Минерал

Минера́л (от ср.-век. лат. «minera» — руда), физически и химически индивидуализированное, как правило, твердое тело, относительно однородное по составу и свойствам, возникшее в результате природных процессов, протекающих на поверхности и в глубинах Земли и других планет. Обычно представляет собой составную часть горных пород, (породообразующие минералы), руд (рудные минералы и связанные с ними жильные) и метеоритов. Большинство минералов — кристаллические вещества, однако к минералам относят также аморфные образования (опал, аллофаны) и метамиктные соединения, утратившие кристаллическое строение за счет воздействия радиоактивного излучения (циркон), окисления и гидратации (гидроксиды железа), а также жидкие (самородная ртуть и др.). Минералами считаются и природные органические кристаллические вещества (меллит), твердые углеводороды и ископаемые смолы (озокерит, янтарь и др.), а также лед и его полиморфные модификации и природный плавленый кварц (лешательерит). К минералам не относят воду и природные вулканические и импактные стекла.

Различают минеральные виды и их разновидности. Первые — резко различаются по химическому составу и (или) кристаллической структуре, вторые являются вариациями одного минерального вида по химическому составу, особенностям структуры, цвету, форме и др. свойствам. В нач. 19 в. было известно около 100 минеральных видов, современная минералогия насчитывает их около 3000. Ежегодно открывается 30-40 минералов, названия они получают в честь крупных геологов (ферсманит), известных ученых (ландауит), писателей (гетит), космонавтов (гагаринит), по месту первой находки (чароит), по особенностям химического состава или физических свойств. Размеры минеральных индивидов колеблются от 1-100 нм (коллоидные минералы) до кристаллов длиной до 10 м (например, кристаллы сподумена в пегматитах) и массой несколько т (кристаллы кварца и полевого шпата).

Условия образования минералов (генезис) весьма разнообразны. Являясь продуктом природных физико-химических реакций, каждый минерал может устойчиво существовать лишь в определенном интервале температур, давления и состава окружающей среды.

Процессы минералообразования делятся на эндогенные (в глубинах земной коры и верхней мантии) и экзогенные (в приповерхностных и поверхностных зонах планеты). Эндогенные минералы кристаллизуются из магматических расплавов или их производных: газов, горячих водных растворов и т. п., взаимодействующих с вмещающими горными породами. Экзогенные минералы связаны с разрушением горных пород и руд, переотложением и осаждением новых минералов на земной поверхности или вблизи нее из поверхностных вод, при участии атмосферных агентов и живого вещества. При изменении внешних условий, например, при погружении поверхностных участков земной коры, внедрении в осадочные и иные породы магматических масс и т. д., минералы испытывают существенные изменения, превращаясь в новых условиях в новые устойчивые соединения и образуя метаморфогенные минералы.

25% от общего числа минералов составляют силикаты и алюмосиликаты, 18% — фосфаты, арсенаты и их аналоги, 13% — сульфиды, 12% — оксиды и гидроксиды. Среди остальных преобладают карбонаты, сульфаты, галогениды. Наиболее распространены в земной коре алюмосиликаты (полевые шпаты и слюды), силикаты (амфиболы, пироксены), оксиды (кварц, оксиды и гидроксиды железа и алюминия), карбонаты; в сумме они составляют 98% массы земной коры. Состав минералов отражается его химической формулой, выделение скобками комплексных анионов дает представление о кристаллохимических особенностях. Кристаллы минералов неоднородны, имеют зональное, секториальное, блочное, доменное строение; широко распространены изоморфные замещения элементов. Обычно минералы содержат массу газово-жидких пузырьков, мелких и субмикроскопических включений других минералов, продукты распада твердых растворов. Поэтому химические анализы отражают состав системы «минерал + различные виды микровключений».

Минералы обладают широким разнообразием физических свойств, знание которых необходимо для точной диагностики, изучения типоморфизма, условий образования, геофизических и геохимических методов поиска и разведки месторождений, разработки эффективных методов извлечения минералов из руд и использования их в промышленности.

Морфология минералов отражает их структуру и условия образования. Облик кристаллов бывает изометричный, таблитчатый, столбчатый, шестоватый, игольчатый, листоватый, чешуйчатый и др.; по преобладающим граням различают габитус кристаллов — кубический, октаэдрический, ромбоэдрический, призматический и др. Быстрая кристаллизация способствует появлению дендритных, скелетных, нитевидных форм. Многие минералы образуют правильные срастания одиночных кристаллов по плоскостям плотнейшей упаковки ионов, которые называются двойниками, тройниками и т. д. Грани кристаллов часто покрыты штриховкой, структурами роста или растворения.

Цвет бывает обусловлен внутренними свойствами минерала (идиохроматизм), наличием дефектов или примесей (аллохроматизм), иризацией за счет отражения света от внутренних плоскостей (псевдохроматизм). Ряд названий минералов дан по характерному цвету: альбит (белый), гематит (кровавый), рубин (красный), родонит (розовый) и др. Окраска часто вызвана присутствием элементов-хромофоров. Некоторые из них разным минералам могут придавать различную окраску, например, Cr2O3 вызывает красную окраску рубина и пиропа, ярко-зеленую — изумруда, уваровита, фуксита, александрита, фиолетовую —кеммеририта. Хромофорами являются и другие элементы группы железа — Ti, Mn, Fe, Co, Ni, а также Cu, U, Mo и др. При физических воздействиях некоторые минералы меняют свою окраску. Радиоактивное облучение вызывает синий цвет поваренной соли (галита), зеленый цвет алмаза, черный цвет кварца и т. д. Иризация характерна для опала, лунного камня (олигоклаза), лабрадора (основного плагиоклаза). Цвет тонкого порошка минерала часто отличается от цвета минерала; этот порошок легко получить, если провести минералом черту по матовой (неглазурованной) фарфоровой пластинке. Например, у золотистого пирита черта черная, у стально-серого гематита — красная и т. д. По степени прозрачности выделяют прозрачные (горный хрусталь, исландский шпат и др.), полупрозрачные (сфалерит, киноварь) и непрозрачные (магнетит, пирит и др.) минералы. Интенсивность блеска зависит от показателя преломления (N). Различают блеск стеклянный у минералов с N=1, 3-1, 9: лед, флюорит, кварц, галит, карбонаты, силикаты; алмазный у минералов с N=1, 9-2, 6: циркон, касситерит, сера, алмаз, сфалерит; полуметаллический (N=2, 6-3, 0): куприт, гематит; металлический (N>3, 0): пирротин, галенит, халькопирит, пирит, арсенопирит, золото и др. Некоторые минералы обладают характерным «жирным» блеском (нефелин), восковым (каолинит), шелковистым отливом (асбест, селенит), перламутровым отливом (тальк, мусковит, гипс).

Многие минералы обладают способностью раскалываться только по определенным направлениям, это свойство называется спайностью. Спайность весьма совершенная — у слюд; совершенная — у кальцита, галенита, каменной соли (галита); средняя — у полевых шпатов; несовершенная — у апатита, кварца.

Важной характеристикой является твердость, для оценки которой служит Мооса шкала. Иногда твердость сильно меняется в зависимости от направления царапания. Например, дистен (в переводе — двойная твердость) имеет по удлинению кристаллов твердость 4, 5, а поперек — 7. Самородные металлы (медь, золото) обладают ковкостью, слюды — упругостью, но большинство минералов — хрупки.

Плотность (в г/см³) минералов сильно меняется, выделяют минералы легкие (от 1 до 3, 5): янтарь, битумы, гипс, кварц; со средней плотностью (от 3, 5 до 6, 0): сидерит, малахит, пирит; тяжелые (более 6, 0): церуссит, касситерит, галенит, медь, золото, минералы платиновой группы (17-23).

Сильными магнитными свойствами обладают магнетит, маггемит, пирротин, ферроплатина.

Радиоактивность характерна для минералов урана, тория и калия, а также акцессорных минералов, рассеянных в горных породах и концентрирующих уран и торий (циркон, пирохлор, монацит, ксенотим, сфен).

Многие минералы при облучении рентгеновскими, катодными и ультрафиолетовыми лучами люминесцируют. Свечение возникает при отсутствии элементов гасителей (Fe2+, Cu2+) и наличии примесей элементов-люминогенов (Mn2+, Ce3+, Eu2+, U6+, Mo6+, W6+, азота, органики и др.). Разноцветная люминесценция сильно проявлена у алмаза (азотные центры), апатита (желтая — Mn2+, сиреневая — Ce3+, голубая — Eu2+), кальцита (красная — Mn2+), шеелита (голубая — W6+, желтая — Mo6+), рубина (красная — Cr3+) и др.

Для исследований минералов используются методы ядерно-магнитного резонанса, ядерного гамма-резонанса, электронного парамагнитного резонанса, инфракрасной спектроскопии, электронной микроскопии в сочетании с электронографией, что позволяет идентифицировать минералы и проводить анализы микрофаз. Точная диагностика базируется на рентгеновском анализе, позволяющем измерить межплоскостные расстояния и параметры кристаллической решетки из навесок в 5-10 мг.

Используется около 15% всех минеральных видов. Минералы служат источником всех металлов (руды черных и цветных металлов, рудных и рассеянных элементов) и других химических элементов (горно-химическое сырье), строительных материалов, природных красителей; ряд минералов является драгоценными и поделочными камнями.

Для охраны уникальных геолого-минералогических образований их навечно изымают из пользования, создавая минералогические заповедники. Первый в мире специализированный минералогический заповедник появился в 1920 на Урале (Ильменский заповедник). Некоторым геолого-минералогическим объектам придается статус памятников природы.

Хранение, изучение и экспонирование минералов осуществляется в минералогических и отделах геологических музеев. В мире известно свыше 400 таких музеев. В России самые крупные коллекции минералов хранятся в Геологическом музее им. Ф. Н. Чернышева в Санкт-Петербурге и Минералогическом музее им А. Е. Ферсмана в Москве. Крупнейшие зарубежные минералогические коллекции известны в Австралии (Музей Министерства минерального сырья и энергетики в Канберре), в США (Национальный музей естественной истории — филиал Смитсоновского института; Геологическом музее Колорадской школы горняков в Голдене), в Великобритании (Британский музей).

Эстетическая ценность минералов издавна привлекала собирателей и коллекционеров, например, известно, что одной из самых больших минералогических коллекций своего времени обладал немецкий писатель И. Гете, граф А. Кочубей в России, английский банкир Хоуп, по имени которого назван крупнейший в мире синий бриллиант (см. «Хоуп»).

Автор: А.М. Портнов