Булах А.Г. Общая минералогия

Подождите немного. Документ загружается.

Авраам Готлоб Вернер

А.Вернер

—

выходец

из

семьи потомствен-

ных горняков,

ранних

лет

интересовался гео-

логией

минералогией.

Он

учился

Фрайберг-

ской горной академии, только

что

созданной

в центре горнорудной промышленности Сред-

ней Европы,

затем работал

этой акаде-

мии, обобщая

систематизируя громадный

ма-

териал, накопленный здесь горняками

нату-

ралистами

тому времени. А.Вернер много

сделал

области описательной минерало-

гии, предложив классифицировать минералы

на основании внешних признаков—окраски,

об-

щего вида (облик, поверхность, блеск), вну-

треннего вида (излом, форма обломков), про-

зрачности, цвета черты, побежалости, твердо-

сти,

запаха, вкуса

и т.д.

Хотя получившаяся

классификация была громоздкой,

она

явля-

лась первой полной систематизацией именно

минералов, причем

А.

Вернер стремился как-то

связать

эту

классификацию

генезисом мине-

ралов

ростом кристаллов.

Он

выделил осо-

бые разделы

—

химическую минералогию, гео-

графическую минералогию

экономическую

минералогию. Выполненные

А.

Вернером

по-

дробные описания минералов продолжитель-

ное время считались классическими, хотя

трактовке происхождения минералов А.Вер-

нер исходил

из

ошибочного предположения,

что

образование всех горных пород

и руд

обязано

процессам осадконакопления

последующего

изменения осадков.

Значительно более прогрессивными были

работы русского химика

минералога В.М.Се-

вергина

(1765-1826). В

научной деятельности

он

был

продолжателем трудов

М.

В. Ломоносо-

ва.

своих минералогических работах

пре-

жде всего

капитальном двухтомном труде

"Первые основания минералогии"

В.

М.Север-

гин особое внимание уделял условиям образо-

вания минералов, знание которых,

как он ду-

мал, должно быть положено

основу поисков

рудных месторождений.

Это

нашло отражение

определении

В. М.

Севергиным содержания

минералогической науки: "Минералогия есть

часть естественной истории, которая научает

нас познавать ископаемые тела,

т.е.

отличать

Василий Михайлович Севергин

оные

от

всех других

тел по

существенным

их

признакам, знать

их

свойства, месторо-

ждения, пользу

отношение

их как

между собой,

так и к

другим телам".

Минералы,

по

мнению

В.

М.Севергина, образуются

природе

не

изолированно,

не

случайно,

определенными сообществами; совместное нахождение минералов

в та-

ких сообществах

месторождениях

он

называл "смежностью"

(мы

называем сейчас

эти естественные сообщества минералов, образующихся совместно, парагенезисами).

В.

М. Севергин продолжает здесь научные традиции

М.

В. Ломоносова, видя

изучении

минеральных сообществ

не

только путь

выяснению условий образования минералов,

но

основу

для

научных поисковых прогнозов.

В качестве одной

из

задач минералогии

В.

М.Севергин,

как и

А.Вернер, выдвинул

изучение практической ценности минералов, выделив "економическую минералогию,

научающую различному употреблению ископаемых

тел и

познанию

тех

свойств,

по

которым оные

для нас

полезны бывают".

минералогической классификации

он

выступает сторонником химического направления.

Ему же

принадлежит первая

по-

пытка осуществления идей М. В. Ломоносова

создании региональной минералогии

—

в виде двухтомной сводки "Опыт минералогического землеописания Российского

го-

сударства". Значение

ее, по

мнению

В.

М.Севергина, заключается

в том, что

"познав,

какие

каждой стране находятся минералы, побуждаться будем употреблять

их в

настоящую пользу; сверх того

не

будем заимствовать

из

отдельных мест

притом

издержками

затруднениями

то, что

вблизи

нас в

недрах земли скрывается". Особой

заслугой

В.

М. Севергина перед отечественной наукой является очищение минералогии

от бесчисленных псевдонаучных терминов

терминов, взятых

из

немецкой минерало-

гической школы.

Работы

А.

Вернера

и В. М.

Севергина легли

основу всех направлений дальнейшего

развития минералогии

XIX

в.

Наиболее значительным прогрессом явились

XIX

в.

упрочение представлений

минерале

как

химическом соединении (Р.Гаюи, Й.Берцелиус, Д.И.Соколов)

разра-

ботка химических основ классификации минералов немецким химиком Густавом Розе

(1852)

американским геологом

минералогом

Дж.

Дэна

(1837);

последняя

без

прин-

ципиальных изменений существует

до сих

пор. Химическое направление исследований

в минералогии развивали также немецкий химик

Э.

Митчерлих, немецкий кристалло-

граф

минералог

П.

Грот, австрийский минералог Г. Чермак

многие другие ученые.

Изучение морфологии кристаллов

XIX

в.

позволило выявить

исследо-

вать

всё их

многообразие, составить атла-

сы чертежей этих кристаллов (работы

Н.

И.

Кокшарова,

П.

В. Еремеева,

П.

Гро-

та)

развитии представлений

дискрет-

ности внутреннего строения кристаллов

значительными событиями явились рабо-

ты О.Бравэ, Е.С.Федорова, А.Шенфли-

са, давших

еще в

дорентгеновекий период

вывод главных законов симметрии про-

странственного распределения частиц

кристаллических решетках минералов.

Обширны

результативны были

XIX

в.

также исследования физических свойств

минералов—оптических (Г.Сорби, Ф.Цир-

кель,

Г.

Розенбу ш,

А. А.

Иностранцев,

А.П.Карпинский), плотности (Л.И.Панс-

нер,

А.Брейтгаупт), твердости (Ф. Моос)

др.

В XIX

в. шло

интенсивное накопление фактического материала

по

минералогии

ме-

сторождений

пределах отдельных стран

географических районов.

Это

направление

Николай Иванович Кокшаров

минералогии, названное

свое время

А.

Верне-

ром

и В.

М.Севергиным географической мине-

ралогией, нашло свое отражение прежде всего

в работе самого

В. М.

Севергина "Опыт мине-

ралогического землеописания Российского

го-

сударства"

(1809) и в

одиннадцатитомном тру-

де Н.И.Кокшарова

(1818-1893)

"Материалы

для минералогии России"

(1852-1892). К чи-

слу таких

же

работ относятся книги разных

лет

по

минералогии Великобритании

Ирлан-

дии (У. Летсом,

1858), США

(Дж.Дэна,

1868-

1892),

Нового Уэльса

(А.

Ливерсидж,

1874),

Перу

(А.

Раймонди,

1878),

Японии, Франции,

Испании

других стран.

Эти

исследования

были особо важны

для

воспроизведения

об-

щей картины образования минералов, созда-

ния теории генезиса месторождений

разра-

ботки

их

классификации. Многое

этих гене-

Иоганн

Р*ДР

их Авг

ст

Брейтгаупт

тических работах теперь

уже

устарело, многое претерпело значительную трансфор-

мацию,

но до сих пор

сохраняют свою принципиальную ценность, во-первых, разви-

тые

А.

Брейтгауптом

(1791-1873)

вслед

за В. М.

Севергиным представления

параге-

незисе

—

повторяемости

природе некоторых закономерных ассоциаций одновременно

возникающих минералов

и,

во-вторых,

химических переходах одних минералов

другие

при

образовании

так

называемых псевдоморфоз. Последние были детально

исследованы тогда

П.

В. Еремеевым, А. Делессом,

И.

Блюмом, Г. Винклером.

В XIX

в.

свыше

150

ученых работало

области синтеза минералов

моделирова-

ния природных процессов

их

образования.

До

настоящего времени сохранили свою

ценность опыты

Я.

Вант-Гоффа, выполненные

им в 1897-1904 гг., по

кристаллизации

хлоридов

сульфатов

из

водных растворов

и по

порядку выделения этих минера-

лов

морских бассейнах,

также изучение металлургических шлаков

И.

Фогтом

1888-1903 гг.,

показавшее,

как

порядок кристаллизации минералов

из

магматического

расплава зависит

от его

состава.

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

МИНЕРАЛОГИИ

В XX

ВЕКЕ

В целом успехи химии

и ее

роль

развитии минералогии

концу XIX

в.

настолько

возросли,

что

вступление минералогии

на

рубеж

XIX—XX

веков

в ее

новый, современ-

ный этап развития ознаменовалось зарождением

в ней

новой науки—геохимии,

сама

минералогия нередко стала толковаться

как

химия земных процессов.

этом боль-

шую роль сыграла деятельность выдающихся русских минералогов

В. И.

Вернадского

(1863-1945) и

А.Е.Ферсмана

(1883-1945).

Академик

В. И.

Вернадский широко известен

как

реформатор минералогической

на-

уки, основоположник современной генетической минералогии

один

из

создателей

геохимии.

В.И.Вернадский определял минералогию

как

историю минералов земной коры

как химию земных процессов.

Он

придавал важнейшее значение исследованию про-

цессов образования минералов

и их

закономерных ассоциаций (парагенезисов), изуче-

нию зависимости этих процессов

от

геологической обстановки. Большое внимание

Владимир Иванович Вернадский

после окончания

С.-Петербургского

университета

Виктор Мориц Гольдшмидт

В.

И.

Вернадский уделял вопросам химической конституции минералов, видя

в ней

основу естественной классификации природных соединений.

Для

важнейшего

зем-

ной коре класса соединений

—

силикатов

—

В.И.Вернадский создал общую теорию

химического строения, убедительно доказав одинаковую химическую роль кремния

алюминия

этой категории минералов.

Эта

теория, появившаяся

результате

об-

общения огромного фактического материала, была

свое время триумфом научной

мысли, победившей ложные представления

о том, что все

силикаты якобы являются

солями разных кремниевых кислот.

Еще

одним вкладом

минералогию явилось даль-

нейшее развитие представлений

об

изоморфизме—вывод схем вхождения химических

примесей

минералы

разных геологических условиях.

Назовем другие яркие имена нашего века

развитии минералогии. Немецкий уче-

ный

В.

Гольдшмидт

(1853-1933)

внес громадный вклад

изучение морфологии кри-

сталлов,

он не

только создал девятитомную сводку

по

всем минералам

—

"Атлас кри-

сталлов" ,

но

выдвинул

развил идею

о том, что по

форме кристалла, скульптуре

его

граней, деталям строения

его

поверхности можно судить

о его

прошлом. Норвежец

В.

М.

Гольдшмидт

(1888-1947)

развил химическую минералогию, впервые использовав

правило

фаз для

объяснения закономерностей некоторых физико-химических процес-

сов контактного метаморфизма

образования роговиков разного минерального

со-

става,

он же

разработал существующую

до сих пор

систему размеров атомов

ионов

в кристаллических структурах минералов. Ученик В.И.Вернадского А.Е.Ферсман

положил начало учению

типоморфизме минералов—зависимости морфологии,

со-

става, свойств минерала

набора

его

минералов-спутников

от

условий образования,

развил идею

о том, что

последовательность образования минералов

месторожде-

ниях связана

энергетикой процесса, предложил метод приближенного расчета энер-

гий кристаллических решеток минералов, изложил одну

из

первых теорий

природе

окраски минералов, углубил учение

изоморфизме. Велики заслуги

А. Е.

Ферсмана

развитии регионально-минералогических исследований

и в

освоении природных ресур-

сов страны. Плеяда физиков, химиков, кристаллографов (В.Брэгг

—

отец, В.Брэгг

—

сын, Л.Полинг, Ф.Махачки, В.Тэйлор,

Н. В.

Белов

и др.)

положила начало мощному

направлению

минералогии

—

расшифровке кристаллических структур минералов.

МЕСТО МИНЕРАЛОГИИ СРЕДИ ДРУГИХ НАУК

ЕЕ

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Исторический обзор развития минералогии вскрывает

ее

связь

другими

на-

уками.

Это

одна

из

старейших

главных наук

горных породах

рудах,

о том

веществе (минералах),

из

которого состоят объекты исследования геологов, петрогра-

фов,

литологов, специалистов

по

месторождениям полезных ископаемых, геохимиков

геофизиков. Имеются общие проблемы

минералогии

биологией

палеонтологией.

Минералы входят

состав твердых тканей живых организмов

растений, слагают

окаменелости. Мощные толщи некоторых осадочных горных пород являются захоро-

ненными скоплениями построенных

из

минералов раковин, скелетов

других остатков

животных

растений. После полетов ракет

на

Луну

Венеру

ещё

более упрочились

связи минералогии

космологией

— на

материале

из

Космоса необходимо выполнять

минералогические исследования.

По

объектам, кругу задач

методам исследования

минералогия тесно связана

кристаллографией,

во

многом

—

с физикой

химией.

Практическое значение минералогии

как

науки

минералах—составных частях

руд

умении

их

использовать—несомненно.

Еще одно практическое значение минералогии

—

выявление

исследование

тех

осо-

бенностей минералов (формы

размеров кристаллов

зерен,

их

состава, внутреннего

строения, степени хрупкости

трещиноватости, твердости, плотности, смачиваемости,

электропроводности, магнитной восприимчивости

других свойств), которые влияют

на процесс механического или другого измельчения руд и горных пород, сказываются

на характере протекания технических процессов по обогащению руд. Эта отрасль

практической деятельности минералога получила название технологической минера-

логии. В ней минералог как специалист по диагностике минералов и изучению их

морфологии, состава, свойств соединяет свои знания и навыки выполнения лабора-

торных исследований с работой инженеров-проектантов, химиков, физиков, обогати-

телей. Сходные практические задачи решают минералоги в лабораториях проектных

и научно-исследовательских организаций в химической, металлургической, керамиче-

ской, стекольной промышленности, при производстве абразивов, цементного сырья,

огнеупоров, минеральных удобрений, синтезе технических кристаллов.

Большое практическое значение имеет минералогия при проведении геолого-поис-

ковых работ на разные полезные ископаемые, так как в конечном счете ведется поиск

именно скопления минералов в виде руд или горных пород. Некоторые минералы

могут служить критерием поиска этих руд и горных пород. Яркие зеленые налеты

гидрокарбоната меди (малахита) и его "проводники" в трещинах приведут к залежам

окисленных медных руд; нежные снежинки и иголочки гемиморфита в пустотах бурого

железняка, образовавшегося при поверхностном выветривании руд, дадут основание

искать в их первичных залежах минералы цинка, так как гемиморфит—это вторич-

ный гидросиликат цинка. Находка обломков, сложенных среднезернистым агрегатом

хороших зеленых или коричневых кристаллов граната и кальцита с вкраплениями

халькопирита, является признаком рудного месторождения скарнового типа. Форма

кристаллов, их цвет, другие свойства, особенности химического состава также исполь-

зуются для выработки минералогических критериев поиска месторождений. Мине-

ральный состав "черных песков" в береговой полосе, в западинах дна рек и ручьев

дает ценную информацию об источниках сноса веществ—этот прием используется

при поиске россыпных месторождений золота, алмазов, оловянных, титановых и дру-

гих руд. Все эти критерии разрабатывает поисковая минералогия.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В минералогии можно выделить несколько основных направлений, иногда они са-

мостоятельны, иногда перекрывают друг друга, часто неотделимы от смежных наук.

Часть исследований удобно объединить под названием теоретической минералогии,

часть—отнести к прикладной.

Основными направлениями теоретической минералогии в настоящее время явля-

ются:

1) кристаллохимия минералов;

2) физика минералов;

3) учение о генезисе (происхождении) минералов, в том числе:

—о космологических закономерностях,

—о закономерностях образования и распределения минералов в разных геологиче-

ских системах,

—о закономерностях образования минеральных индивидов и их агрегатов,

4) биоминералогия;

5) учение о типоморфизме, т.е. о зависимости особенностей структуры, состава,

свойств минералов и формы их кристаллов от условий образования.

Главные направления в прикладной минералогии сейчас таковы:

1) диагностика минералов (определение минерального состава горных пород и руд,

установление морфологии, состава, свойств минералов);

2) поисковая минералогия;

3) технологическая минералогия;

4) техническая минералогия;

5) минералогическое материаловедение.

Особая область исследований—это экспериментальная минералогия и синтез тех-

нически ценных кристаллов. Еще одна особая область — это исследования по геммоло-

гии. Минералогия и геммология перекрывают друг друга в области исследования при-

родного камнесамоцветного сырья, изучения его свойств, в выборе приемов обработки

камня, диагностике драгоценных и поделочных камней в сыром виде и в изделиях.

Но у минералогии и геммологии свой круг задач, свои объекты и цели, выходящие за

пределы этой общей для них области.

Перечисленные направления не исчерпывают всего многообразия минералогии. Ак-

тивными центрами многоплановых минералогических исследований являются Апа-

титы, Иркутск, Киев, С.-Петербург, Львов, Москва, Новосибирск, Екатеринбург, Сык-

тывкар. Созданы специальные институты — минералогии УНЦ РАН в Миассе, геохи-

мии и физики минералов в Киеве, экспериментальной минералогии РАН в г. Черно-

головке, синтеза минерального сырья в г. Александрове. В каждом территориальном

геологическом учреждении имеются минералогические отделы и лаборатории. Су-

ществует сеть институтов минерального сырья и институтов минеральных ресурсов

(в Москве, Симферополе, Алма-Ате, Тбилиси, Новосибирске, Иркутске, Хабаровске),

решающих вопросы региональной минералогии и освоения новых видов минерального

сырья.

Контрольные вопросы

1. Что такое минерал?

2. Что такое обязательные и необязательные объекты минералогии?

3. С деятельностью каких ученых более всего связано становление минералогии как само-

стоятельной науки?

4. Какую роль сыграли исследования В.И.Вернадского и А.Б.Ферсмана в современной ми-

нералогии?

5. Назовите основные направления исследований в минералогии.

Глава 2

КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА

И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МИНЕРАЛОВ

ВВОДНЫЕ ПОНЯТИЯ

Каждый минерал характеризуется своей конституцией—только ему присущим

определенным единством его кристаллической структуры и химического состава. Кон-

ституция минерала, по определению Д. П. Григорьева, это его сущность как природ-

ного химического соединения. Вещества одного и того же состава, но разной струк-

туры имеют, следовательно, разную конституцию. В физике и химии мы относим

их к разным полиморфным модификациям, в минералогии считаем разными минера-

лами. Так, природный углерод встречается чаще всего в двух полиморфных моди-

фикациях— в виде алмаза и графита. В первом атомы углерода "упакованы" плотно

и скреплены сильными химическими связями, во втором атомы располагаются сло-

ями, связи сложны. Естественно, что морфология кристаллов и физические свойства

этих двух минералов резко отличаются. Известно по три и более природных поли-

морфных модификаций одного и того же химического состава (например, у ТЮг их

три — анатаз, брукит, рутил, у S1O2 около десяти—кварц, тридимит, стишовит и др.).

Каждая полиморфная модификация устойчива при своих значениях температуры, да-

вления и химической обстановке в среде минералообразования.

Однако есть минералы разного состава, но одинакового структурного типа. Мы

будем называть их изоструктурными соединениями. Таковы, например, ГезОз (гема-

тит) и AI2O3 (корунд), В1г8з (висмутин) и БЬгЗз (стибнит), БпОг (касситерит), МпОг

(пиролюзит) и ТЮ2 (рутил), MgAb04 (шпинель) и

Fef

(магнетит). Свойства

и условия образования этих соединений различны, но по морфологии их кристаллы

часто имеют много сходного между собой.

Наконец, среди некоторых изоструктурных минералов имеются соединения разного

промежуточного состава, например шпинель, обогащенная железом

(Fe

)

за счет со-

ответствующего недостатка в ней магния, или магнетит с химической примесью алю-

миния за счет соответствующего дефицита Fe

. Такие минералы Я.Вант-Гофф по

первой их аналогии с водными истинными растворами назвал в 1890 г. твердыми

растворами. В зависимости от количества химических примесей находятся свойства

минерала, вид и характер огранки кристаллов, изменяются его структурные особен-

ности. Разные примеси входят в состав минерала в разных условиях его образования.

Взаимосвязь состава, структуры, характера связей в кристаллах разных веществ,

в частности в минералах, изучается в особом разделе кристаллографии. Этот раздел

называется кристаллохимией. В настоящей главе изложены лишь основные понятия

о пространственной решетке, плотнейшей упаковке, координации и радиусах атомов и

ионов в кристаллах, законах вхождения химических примесей в минералы. Материал

во избежание повторений дан в том объеме, в каком он дополняет общеизвестные поло-

жения химии и физики о кристаллическом строении вещества и характере химических

связей.

ХАРАКТЕРНЫЕ СВОЙСТВА

КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Кристаллы построены из материальных частиц — ионов, атомов или молекул, гео-

метрически правильно расположенных в пространстве. Для описания порядка распо-

ложения частиц в пространстве их стали отождествлять с точками. Из такого подхода

постепенно сформировалось представление о пространственной, или кристаллической,

решетке как о бесконечном трехмерном периодическом образовании (рис. 1). В ней

выделяют узлы (отдельные точки, центры тяжести атомов и ионов), ряды (ряд—

совокупность узлов, лежащих на одной прямой) и плоские сетки (плоскости, про-

ходящие через любые три узла). Таким образом, кристаллическое вещество имеет

строго закономерное (решетчатое, или ретикулярное) внутреннее строение (от лат.

reticulum—сеточка).

Одна из главнейших особенностей кри-

сталлических структур — закономерная по-

вторяемость в пространстве их узлов, ря-

дов и плоских сеток. Отсюда характерные

свойства кристаллических веществ: а) од-

нородность строения (однородностью кри-

сталла назовём одинаковость узора взаим-

ного расположения атомов во всех частях

его объема); б) анизотропия (в изотроп-

ных телах все свойства—теплопроводность,

электропроводность, твёрдость царапания

и т.д. — одинаковы в любом направлении,

а в анизотропных телах все свойства неоди-

наковы в непараллельных направлениях,

т.е.,

например, в одном направлении элек-

трический ток проходит быстрее, в дру-

гом— медленнее); в) симметричность (см.

гл.

3, с. 42). Важным свойством кристалли-

ческих веществ является способность само-

ограняться. При свободном росте из растворов кристаллы, как правило, ограничива-

ются плоскими гранями и прямыми ребрами, принимая многогранную форму.

Были исследованы возможные простейшие варианты построения кристаллических

решеток в соответствии с законами их симметрии. О. Бравэ доказал, что существует

только 14 типов полиэдров (рис. 2), из которых можно "собрать" любую простран-

ственную решетку, а Е.С.Федоров установил, что для этих решеток имеется 230 сим-

метрийных законов расположения частиц. Разные количественные соотношения хи-

мических элементов в минералах, 14 типов кристаллических решеток и 230 законов

расположения частиц, —все это дает бесконечное число реальных структур и минера-

лов.

Рис. 1. Кристаллическая решетка галита.

Триклинная

¥•

с* а

a*pVy*90

<А

Моноклинная

а*Ь*

Моноклинная

(базоцентрированная)

р*90°

с4

.44

Ромбическая

(базоцентрированная)

8 -Т=~

v"—-jg

Гексагональная

а=60°

Ромбическая

Ромбическая (гранецентрированная)

(объемноцентрированная)

Ромбоэдрическая

Тетрагональная

Ромбоэдрическая

и*

г-

Тетрагональная

(объемноцентрированная)

Кубическая

(примитивная)

Кубическая

Кубическая (гранецентрированная)

(объемноцентрированная)

Рис.

Типы решеток Браве.

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

МИНЕРАЛАХ.

ТЕОРИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ПОЛЯ

В школьных учебниках химии природа химической связи традиционно объясняется

для идеальных случаев

на

таких простейших примерах,

как: а)

бинарные молекулы

типа

NaCl,

CaF2;

б)

молекулы газов

(СЬ и

т.п.);

в)

химически чистые металлы

(Си,

Аи).

Так

вводится понятие

ионных

(в

NaCl,

СаРг), ковалентных

(в

молекулах типа

СЬ)

металлических

(у Си, Аи)

связях.

Ионная связь образуется

за

счет электростатического (кулоновского) притяжения

противоположно заряженных ионов, например электроположительного

элек-

троотрицательного С1~

NaCl,

ионов Са

и F

CaF2.

Сила электростатического

притяжения ионов

стабильность таких молекул зависят

от

заряда ионов

и их

разме-

ров:

чем

больше заряд

меньше ион,

тем

прочнее

он

связан

со

своим соседом.