большинстве - твёрдые тела, подчиняющиеся всем законам физики твёрдого тела; реже встречаются жидкие М. (например, ртуть самородная). Отнесение воды к М. - вопрос дискуссионный, но лёд общепринято считать М. Различают М. кристаллические, аморфные - метаколлоиды (например, опалы, лешательерит, лимонит и др.) и метамиктные минералы, имеющие внешнюю форму кристаллов, но находящиеся в аморфном, стеклоподобном состоянии.

Каждый М. (минеральный вид) представляет собой природное соединение определённого состава с присущей ему кристаллической структурой. Модификации М. одинакового состава (например, алмаз - графит, кальцит - арагонит), но имеющие различную кристаллическую структуру, относятся к различным минеральным видам; наоборот, изоморфные ряды М. (например, оливины, вольфрамиты, колумбиты) с изменяющимся в определённых пределах составом, но с постоянной структурой, относят к одному минеральному виду. М., у которых небольшие изменения в химыическом составе, некоторых свойствах (например, окраске) или морфологических особенностях не приводят к резким различиям в структуре (например, в разновидностях кварца - горном хрустале, аметисте, цитрине, халцедоне), называются минеральными разновидностями.

Единичные кристаллы, зёрна и другие минеральные тела, отделённые друг от друга физическими поверхностями раздела, относятся к минеральным индивидам. Сростки минеральных индивидов образуют минеральный агрегат.
В природе найдено и изучено около 2,5 тыс. минеральных видов и примерно столько же разновидностей. Ежегодно открывается около 30 новых минеральных видов.
Большинство М. представлено ионными структурами (см. Кристаллохимия). Менее распространены ковалентные и интерметаллические структуры. Молекулярные решётки в природе весьма редки (например, реальгар AsS, сера самородная, битумы и смолы). Реальные структуры М. характеризуются наличием дефектов в кристаллах (вакансий, примесных и межузельных атомов или ионов) и дислокаций. Нередко в М. возникают т. н. неупорядоченные структуры, характеризующиеся нарушением правильного порядка расположения ионов в решётке и тенденцией к их последующему перераспределению, направленному к повышению степени упорядоченности (например, в полевых шпатах). Отдельные структурные элементы кристаллической решётки М. (слои, пакеты, цепочки и т. п.) могут быть несколько смещены относительно друг друга при полном сохранении структуры внутри этих элементов. В результате возникают политипные модификации (политипы), характеризующиеся одинаковыми параметрами элементарной ячейки в двух направлениях и третьим - переменным. Политипы особенно часто появляются у слоистых минералов (например: слюд, графита, молибденита, глинистых минералов).
В отличие от образования полиморфных модификаций (см. Полиморфизм), переход одного политипа в другой происходит не скачкообразно, а постепенно и не сопровождается резким тепловым эффектом, что объясняет существование в природе при одинаковых термодинамических условиях нескольких политипных модификаций М. Если явление полиморфизма связано с изменениями температуры и давления, то политипия М., по-видимому, зависит в первую очередь от условий роста кристаллов. Изучение явлений упорядочения, структурных дефектов, политипии и других отклонений в строении реальных М. от идеальных структур помогает расшифровать термодинамические условия образования М.
Химический состав, формулы и классификация. Роль химических элементов в структуре М. различна: одни являются главными и определяют основной состав М.; другие, будучи по свойствам и строению атомов (ионов) близки к главным, присутствуют в М. преимущественно в виде изоморфных (см. Изоморфизм) примесей (например, Pd, Ge, In, Cd, Ga, Tl, Se, I, Br, Re, Rb, многие редкоземельные). Для химии М. характерно резкое преобладание соединений переменного состава, представляющих однородные смешанные кристаллы (твёрдые растворы) - изоморфные ряды М. Этим, а также различной степенью упорядоченности структуры, определяются колебания физыических и химических свойств внутри одного минерального вида: например, плотности, твёрдости, цвета, показателя преломления, магнитной восприимчивости, температуры плавления и др. Сложность и недостаточное постоянство состава М. определяются явлениями изоморфизма, наличием субмикроскопических включений, а также явлениями сорбции, которые имеют место при образовании М. из коллоидных систем (например, урансодержащие опалы, лимониты, монтмориллониты и др.). Субмикроскопические включения в М. могут возникать: а) вследствие захвата дисперсных примесей в процессе кристаллизации из расплава, раствора и других сред (например, газово-жидкие включения в кварце, включения гематита в полевом шпате); б) при распаде твёрдых растворов вследствие изменения температурных условий (образование пертитов у полевых шпатов, распад сложных сульфидов и сложных окислов); в) при метамиктных превращениях; г) явлениях замещения одного М. другим или вторичных изменениях. Многие М. (например, магнетит) постоянно содержат различные микровключения.
В природе наиболее распространены М. класса силикатов - около 25 % от общего числа М.; окислы и гидроокислы - около 12%; сульфиды и их аналоги составляют около 13 %; фосфаты, арсенаты (ванадаты) - около 18 %; прочие природные химические соединения - 32 %. Земная кора на 92 % сложена силикатами, окислами и гидроокислами. По типу химических соединений М. подразделяются на простые тела (самородные элементы) и составные (бинарные и прочие). Помимо простых анионов S^2-, O^2-, OH^-, Cl^- и др., в структурах часты комплексные солеобразующие анионные радикалы [СО₃]^2-, [SiO₄]^4-, [РO₄]^3- и др. В зависимости от состава простого или комплексного аниона среди М. выделяют сульфиды и их аналоги, окислы, галогениды, соли кислородных кислот.
В основу современной классификации М. положены различия в типах химических соединений и кристаллических решёток (см. таблицу). Состав М. определённого структурного типа, а также закономерные его изменения при изоморфизме определяются строением и кристаллохимическими характеристиками слагающих атомов (ионов), их радиусами, координационными числами и типом химической связи.
Конституция (состав и структура) М. выражается кристаллохимическими формулами, в которых указываются: а) валентность иона (если присутствуют элементы в различной степени валентности); б) комплексные анионы (в квадратных скобках), например [SiO₄]^4-, [АlO₄]^5-; в) изоморфные группы элементов, заключающиеся в круглые скобки и отделяющиеся друг от друга запятыми; при этом элементы, находящиеся в большем количестве, пишутся на первом месте; г) дополнительные анионы OH^- F^-, Cl^-, O^2- и др., помещающиеся после анионного радикала; д) молекулы воды в кристаллогидратах (в конце формулы, соединяются с ней через точку); е) цеолитная или адсорбцыионная вода показывается также в конце формулы, пишется через точку и обозначается nH₂O; ж) недостаток атомов в дефектных структурах отмечается буквой х; з) если катионы в структуре М. занимают различное положение, то в формуле они показываются раздельно, при этом координацыионное число их обозначается римскими цифрами в показателе и справа от символа элемента. Примеры развёрнутого кристаллохимического написания формул М.: магнетит Fe²⁺ Fe₂³⁺ O₄; андалузит Al^VI AI^V[SiO₄]O; гипс Ca[SO₄]×2H₂O; пирротин Fe_1-x S, флогопит K[Mg, Fe]₃ [AISi₃O₁₀] (OH,F)₂; опал SiO₂×nH₂O.
Морфология М. определяется их внутренней структурой и условиями образования. Размер отдельных минеральных индивидов широко варьирует: от 1-100 нм (коллоидные М.) до 10 м (например, кристаллы сподумена в пегматитах). В зависимости от кристаллической структуры и условий роста возникают кристаллы М. различного облика (габитуса) - изометрического (например, галит, галенит, сфалерит, оливин и др.), листоватого и чешуйчатого (например, молибденит, слюды, тальк), дощатого (например, барит), столбчатого и игольчатого (рутил, актинолит, турмалин). На некоторых кристаллах М. наблюдается характерная штриховка, а также формы роста и растворения. Детально изучая морфологию М. и скульптуру граней, т. е. проводя кристалломорфологические исследования, можно воссоздать историю образования минеральных индивидов. Наряду с отдельными кристаллами М. в природе образуются также сростки М., как закономерно ориентированные по отношению друг к другу (двойники, параллельные и эпитаксические сростки), так и без взаимной ориентации (минеральные агрегаты). По морфологии агрегатов выделяются друзы (щётки), дендриты, зернистые, плотные и землистые массы, оолиты и сферолиты, секреции и конкреции, различные натёчные агрегаты минералов, особенно характерные для минералов экзогенного происхождения. Изучение морфологии минеральных агрегатов составляет содержание особого раздела минералогии - онтогенического анализа М. Знание морфологических особенностей М. помогает быстро их определять.
Физические свойства М. обусловлены кристаллической структурой и химическим составом. Вследствие изоморфизма, микронеоднородности, разупорядоченности, наличия дефектов и других особенностей в природных кристаллах М., свойства их обычно не являются строго постоянными. Физические свойства М. подразделяют на скалярные (например, плотность) и векторные, имеющие различную величину в зависимости от кристаллографических направления (например, твёрдость, кристаллооптические свойства и др.). К физическим свойствам М., которые наряду с формами выделений служат основой их диагностики, относятся плотность, механические, оптические, люминесцентные, магнитные, электрические, термические свойства, радиоактивность.
По плотности М. подразделяются на: лёгкие (до 2500 кг/м³), средние (от 2500 до 4000 кг/м³) - преобладающая масса М., тяжёлые (от 4000 до 8000 кг/м³)и весьма тяжёлые (более 8000 кг/м³). Плотность М. зависит от массы атомов или ионов, входящих в кристаллическую структуру, и характера их упаковки, а также от присутствия в М. добавочных анионов (OH^-, F^- и др.) и воды.
Механические свойства включают твёрдость (см. Твёрдость минералов), хрупкость, ковкость, спайность (см. Спайность минералов), отдельность (см. Отдельность минералов), излом, гибкость, упругость. При диагностике обычно определяется относительная твёрдость М. в соответствии с Мооса шкалой.
Спайность - весьма совершенная, совершенная, средняя (ясная), несовершенная (неясная) и весьма несовершенная - выражается в способности М. раскалываться по определённым направлениям (параллельным сеткам кристаллической решётки с наибольшей ретикулярной плотностью атомов и наименьшей силой сцепления между ними). Излом (ровный ступенчатый, неровный, занозистый, раковистый и др.) характеризуют поверхности раскола М., произошедшего не по спайности.
Оптические свойства (см. Кристаллооптика) - цвет минералов, блеск, степень прозрачности, светопреломление, светоотражение, плеохроизм - могут быть изучены на отдельных участках зёрен М. с помощью оптической микроскопии в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра.
Блеск М. (металлический, полуметаллический и неметаллический - алмазный, стеклянный, жирный, восковой, шелковистый, перламутровый и др.) обусловлен количеством отражаемого от поверхности М. света и зависит от его показателя преломления. По прозрачности М. разделяются на прозрачные, полупрозрачные, просвечивающие в тонких осколках и непрозрачные. Количественное определение светопреломления и светоотражения М. возможно только под микроскопом, равно как и определение плеохроизма. Большинство других физических свойств М. (люминесцентные, магнитные, электрические, радиоактивные и др.) рассматривается в специальных статьях (см. Люминесценция, Магнетизм, Пьезоэлектричество, Радиоактивные минералы). В современной минералогии возникло и успешно развивается особое направление - физика минералов.
Диагностика М. производится предварительно в полевых условиях главным образом по внешним физическим признакам - форме выделения и их окраске, облику и характеру симметрии кристаллов, цвету черты, блеску, спайности, излому и относительной твёрдости. С помощью магнитной стрелки компаса определяются ферромагнитные минералы (магнетит, пирротин). Карбонаты легко диагностируются по "вскипанию" с HCl. Иногда используются качественные химические реакции. Существуют специальные определители, позволяющие по этим данным относить обнаруженный М. к определённому минеральному виду. Многие М. (например, глинистые) в полевых условиях диагностировать нельзя. В лабораторных условиях элементный состав М. определяют методами классического химического анализа, а также эмиссионного или атомно-адсорбционного спектрохимического анализа. Прозрачные и просвечивающие М. исследуют в проходящем свете с помощью поляризационного микроскопа, непрозрачные М. изучают в отражённом свете на специальных микроскопах. Точная диагностика ряда М. производится с помощью рентгенограмм. Тонкодисперсные М., которые показывают нечёткие линии на рентгеновских порошкограммах (дебаеграммах или дифрактограммах), исследуют электронографическим методом под электронным микроскопом. Для быстрой диагностики некоторых люминесцирующих М. (например, шеелита) применяют специальные приборы - люминоскопы. Для решения вопроса о форме вхождения воды в состав М. используют термический анализ (дифференциальные кривые нагревания, кривые потери веса), инфракрасную спектроскопию, ядерный магнитный резонанс, а для определения формы вхождения элемента-примеси в состав минерала - рентгеновский микроанализатор с электронным зондом, электронный парамагнитный резонанс; в некоторых случаях применяются люминесцентные и радиографический (для U и Th) методы.
Явления структурного упорядочения М. и политипии изучаются методами рентгеновской дифрактометрии и электронографии.
Условия нахождения и образования. По распространённости в природе все М. разделяют на породообразующие и рудообразующие (принимающие существенное участие в составе горных пород или руд), второстепенные, или акцессорные (при содержании не более 1 %), редко встречающиеся и весьма редкие, обнаруженные только в единичных случаях. Такое разделение условно, поскольку М., чрезвычайно редко образующиеся в одних природных процессах, оказываются широко распространёнными в других геологических условиях.
Каждый М. имеет свою историю развития, возникая в конкретных геолоигческих и физико-химических условиях вследствие определённых природных геохимических процессов. В своём развитии М. проходит стадию зарождения, роста и изменения. Эволюция минеральных индивидов и агрегатов во времени, охватывающая все указанные стадии, объединена советским учёным Д. П. Григорьевым (1961) под названием онтогении М. Зарождение М. может происходить из различных по фазовому состоянию сред (расплава, раствора, газа) во взвешенном состоянии или на каком-нибудь субстрате. В процессе роста М. изоморфно или механически захватывает примеси, находящиеся в минералообразующей среде (вследствие чего возникает зональное строение М.), и жидкие, газово-жидкие и газовые включения самой среды. При изменении физико-химической обстановки (например, падение температуры, увеличение давления, приток новых растворов и т. д.) могут происходить следующие явления: а) деформации, приводящие к механическому двойникованию, появлению дислокаций, мозаичного и блочного строения; б) растворение М., о котором свидетельствуют специфические фигуры на гранях; в) полиморфные превращения; г) распад твёрдых растворов; д) перекристаллизация; е) процессы химического изменения, приводящие к замещению одних М. другими. Если при этих замещениях сохраняется внешняя форма ранее существовавшего М., возникают псевдоморфозы (например, лимонита по пириту). Псевдоморфозы, у которых первичный и образующийся по нему вторичный М. представлены полиморфными модификациями одного состава, называют параморфозами (например, сфалерита по вюртциту, графита по алмазу). Возникая вследствие различных реакций, любой М. не встречается изолированно, а всегда сопровождается другими М. Эти минеральные ассоциации, закономерно образующиеся в ходе единого процесса, ограниченного в пространстве и во времени и протекающего в определенных физико-химических условиях, называются парагенезисом минералов или парагенетическими ассоциациями. Количество возможных устойчивых М. в парагенетической ассоциации определяется минералогическим правилом фаз. Поскольку природные процессы протекают в условиях меняющихся температуры, давления и концентрации компонентов, то в ходе их развития одни парагенетические ассоциации М. закономерно сменяются другими. Исследование возникающих ассоциаций М. с помощью физзико-химических диаграмм (состав - парагенезис) является основой парагенетического анализа, разработанного сов. учёным Д. С. Коржинским. Этот метод позволяет предсказывать нахождение М. в той или иной ассоциации, а также выделять различные стадии процесса минералообразования. М. может встречаться на одном месторождении в разных парагенетических ассоциациях, т. е. выделяться на разных стадиях. Такие разновременные выделения одного и того же М. называются генерациями. Являясь продуктом природных реакций, М. причинно связан с образующей его средой, её фазовым состоянием и физико-химичскими параметрами. Всё это отражается на составе и свойствах М., который приобретает на каждой стадии развития процесса минералообразования свои специфические типоморфные черты. Под типоморфизмом понимают сумму химических, структурных и физических признаков М., связанных причинно-следственными отношениями со средой, в которой М. образовался. Типоморфными могут быть как сами минералы или их парагенезисы, так и отдельные их признаки. Типоморфные особенности М. можно использовать для установления генезиса М., а также как поисковые признаки при геологоразведочных работах.
М. возникают при эндогенных, экзогенных и метаморфогенных процессах. Современное понятие "генезис минералов" включает характеристику ряда явлений, обусловливающих возникновение М., в том числе: а) химизм процесса минералообразования; б) фазовое состояние среды минералообразования; в) физико-химичские параметры системы, при которых происходило возникновение М. (температура, давление, активность компонентов, кислородный потенциал, режим основности - кислотности); г) механизм зарождения, роста и развития М., в частности способ его образования (свободная кристаллизация, метасоматическое развитие, перекристаллизация, раскристаллизация гелей и др.); д) процессы последующего изменения М. и явления метаморфизма; е) источник вещества.
Главнейшими путями определения генезиса М. являются: а) наблюдения геологических условий нахождения М.; б) выявление типоморфных особенностей М.; в) парагенетический анализ; г) онтогенические исследования; д) изучение газово-жидких включений в М.; с) расчёты термодинамических характеристик природных реакций; ж) определение термодинамических параметров по различным геотермометрам и геобарометрам; з) изучение физико-химических систем; и) экспериментальное моделирование возможных природных процессов образования М.; к) изучение изотопного состава М. Получение объективных количественных данных, характеризующих генезис М., позволяет восстанавливать геологические процессы и историю формирования месторождений полезных ископаемых и тем самым создать научную основу для их поисков, разведки и промышленной оценки.
Применение. Свойства М. определяют области их применения в технике. Так, например, весьма твёрдые М. (алмаз, корунд, гранаты и др.) применяются как абразивы; М. с пьезоэлектрическими свойствами используются в радиоэлектронике и т. д. На различиях физических свойств М. (главным образом плотности, упругих, магнитных, электрических, поверхностных, радиоактивных и др.) основаны методы обогащения руд, а также геофизические методы разведки месторождений полезных ископаемых. В этой связи особо важное значение приобретает всестороннее изучение свойств и особенностей М. Большие перспективы открывает возможность направленного изменения свойств М. путём "генерирования" или "залечивания" дефектов кристаллической решётки, что может быть осуществлено разными путями - механическим, акустическим (ультразвуковая обработка), термическим (нагреванием и последующим быстрым или медленным охлаждением), химическим (протравливанием, обработкой реагентами, способными "легировать" поверхность М. примесными ионами), радиационным (облучением рентгеновскими и гамма-лучами, потоками быстрых частиц и т. п.). На современном этапе развития промышленность использует не более 15 % всех известных М. Детальное изучение распространённости, состава и свойств М. позволяет вовлекать в сферу практического применения всё новые минеральные виды, используя при этом почти все элементы таблицы Менделеева, заключённые в различных М. в форме основных компонентов (руды чёрных, цветных, частично редких металлов) или элементов-примесей (рассеянные элементы). Широкое применение в оптике, радиоэлектронной технике, в электроэнергетике приобрели монокристаллы М. и их синтетические аналоги. Некоторые М. являются драгоценными и поделочными камнями. В число объектов изучения минералогов все шире вовлекаются М. Луны, космических тел и М. мантии Земли.
Лит.: Вернадский В. И., История минералов земной коры, т. 1, в. 1-2, Л., 1923-27; Дир У. А., Хаун Р. Д., Зусман Дж., Породообразующие минералы, пер. с англ., т. 1-5, М., 1965-66; Современные методы минералогического исследования. Сборник, ч. 1-2, М., 1969; Основные проблемы в учении о магматогенных рудных месторождениях, 2 изд., М., 1955; Ферсман А. Е., Пегматиты, т. 1, Избр. труды, т. 6, М., 1960; Бетехтин А, Г., Курс минералогии, 3 изд., М., 1961; Костов И., Минералогия, [пер. с англ.], М., 1971; Лазаренко Е. К., Курс минералогии, М., 1971; Смольянинов Н. А., Практическое руководство по минералогии, 2 изд., М., 1972; Вопросы однородности и неоднородности минералов. Сборник, М., 1971; Минералы. Справочник, т. 1-3, М., 1960-72; Григорьев Д. П., Онтогения минералов, Львов, 1961; Шафрановский И. И., Кристаллы минералов, М., 1961; Типоморфизм минералов и его практическое значение, Сб. ст., М., 1972; Коржинский Д. С., Теоретические основы анализа парагенезисов минералов, М., 1973.
? Г. П. Барсанов, А. И. Гинзбург. Схематическая классификация минералов Основные типы химических соединений Классы (по ведущему аниону) Подклассы, разделы (по степени сложности состава или по структуре, пространственной ассоциации комплексных анионов)
1. Простые вещества
Самородные элементы
а) металлы, б) полуметаллы, в) неметаллы
11. Бинарные соединения с анионом:
S^2-; S₂^2-; Se^2-; As^3- и др.
1. Сульфиды и их аналоги (арсениды, селениды и др.)
а) простые, б) дисульфиды, диарсениды и т. п., в) сложные (в т. ч. сульфосоли)
О^2-; (он)^-
2. Окислы, гидроокислы и оксигидраты
а) простые; б) сложные; в) гидроокислы и оксигидраты (простые и сложные)
F^-: Cl^-; Br^-; I^-
3. Фториды: 4. Хлориды, бромиды, иодиды
а) простые: б) сложные (с водой, добавочным анионом О^2- и др.)
III. Солеобразные с комплексными анионами типа
[Me^z+_mO^2-_n]^(2n-mz)-
1. Силикаты (алюмосиликаты и др.):
2. Бораты
а) островные: орто-, диорто-, триорто-; 6) кольцевые; в) цепочечные и ленточные; г) слоистые; д) каркасные
3. Фосфаты; 4. Арсенаты: 5. Ванадаты; 6. Хроматы; 7. Молибдаты; 8. Вольфраматы; 9. Титанаты; 10. Сульфаты; 11. Карбонаты; 12. Нитраты
а) простые (безводные или содержащие воду); б) сложные (с водой, добавочными анионами, сложным катионным составом и т. п.)
IV. Органические соединения
1. Соли органических кислот;
2. Смолы, битумы
Не выделяются
Примечания. 1. Группы минералов выделяются по составу и структуре (например, группа арагонита, группа ромбических пироксенов). 2. Внутри подклассов, разделов подразделение основано на группировке М. с одинаковым типом усложнения состава (добавочные анионы, наличие воды и т. д.) или объединении по главнейшим типам структурных мотивов (координационные, цепочечные, слоистые, кольцевые и др.), образуемых пространственным расположением катионов и анионов в структуре.