Понятия минерал, минеральный вид, минеральная разновидность

Минерал – природное твердое тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов на поверхности или в глубине Земли (или других космических тел), главным образом как составная часть горных пород, руд и метеоритов.

Практически вся твердая часть земной коры состоит из минералов, а точнее из различных минеральных ассоциаций. На сегодняшний день известно более 2000 минералов, из которых около 450 широко распростра-нены. Для удобства систематики минералов принято выделять минеральные виды и минеральные разновидности.

Минеральный вид – природное соединение определенного химического состава и кристаллической структуры. В прямой зависимости от состава и структуры вещества находятся химические и физические свойства минерального вида (форма кристаллов, цвет, блеск, спайность, излом, твердость и т.д.). Таким образом, каждый минеральный вид характеризуется только присущим ему сочетанием химических и физических свойств. Свойства, по которым один минеральный вид отличается от других минеральных видов, называются диагностическими.

Минеральный вид является основной единицей при систематике при-родных химических соединений и носит специальное название (например, кварц, кальцит, пирит, галит и т.д.).

Минеральными разновидностями называют минералы одного вида (одного химического состава и кристаллической структуры), отличающиеся второстепенными признаками (степенью прозрачности, цветом, реже блеском).

Образование минеральных разновидностей часто связано с появлением в составе минерала элементов-примесей, либо дефектами кристаллической структуры.

Минеральный вид может иметь одну или несколько минеральных разновидностей. Например, минеральными разновидностями кварца являются горный хрусталь (бесцветный), аметист (фиолетовый), морион (черный), цитрин (золотисто-желтый), раухтопаз (дымчатый), минеральными разновидностями берилла являются изумруд (зеленый), аквамарин (голубой), воробьевит (розовый), гелиодор (желтый), минеральными разновидностями корунда являются лейкосапфир (бесцветный), сапфир (синий), рубин (красный) и т.д.

1.1.2. Понятие полиморфной модификации, явление полиморфизма

Минералы одного и того же химического состава, но разной кристаллической структуры, называются полиморфными модификациями. Каждая полиморфная модификация является самостоятельным минеральным видом и носит свое название.

Свойства полиморфных модификаций могут быть совершенно различны. Например, алмаз (С) имеет самую высокую твердость 10,0, а его полиморфная модификация графит (С) имеет твердость 1,0. Плотность алмаза 3,5, плотность графита 2,2. Алмаз кристаллизуется в кубической сингонии, графит – в гексагональной. Причиной различия свойств алмаза и графита является их внутренняя структура, т.е. характер расположения атомов углерода в кристаллической решетке данных минералов. Алмаз имеет плотную упаковку, атомы углерода скреплены сильными химическими связями, в графите атомы углерода располагаются слоями, внутри которых действует один тип связи, а между слоями – другой, менее прочный тип связи. Таким образом, следствием плотной упаковки атомов углерода в алмазе является кристаллизация вещества в кубической сингонии и высокая твердость, а слоистое расположение атомов углерода со слабыми химически-ми связями в графите, обуслововливает его низкую твердость и чешуйчатое строение.

Примерами полиморфных модификаций также являются кальцит (СаСО₃ тригональной сингонии) и арагонит (СаСО₃ ромбической сингонии), пирит (FeS₂ кубической сингонии) и марказит (FeS₂ ромбической сингонии), рутил (TiO₂ тетрагональной сингонии) и брукит (TiO₂ ромбической сингонии), а также восемь полиморфных модификаций кварца и шесть полиморфных модификаций серы.

Возникновение полиморфных модификаций связано с различием в их условиях образования. Данное явление носит название полиморфизма.

Полиморфизм – способность кристаллического вещества при изменении внешних факторов (главным образом температуры и давления) претерпевать два или несколько видоизменений кристаллической структуры. Полиморфизм самородных минералов (простых веществ) называют аллотропией (рис. 1).

При нагревании без доступа кислорода в кристаллической структуре алмаза при температуре выше 3000⁰ при атмосферном давлении происходит фазовый переход в более устойчивую в этих условиях структуру графита. Обратный переход графита в алмаз невозможен (рис.1). Другим примером полиморфных превращений является обычная природная ромбическая сера, при нагревании ее выше температуры 95,5⁰ С при атмосферном давлении,

Рис. 1 Пример аллотропии углерода (Булах, 1999)

происходит фазовый переход в серу моноклинную, а с понижением темпера-туры моноклинная сера снова переходит в ромбическую.

Для минералов со слоистыми структурами характерна частичная перекристаллизация, в результате которой возникают структурные разно-видности, построенные из однотипных слоев, но с различной последо-вательностью их чередования или с разворотом относительно друг друга. Данное явление называют политипией, а структурные разновидности – политипами.

1.1.3. Изоморфизм, условия и типы изоморфизма

Изоморфизм – явление замещения одних химических элементов другими в кристаллах с сохранением исходной кристаллической структуры.

Замещение одних химических элементов другими не должно нарушать строения и нейтральности кристаллической решетки, а потому далеко не все элементы могут образовывать изоморфные смеси. Изоморфные замещения возможны только при соблюдении следующих условий:

- соответствие ионных радиусов (разность радиусов не должна пре-вышать 15 %);

- сходство химических свойств замещающих друг друга элементов;

- сохранение электронейтральности кристаллической структуры мине-рала.

По степени совершенства выделяют следующие типы изоморфизма:

1. Неограниченный (совершенный) изоморфизм – возможна полная замена одних атомов другими. При этом могут существовать два крайних и все промежуточные по составу минералы, образуя непрерывный изоморфный ряд (твердый раствор).

Рис. 2. Непрерывный изоморфный ряд между минералами магнезит-сидерит

Примером непрерывного изоморфного ряда могут являться минералы магнезит MgCO₃ и сидерит FeCO₃ (рис. 2). Кристаллическая структура этих минералов морфологически однотипна, радиусы Mg²⁺ и Fe²⁺ близки, химические свойства элементов сходны. Железо может замещать магний в магнезите от 0 до 100 %, образуя в итоге минерал – сидерит и непрерывный ряд твердых (кристаллических) растворов. Под твердыми растворами пони-маются минералы переходного состава.

2. Ограниченный (несовершенный) изоморфизм – количество изоморфной примеси ограничено и не превышает определенного значения. При ограниченном изоморфизме образуются минералы переменного состава.

Например, в сфалерите ZnS количество примесь железа может колебаться в пределах от 0 до 20 %, а в алюмосиликатах не более 50 % атомов кремния могут замещаться атомами алюминия.

3. Направленный (полярный) изоморфизм характеризуется неравно-ценными возможностями замещения одних элементов другими.

Примером может служить самородное золото, в качестве изоморфной примеси оно может содержать до 20 % меди, в то время как медь содержит не более 2 – 3 % золота (рис. 3)

Рис. 3 Пример направленного изоморфизма в самородном золоте

Если количество изоморфных примесей в минералах не превышает 0,01 – 1,0 %, то их называют минералами постоянного состава.

По характеру компенсаций валентностей выделяют:

1. Изовалентный изоморфизм – замещение равновалентных атомов (ионов).

2. Гетеровалентный изоморфизм – замещение атомов различной валентности. При гетеровалентном изоморфизме кристаллическая структура минералов часто становится дефектной из-за появления дырочных вакансий или внедрения дополнительных атомов в межузельные пространства, за счет чего могут незначительно изменяться физические свойства минерала (цвет, блеск и степень прозрачности).

Ярким примером гетеровалентного изоморфизма служат кальциево-натриевые полевые шпаты, имеющие переменный состав с крайними членами альбитом Na[AlSi₃O₈] и анортитом Ca[Al₂Si₂O₈]. Изоморфные замещения осуществляются парами по следующей схеме Na⁺Si⁴⁺ ← Ca²⁺Al ³⁺, при этом количество атомов остается неизменным и сохраняется электро-нейтральность кристаллической решетки. Изоморфные ряды при гетеро-валентном изоморфизме в плагиоклазах называют твердыми растворами замещения.

Гетеровалентный изоморфизм может осуществляться только в особых геологических условиях при высоких температурах. При изменении параметров среды нахождения минерала, может происходить распад твердого раствора.

1.1.4. Минеральный индивид, минеральные агрегаты

В природе минералы встречаются в виде минеральных индивидов и в виде минеральных агрегатов.

Минеральным индивидом считается отдельный кристалл, отдельное зерно минерала, имеющие физические поверхности раздела с другими индивидами (рис. 4).

Рис. 4 Пример минерального индивида – кристалл аметиста

Минеральные индивиды при срастании могут образовывать минераль-ные агрегаты. Агрегаты могут быть мономинеральными, состоящими из зерен (кристаллов) одного минерала или полиминеральными, состоящими из зерен (кристаллов) нескольких минералов (рис. 5, 6).

1.1.4.1. Морфология минеральных индивидов

Морфологические особенности минеральных индивидов на прямую зависят от их внутренней кристаллической структуры. Грани их кристаллов соответствуют плоским сеткам, ребра – рядам, а вершины – узлам пространственной решетки. Так как каждый минеральный вид обладает только свойственной ему кристаллической структурой и химическим составом, морфологические особенности их индивидов могут иметь важное диагностическое значение.

Хорошо ограненные кристаллы образуются в тех случаях, когда ничего не мешает их свободному росту. Свободно кристаллы могут расти в полых трещинах, пустотах горных пород, вулканических миндалинах. Часто хорошо огранены минералы, кристаллизующиеся первыми при остывании магмы (как правило, они имеют высокий удельный вес), либо кристал-лизующиеся из водных растворов (лед, различные соли). В остальных случаях образуются кристаллы или минеральные зерна без геометрически правильной огранки. В таких случаях характер огранки природных кристалл-лов обусловлен не только их внутренней структурой, но и условиями кристаллизации.

В минералогии при характеристике морфологии минеральных индивидов используется два понятия – облик и габитус кристаллов.

Облик (форма) – это внешний вид кристалла. Этот термин является нестрогим (передает общее восприятие внешнего вида кристалла) и используется при характеристике минеральных индивидов с неясной или отсутствующей огранкой.

Выделяют следующие типы форм кристаллов:

1. Изометричные – формы одинаково развитые во всех трех направле-ниях в пространстве.

2. Удлиненные – формы вытянутые в одном направлении (столбчатые, шестоватые, игольчатые и т.д.).

3. Уплощенные – формы вытянутые в двух направлениях (таблитчатые, чешуйчатые, листоватые и т.д.).

Габитус - внешний вид ограненного кристалла минерала с учетом наиболее развитых простых форм, участвующих в его огранке. Этот термин является более строгим, так как при характеристике учитываются конкретные формы или комбинации форм кристаллов (например, удлиненно-призматический габитус кристаллов рутила, октаэдрический габитус кристаллов магнетита и т.д.).

Согласно концепции кристаллического строения габитус является функцией кристаллической структуры минерального индивида. Тем не менее бывают случаи несоответствия формы огранки и внутренней структуры минерала, вследствие чего возникают ложные формы или псевдоморфозы. Ярким примером является псевдоморфоза лимонита по кристаллам пирита, возникшая вследствие окисления последнего (рис. 7) или псевдоморфоза арагонита по целестину (рис. 8). В природе также часто встречаются псевдоморфозы по органическим остаткам. Примером могут служить окаменелости – окаменевшее дерево, раковины аммонитов, панцири ракообразных, кости рыб и пресмыкающихся, в которых органическое вещество замещается халцедоном, пиритом, кальцитом и другими минералами (рис. 9 – 11).

Псевдоморфозами, по сути, являются и кристаллы, обладающие правильной огранкой, но утратившие свою кристаллическую структуру и ставшие аморфными вследствие метамиктного распада (явление характерное для минералов, содержащих в своем составе радиоактивные компоненты).

В условиях быстрой кристаллизации вещества или затрудненного питания в процессе формирования образуются скелетные формы кристаллов (скелеты).

Скелеты – это вершинные и реберные формы кристаллов минералов.

Примером скелетной формы являются снежинки – шестилучевые кристаллы, где каждый луч имеет ребристое строение, если ее очертить, получится гексагональный кристалл льда (рис. 12).

Сложные древовидные агрегаты скелетных кристаллов образуют дендриты (дендриты золота, самородной меди, марганца и т.д.) (рис. 13).

Рис. 9 Окаменелое дерево.

Псевдоморфоза халцедона по органическим остаткам

Рис. 10 псевдоморфоза карбонат-апатита по костям ископаемых животных

Рис. 11 Раковина аммонита замещенная арагонитом

Рис. 12 Скелетные формы кристаллов льда (лаборатория профессора Либбрехта (Kenneth Libbrecht) Калифорнийского технологического института)

Рис. 13 Дендрит окислов марганца

1.1.4.2. Морфология минеральных агрегатов

Строение и морфологические особенности минеральных агрегатов весьма разнообразны. Наиболее распространенными являются зернистые агрегаты, друзы, секреции, конкреции, оолиты, сферолиты, а также натеки и землистые массы.

Зернистые агрегаты представляют собой незакономерно сросшиеся зерна одного или нескольких минералов. Зернистые агрегаты образуются, как правило, при медленном застывании магмы с множеством центров минерализации. Минеральные зерна в этом случае растут в стесненных условиях и не имеют правильных очертаний. Зернистые агрегаты могут также образовываться осадочным путем при цементации обломков раз-личных горных пород или отдельных минеральных зерен.

По величине слагающих зерен выделяют:

- крупнозернистые агрегаты с размером зерен более 5,0 мм в диаметре;

- среднезернистые агрегаты с размером зерен от 5,0 до 1,0 мм в диа-метре;

- мелкозернистые агрегаты с размером зерен менее 1,0 мм в диаметре;

- тонкозернистые агрегаты, зерна которых устанавливаются с помо-щью лупы или микроскопа.

По форме слагающих зерен выделяют:

- собственно зернистые агрегаты – сложены зернами более или менее изометричной формы (рис. 14);

- листоватые или чешуйчатые агрегаты – сложены зернами чешуйча-того или пластинчатого облика (рис. 15);

- шестоватые, игольчатые, волокнистые агрегаты – сложены зернами удлиненного облика (рис. 16).

Друзой называют закономерный агрегат, состоящий из ограненных кристаллов, нарастающих на общее основание (рис. 17). Формирование друз подчиняется закону геометрического отбора. Сначала на стенку нарастают одиночные разно ориентированные кристаллы, разрастаясь, они соприка-саются друг с другом, мешая при этом дальнейшему росту. Продолжают расти только те кристаллы, вектор роста которых направлен в сторону свободного пространства.

Друзы мелких кристаллов называют щетками (рис. 18).

Секреции характеризуются последовательным отложением минераль-ного вещества по направлению от стенок пустоты к центру. Секреции могут быть заполнены друзами кристаллов (кварца, кальцита, гипса, топаза, берилла) или натечными образованиями (халцедоном). При этом отдельные слои часто отличаются друг от друга по цвету и составу.

Мелкие секреции (до 1,0 см в диаметре) называют миндалинами.

Крупные секреции (более 10,0 см в диаметре) называют жеодами (рис.19).

Конкреции характеризуются последовательным отложением минераль-ного вещества от центра к периферии. Конкреции имеют радиально-лучистое или концентрически-зональное внутреннее строение (рис. 20). Центрами минерализации в них часто служат органические остатки или минеральные частицы. Как правило, конкреции заполнены сидеритом, кальцитом, марка-

Рис. 14. Зернистый агрегат пирита

Рис. 15. Чешуйчатый агрегат флогопита

Рис. 16. Шестоватый агрегат дистена

Рис. 17 Друза кристаллов горного хрусталя

Рис. 18 Щетка кристаллов аметиста

Рис. 19 Кварцевая жеода

Рис. 20 Конкреция с радиально-лучистым внутренним строением

зитом, практический интерес представляют фосфоритовые, железистые и марганцевые конкреции.

Оолиты и сферолиты так же как и конкреции характеризуются заполнением пространства от центра к периферии, но отличаются меньшими размерами и имеют свои отличительные признаки.

Оолитами называют минеральные агрегаты, сложенные из мелких шариков (от 0,5 до 2,0 – 3,0 см в диаметре), имеющих концентрически-скорлуповатое внутреннее строение (рис. 21 – 23). Внутреннее строение оолитов обусловлено нарастанием скорлупок или тонких пленок минерала на «затравке», которой служат мелкие песчинки или органические остатки. Оолитовое строение часто имеют осадочные бокситовые, железные и марганцевые руды.

Рис. 21 Оолитовое строение железной руды	Рис. 22 Оолитовое строение марганцевой руды	Рис. 23 Оолитовое строение боксита

Сферолиты(почковидные агрегаты) имеют шаровидную форму и радиально-лучистое внутреннее строение. В центре сферолитов, также как и в конкрециях и оолитах, имеется центр минерализации. Радиально-лучистое строение сферолитов обусловлено геометрическим отбором, либо стесненными условиями роста кристаллов. Размер сферолитов колеблется от долей до первых сантиметров.

Натечные агрегаты имеют зональное, часто причудливое, строение за счет постепенного послойного нарастания (натекания) минерального ве-щества из растворов. Натечные агрегаты часто имеют вид сталактитов (растущих сверху вниз), сталагмитов (растущих снизу вверх), различных натеков (рис. 24 – 25).

а	б
Рис. 24 Строение сталактита: а – в поперечном срезе; б – в продольном срезе

Рис. 25 Натечные формы малахита

Налеты и примазки в виде тонких пленок и корок покрывают поверхность минералов и горных пород. Чаще всего встречаются налеты лимонита, медной зелени и сини (малахита, азурита).

Землистые агрегаты представляют собой слабо сцементированную мелкозернистую, мучнистую массу, имеющую внешнее сходство с почвой.