Минералы: строительные блоки горных пород

Мы начинаем наше обсуждение материалов Земли с обзора минералогии (mineral = минерал, ology = изучение), потому что минералы являются строительными блоками горных пород. Кроме того, люди использовали минералы как в практических, так и в декоративных целях на протяжении тысяч лет (рис. 2.1).

Кремень и кремнистый сланец были первыми минералами, которые начали добывать; из них изготавливали оружие и режущие инструменты. Египтяне начали добычу золота, серебра и меди ещё в 3700 году до н.э. К 2200 году до н.э. люди обнаружили, как соединять медь с оловом для получения бронзы — прочного и твёрдого сплава. Позже был разработан процесс извлечения железа из минералов, таких как гематит, — открытие, которое ознаменовало закат Бронзового века. В Средние века добыча различных минералов стала обычным явлением, и появился стимул для формального изучения минералов.

Рис. 2.1 Кристаллы кварца. Хорошо развитые кристаллы кварца, найденные около Хот-Спрингс, Арканзас

Термин «минерал» используется в нескольких различных значениях. Например, те, кто заботится о здоровье и фитнесе, восхваляют пользу витаминов и минералов. Горнодобывающая промышленность обычно использует это слово для обозначения всего, что извлекается из земли, будь то уголь, железная руда или песок и гравий. В игре «20 вопросов» первый вопрос часто звучит так: «Это животное, растение или минерал?» Какие критерии используют геологи, чтобы определить, является ли что-то минералом?

Определение минерала. Геологи определяют минерал как любое природное неорганическое твёрдое вещество, обладающее упорядоченной кристаллической структурой и определённым химическим составом, который допускает некоторые вариации. Таким образом, материалы Земли, классифицируемые как минералы, обладают следующими характеристиками:

1. Природное происхождение. Минералы образуются в результате природных геологических процессов. Синтетические материалы, то есть созданные в лаборатории или в результате вмешательства человека, не считаются минералами.

2. Обычно неорганические. Неорганические кристаллические твёрдые вещества, такие как обычная поваренная соль (галит), которые встречаются в природе, считаются минералами. (С другой стороны, органические соединения, как правило, не относятся к минералам. Сахар, кристаллическое твёрдое вещество, подобное соли, но получаемое из сахарного тростника или сахарной свёклы, является распространённым примером такого органического соединения.) Многие морские животные выделяют неорганические соединения, такие как карбонат кальция (кальцит), в форме раковин и коралловых рифов. Если эти материалы погребаются и становятся частью геологической летописи, геологи считают их минералами.

3. Твёрдое вещество. Только твёрдые кристаллические вещества считаются минералами. Лёд (замёрзшая вода) соответствует этому критерию и считается минералом, тогда как жидкая вода и водяной пар — нет. Исключением является ртуть, которая в природе встречается в жидком состоянии.

4. Упорядоченная кристаллическая структура. Минералы представляют собой кристаллические вещества, что означает, что их атомы (ионы) расположены в упорядоченной, повторяющейся манере (рис. 2.2). Это упорядоченное расположение атомов отражается в виде правильных форм, называемых кристаллами. Некоторые природные твёрдые вещества, такие как вулканическое стекло (обсидиан), не имеют повторяющейся атомной структуры и не считаются минералами.

Рис. 2.2. Расположение ионов натрия и хлора в минерале галите. Расположение атомов (ионов) в виде базовых структурных элементов, имеющих кубическую форму, приводит к образованию кристаллов правильной кубической формы

5. Определённый химический состав, допускающий некоторые вариации. Минералы представляют собой химические соединения, состав которых может быть выражен химической формулой. Например, распространённый минерал кварц имеет формулу SiO₂, что указывает на то, что кварц состоит из атомов кремния (Si) и кислорода (O) в соотношении один к двум. Это соотношение кремния к кислороду справедливо для любого образца чистого кварца, независимо от его происхождения. Однако состав некоторых минералов может варьироваться в пределах определённых, чётко установленных границ. Это происходит потому, что некоторые элементы могут замещать другие элементы схожего размера, не изменяя внутреннюю структуру минерала.

Что такое горная порода? В отличие от минералов, которые имеют строгую кристаллографическую природу, горные породы — это более широкое и свободное понятие. Если говорить просто, горная порода — это любой твердый массив, состоящий из минералов или минералоподобных веществ, которые естественным образом формируются в недрах или на поверхности нашей планеты.

Большинство горных пород, таких как, например, гранит, изображенный на рис. 2.3, представляют собой сложные агрегаты — смеси нескольких различных минералов. Термин "агрегат" подчеркивает, что минералы соединены между собой, но при этом сохраняют свои индивидуальные свойства. Взгляните на гранит: его структура позволяет легко различить кварц, полевой шпат и слюду — основные минералы, слагающие эту породу. Однако не все породы столь разнообразны. Некоторые из них, как, например, осадочный известняк, почти целиком состоят из одного минерала — кальцита, правда, с примесями, которые делают его менее "чистым".

Рис. 2.3. Большинство горных пород представляют собой агрегаты минералов. На изображении показан образец магматической породы — гранита, а также три основных минерала, входящих в его состав

Но и это еще не всё! Некоторые горные породы и вовсе не имеют минеральной природы. Например, вулканическое стекло обсидиан или пористая пемза — это некристаллические, аморфные вещества, образовавшиеся при быстром остывании лавы. А уголь? Это и вовсе продукт древней органики, спрессованный за миллионы лет в твердую массу.

Хотя эта глава посвящена в основном минералам, важно помнить: горные породы — это основа Земли. Они слагают её кору, формируют ландшафты и хранят в себе историю планеты. И поскольку свойства пород напрямую зависят от состава и структуры минералов, их слагающих, именно с этих "кирпичиков" мы и начнем наше погружение в мир геологии.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам геологических специальностей, профессиональным геологам-тектонистам, специалистам в области геодинамики и региональной геологии, а также всем, кто интересуется фундаментальными процессами формирования и эволюции земной коры.