Минералы и горные породы. Строение и происхождение минералов

Минерал – природное вещество, состоящее из одного элемента или из закономерного сочетания элементов, образующееся в результате природных процессов, протекающих в глуби земной коры или на поверхности. Каждый минерал имеет определенное строение и обладает присущими ему физическими и химическими характеристиками. В настоящее время известно более 2 500 минералов (не считая разновидностей). Наука, изучающая минералы, называется минералогией.

В зависимости от агрегатного состояния, минералы подразделяются на твердые (кварц), жидкие (ртуть), газообразные (метан). Наибольшим распространением пользуются твердые минералы, среди которых, в свою очередь, преобладают кристаллическими (атомы в них расположены упорядоченно), и гораздо реже встречаются аморфные (с хаотичным расположением атомов). Наука о строении кристаллических минералов называется кристаллографией.

В зависимости от пространственного расположения элементарных частиц,, составляющих кристаллическую решетку, все многообразие форм кристаллов можно свести к нескольким группам симметрий, или сингоний. Выделяют семь сингоний: моноклинную, триклинную, ромбическую, тригональную, тетрагональную, гексагональную, кубическую. Огромное влияние на структуру кристаллической решетки оказывают физико-химические условия минералообразования: кристаллы одного и того же минерала, возникшие в разных условиях, будут отличаться сингонией. Более того, из одного элемента возможно формирование совершенно разных минералов: например, состоящих из углерода графита и алмаза. Способность одинаковых по составу твердых веществ кристаллизоваться в разных модификациях называется полиморфизмом.

От внутреннего строения напрямую зависят физические свойства минералов. Так, обладающие кубической сингонией октаэдрические кристаллы алмаза – модификации углерода – характеризуются наивысшей твердостью. Другая же модификация углерода – графит – кристаллизуется в гексагональной сингонии и отличается минимальной твердостью. Кристаллическим минералам свойственна анизотропность – физические свойства в них отличаются по разным направлениям в кристалле. Наоборот, аморфным минералам характерна изотропность – сохранение физических характеристик, независимо от направления. К числу важнейших физических свойств, позволяющих производить макроскопическое определение минералов, относят следующие: твердость, блеск, цвет в куске, цвет в порошке (цвет черты), спайность, излом, прозрачность, удельный вес.

По занимаемому в составе горных пород объему минералы делятся на породообразующие и акцессорные. Породообразующими (их около 50) являются минералы, играющие первостепенную роль в составе горных пород. Состав породообразующих минералов служит одним из критериев, по которым определяют название горной породы. Акцессорные минералы встречаются в виде незначительных примесей (не более 5 % от объема породы) и их наличие не влияет на название породы. Кроме того, выделяют обширную группу рудообразующих минералов, использующихся человеком для производства металлов.

По происхождению минералы делятся на типы, которые объединяются в две группы: эндогенные – возникают в глуби земной коры благодаря процессам магматизма и метаморфизма, а также экзогенные – образующиеся в верхней части земной коры в результате выветривания и осаждения из водных растворов. Последовательность формирования минералов от эндогенных до экзогенных можно представить следующим образом.

1. Магматический тип минералообразования имеет место в пределах магматического очага, возникающего в глуби земной коры. По мере остывания и гравитационного разделения магмы, из нее последовательно кристаллизуются вначале тугоплавкие, а затем все более легкоплавкие минералы. Соответственно, первыми возникают тяжелые зелено-черные минералы: оливин, авгит, лабрадор; затем более легкие: роговая обманка, слюды, ортоклазы, а в завершение – самый легкий низкотемпературный кварц. Такая последовательность получила название реакционного ряда Боуэна (по имени канадского ученого).

2. Пегматитовый тип проявляется на последних стадиях остывания магмы, при температурах 500 – 700° С, когда в расплавленном виде остаются лишь самые легкие фракции, обогащенные кислотами и щелочами и насыщенные газами. В этих условиях формируются своеобразные породы – пегматиты, сложенные крупными и гигантскими кристаллами кварца, ортоклаза, слюд. На данной стадии возникают многие драгоценные камни, рудные и радиоактивные минералы.

3. Пневматолитовый тип заключается в кристаллизации перенасыщенного газами вещества магмы, поднимающегося по трещинам земной коры. Из летучих соединений формируются руды висмута, вольфрама, молибдена, мышьяка и др. Когда температура понижается до 500° С, пневматолитовый тип начинает сопровождаться гидротермальными процессами, ведущими к накоплению рудообразующих минералов: галенита, сфалерита, киновари, халькопирита, пирита, золота, а также кальцита и др.

4. Гидротермальный тип начинается при охлаждении газов и растворов до 375° С, что обуславливает образование как самородных минералов, так и хлоридных, сульфатных и других соединений: серы, галита, сильвина и др.

5. Гипергенный тип минералообразования проявляется на земной поверхности в воздушной или водной среде, или на небольших глубинах в земной коре. Здесь неустойчивые ко внешним воздействиям минералы разрушаются и переходят в устойчивые соединения. Основополагающее значение принадлежит процессам выветривания, осаждения веществ из водных растворов, деятельности подземных вод. Характерными минералами являются каолин, монтмориллонит, галит, сильвин, малахит, лимонит, боксит и др.

6. Метаморфический тип обусловлен воздействием на горные породы высоких температур, давления, а также магматических газов и растворов. При этом возникает обширный перечень минералов, как хлорит, тальк, графит, магнетит и др.

Процессы минералообразования могут сопровождаться метасоматозом – замещением одних минералов другими при изменении физико-химических условий. Например, переходом пирита (FeS₂) в лимонит (Fe₂O₃ x nH ₂O) в результате окисления. Кроме того, возможно образование одного и того же минерала в разных условиях. Наконец, каждому типу минералообразования характерны свои, строго закономерные сочетания минералов, что ведет к образованию минералов-спутников. Такое явление получило название парагенезиса. Практическое значение парагенезиса заключается в том, что на основании обнаружения одного минерала, можно предполагать наличие другого. Так, наличие пегматитового кварца свидетельствует о возможности обнаружения золота.