Vedeți ce este „MINERALE ȘI MINERALOGIE” în alte dicționare:
MINERALE ȘI MINERALOGIE
Mineralele sunt formațiuni naturale solide care fac parte din rocile Pământului, Lunii și a altor planete, precum și meteoriți și asteroizi. Mineralele, de regulă, sunt substanțe cristaline mai degrabă omogene, cu o structură internă ordonată și o anumită compoziție, care poate fi exprimată prin formula chimică corespunzătoare. Mineralele nu sunt un amestec al celor mai mici particule minerale, cum ar fi smirghelul (constă în principal din corindon și magnetit) sau limonitul (agregat de goethit și alți hidroxizi de fier); ele includ și compuși ai elementelor cu o structură dezordonată, cum ar fi sticlele vulcanice (obsidiană). , etc.). Mineralele sunt considerate elemente chimice sau compușii acestora formați ca urmare a proceselor naturale. Cele mai importante tipuri de materii prime minerale de origine organică precum cărbunele și petrolul sunt excluse din numărul de minerale. Mineralogia este știința mineralelor, clasificarea lor, compoziția chimică, caracteristicile și modelele structurii (structurii), originea, condițiile de a fi în natură și aplicarea practică. Pentru o explicație mai profundă a structurii interne a mineralelor și a relației lor cu istoria Pământului, mineralogia implică matematică, fizică și chimie. Utilizează datele cantitative într-o măsură mai mare decât alte științe geologice, deoarece sunt necesare analize chimice subtile și măsurători fizice precise pentru o descriere adecvată a mineralelor.
ISTORIA MINERALOGIEI
Fulgi de silex cu margini ascuțite au fost folosiți de omul primitiv ca instrumente de muncă deja în paleolitic. Flint (o varietate de cuarț cu granulație fină) a fost mult timp principalul mineral. În cele mai vechi timpuri, alte minerale erau cunoscute și de om. Unele dintre ele, cum ar fi hematitul de cireș, goethitul galben-maroniu și oxizii negri de mangan, au fost folosite ca vopsele pentru picturi pe rocă și picturi corporale, în timp ce altele, cum ar fi chihlimbarul, jadul și aurul nativ, au fost folosite pentru a face obiecte rituale, bijuterii. și amulete. În Egiptul perioadei predinastice (5000-3000 î.Hr.) erau deja cunoscute multe minerale. Cuprul, aurul și argintul nativ au fost folosite pentru bijuterii. Ceva mai târziu, uneltele și armele au fost fabricate din cupru și aliajul său - bronz. Multe minerale au fost folosite ca coloranti, altele pentru bijuterii si pecete (turcoaz, jad, cristal, calcedonie, malachit, granat, lapis lazuli si hematit). În prezent, mineralele servesc ca sursă pentru obținerea metalelor, materiale de construcție (ciment, ipsos, sticlă etc.), materii prime pentru industria chimică etc. î.Hr.) mineralele au fost împărțite în metale, pământuri și pietre. Aproximativ 400 de ani mai târziu, Pliniu cel Bătrân (23-79 d.Hr.) a rezumat toate informațiile despre mineralogie disponibile la acea vreme în ultimele cinci cărți de Istorie Naturală. În Evul Mediu timpuriu, în țările din Orientul arab, care au adoptat cunoștințele Greciei antice și Indiei antice, a existat o înflorire a științei. Omul de știință enciclopedic din Asia Centrală Biruni (973 - c. 1050) a compilat descrieri ale pietrelor prețioase (Mineralogie) și a inventat o metodă de măsurare precisă a gravitației lor specifice. Un alt om de știință remarcabil Ibn Sina (Avicenna) (c. 980-1037) în tratatul său Despre pietre a oferit o clasificare a tuturor mineralelor cunoscute, împărțindu-le în patru clase: pietre și pământ, combustibili fosili, săruri, metale. În Evul Mediu în Europa, a existat o acumulare de informații practice despre minerale. Minerul și prospectorul, prin necesitate, au devenit mineralogi practicanți și au transmis experiența și cunoștințele lor studenților și ucenicilor. Primul set de informații faptice despre mineralogia practică, minerit și metalurgie a fost lucrarea lui G. Agrikola Despre metale (De re metallica), publicată în 1556. Datorită acestui tratat și unei lucrări anterioare Despre natura fossililor (Denatura fossilium, 1546), care conține clasificarea mineralelor pe baza proprietăților lor fizice, Agricola a fost cunoscut ca părintele mineralogiei. Timp de 300 de ani de la publicarea lucrării lui Agricola, cercetările în domeniul mineralogiei au fost dedicate studiului cristalelor naturale. În 1669, naturalistul danez N. Stenon, rezumand observațiile sale asupra sutelor de cristale de cuarț, a stabilit legea constanței unghiurilor dintre fețele cristalului. Un secol mai târziu (1772) Rome de Lisle a confirmat concluziile lui Stenon. În 1784, starețul R. Gayuy a pus bazele conceptelor moderne ale structurii cristaline. În 1809, W. Wollaston a inventat un goniometru reflectorizant, care a făcut posibilă efectuarea de măsurători mai precise ale unghiurilor dintre fețele cristalului, iar în 1812 a prezentat conceptul de rețea spațială ca lege a structurii interne a cristalelor. În 1815 P. Cordier a propus să studieze proprietățile optice ale fragmentelor de minerale zdrobite la microscop. Dezvoltarea ulterioară a cercetării microscopice este asociată cu invenția în 1828 de către W. Nicolas a unui dispozitiv pentru obținerea luminii polarizate (prisma Nicolas). Microscopul polarizant a fost îmbunătățit în 1849 de G. Sorby, care l-a aplicat studiului secțiunilor subțiri transparente de roci. A devenit necesară clasificarea mineralelor. În 1735, K. Linney a publicat lucrarea Systema naturae, în care mineralele erau clasificate după caracteristicile lor externe, adică. la fel ca plantele și animalele. Apoi, oamenii de știință suedezi - A. Kronstedt în 1757 și J. Berzelius în 1815 și 1824 - au propus mai multe opțiuni pentru clasificările chimice ale mineralelor. A doua clasificare a lui Berzelius, modificată de K. Rammelsberg în 1841-1847, a fost ferm stabilită după ce mineralogistul american J. Dana a pus-o la baza celei de-a treia ediții a System of Mineralogy (Dana's System of Mineralogy, 1850). prima jumătate a secolului al XIX-lea a fost introdusă de oamenii de știință germani AG Werner și IA a permis obținerea de date mai precise cu privire la speciile minerale individuale.La utilizarea analizei cu raze X a început să studieze cristalele, a venit o înțelegere mai profundă a structurii mineralelor. 1912 fizicianul german M. Laue a stabilit experimental că informațiile despre structura internă a cristalelor pot fi obținute prin trecerea prin raze X prin ele. Această metodă a revoluționat mineralogia: știința predominant descriptivă a devenit mai precisă și mineralogii văd ogli leagă proprietățile fizice și chimice ale mineralelor cu structurile lor cristaline. La sfârșitul secolului al XIX-lea - începutul secolului al XX-lea. dezvoltarea mineralogiei a fost în mare măsură facilitată de munca savanților ruși remarcabili NI Koksharov, VI Vernadsky, ES Fedorov, AE Fersman, AK Boldyrev și alții. mineralogia a adoptat noi metode de cercetare a fizicii stării solide, în special, spectroscopia în infraroșu, o serie întreagă de metode de rezonanță (rezonanța paramagnetică a electronilor, rezonanța gamma nucleară etc.), spectroscopia de luminiscență etc., precum și cele mai recente metode analitice, inclusiv analiza cu microsondă electronică, microscopia electronică combinată cu difracția electronică etc. Utilizarea acestor metode face posibilă determinarea compoziției chimice a mineralelor „la un punct”, adică. pentru boabele individuale de minerale, pentru a studia trăsăturile fine ale structurii lor cristaline, conținutul și distribuția elementelor de impurități, natura culorii și luminescenței. Introducerea unor metode fizice precise de cercetare a făcut o adevărată revoluție în mineralogie. Numele unor oameni de știință ruși precum N.V. Belov, D.S.Korzhinsky, D.P. Grigoriev, I.I.Shafranovsky și alții sunt asociate cu această etapă a dezvoltării mineralogiei.
PRINCIPALELE PROPRIETĂȚI ALE MINERALELOR
Multă vreme, principalele caracteristici ale mineralelor au fost forma exterioară a cristalelor lor și a altor precipitate, precum și proprietățile fizice (culoare, strălucire, clivaj, duritate, densitate etc.), care sunt încă de mare importanță în descrierea lor. și diagnostice vizuale (în special, de câmp). Aceste caracteristici, precum și proprietățile optice, chimice, electrice, magnetice și alte proprietăți, depind de compoziția chimică și structura internă (structura cristalină) a mineralelor. Rolul principal al chimiei în mineralogie a fost realizat până la mijlocul secolului al XIX-lea, dar importanța structurii a devenit evidentă abia odată cu introducerea difracției cu raze X. Prima decodificare a structurilor cristaline a fost realizată deja în 1913 de către fizicienii englezi W. G. Bragg și W. L. Bragg. Mineralele sunt compuși chimici (cu excepția elementelor native). Cu toate acestea, chiar și probele incolore, optic transparente ale acestor minerale conțin aproape întotdeauna cantități mici de impurități. Soluțiile naturale sau topiturile din care cristalizează mineralele sunt de obicei compuse din multe elemente. În timpul formării compușilor, câțiva atomi ai elementelor mai puțin obișnuite pot înlocui atomii elementelor principale. O astfel de substituție este atât de comună încât compoziția chimică a multor minerale se apropie foarte rar de cea a unui compus pur. De exemplu, compoziția olivinei minerale comune care formează roci variază în cadrul compoziției a două așa-numite. membrii terminali ai seriei: de la forsterit, silicat de magneziu Mg2SiO4, la fayalita, silicat de fier Fe2SiO4. Raporturile Mg: Si: O în primul mineral și Fe: Si: O în al doilea sunt 2: 1: 4. În olivinele cu compoziție intermediară, valorile rapoartelor sunt aceleași, adică. (Mg + Fe): Si: O este 2: 1: 4, iar formula este scrisă ca (Mg, Fe) 2SiO4. Dacă se cunosc cantitățile relative de magneziu și fier, atunci acest lucru se poate reflecta în formula (Mg0.80Fe0.20) 2SiO4, din care se poate observa că 80% din atomii de metal sunt magneziu, iar 20% sunt fier.
Structura. Toate mineralele, cu excepția apei (care, spre deosebire de gheață, de obicei nu este clasificată drept mineral) și mercurul, sunt solide la temperaturi obișnuite. Cu toate acestea, dacă apa și mercurul sunt puternic răcite, ele se solidifică: apă la 0 ° C și mercur la -39 ° C. La aceste temperaturi, moleculele de apă și atomii de mercur formează o structură cristalină tridimensională caracteristică (termenii „cristalină". " și "solide" în acest caz sunt aproape echivalente). Astfel, mineralele sunt substanțe cristaline, ale căror proprietăți sunt determinate de aranjarea geometrică a atomilor lor constitutivi și de tipul de legătură chimică dintre ei. Celula unitară (cea mai mică subdiviziune a unui cristal) este alcătuită din atomi distanțați în mod regulat ținuți împreună prin legături electronice. Aceste celule minuscule, care se repetă la nesfârșit în spațiul tridimensional, formează un cristal. Dimensiunile celulelor unitare din diferite minerale sunt diferite și depind de dimensiunea, numărul și aranjarea reciprocă a atomilor din interiorul celulei. Parametrii celulei sunt exprimați în angstromi () sau nanometri (1 = 10-8 cm = 0,1 nm). Celulele unitare ale cristalului puse împreună umplu volumul strâns, fără goluri și formează o rețea cristalină. Cristalele sunt subdivizate pe baza simetriei celulei unitare, care se caracterizează prin raportul dintre marginile și colțurile sale. De obicei se disting 7 sisteme (în ordinea crescătoare a simetriei): triclinic, monoclinic, rombic, tetragonal, trigonal, hexagonal și cubic (izometric). Uneori sistemele trigonal și hexagonal nu sunt separate și sunt descrise împreună sub denumirea de sistem hexagonal. Singoniile sunt subîmpărțite în 32 de clase de cristale (tipuri de simetrie), inclusiv 230 de grupuri spațiale. Aceste grupuri au fost identificate pentru prima dată în 1890 de omul de știință rus E.S. Fedorov. Analiza de difracție cu raze X este utilizată pentru a determina dimensiunea celulei elementare a mineralului, structura sa, clasa de simetrie și grupul spațial și, de asemenea, pentru a decoda structura cristalină, de exemplu. dispunerea reciprocă în spațiul tridimensional a atomilor care alcătuiesc celula unitară.
CRISTALGRAFIE GEOMETRICĂ (MORFOLOGICĂ).
Cristalele cu fețele lor plate, netede și strălucitoare au atras atenția omului de mult timp. De la apariția mineralogiei ca știință, cristalografia a devenit baza pentru studiul morfologiei și structurii mineralelor. S-a constatat că fețele cristalelor au o aranjare simetrică, ceea ce permite ca cristalul să fie atribuit unei anumite singonii, iar uneori uneia dintre clase (simetrie) (vezi mai sus). Studiile de difracție cu raze X au arătat că simetria externă a cristalelor corespunde aranjamentului intern regulat al atomilor. Dimensiunile cristalelor minerale variază în limite foarte largi - de la giganți care cântăresc 5 tone (masa unui cristal de cuarț bine format din Brazilia) până la atât de mici încât fețele lor pot fi distinse doar la microscop electronic. Forma cristalului chiar și a aceluiași mineral poate diferi ușor în probe diferite; de exemplu, cristalele de cuarț sunt aproape izometrice, aciculare sau aplatizate. Cu toate acestea, toate cristalele de cuarț, mari și mici, ascuțite și plate, sunt formate prin repetarea celulelor unitare identice. Dacă aceste celule sunt orientate într-o anumită direcție, cristalul are o formă alungită, dacă în două direcții în detrimentul celei de-a treia, atunci cristalul are o formă tabulară. Întrucât unghiurile dintre fețele corespunzătoare ale aceluiași cristal au o valoare constantă și sunt specifice fiecărei specii de minerale, această trăsătură este inclusă în mod necesar în caracteristica mineralului. Mineralele, reprezentate de cristale individuale bine tăiate, sunt rare. Sunt mult mai frecvente ca boabe neregulate sau agregate cristaline. Adesea, un mineral este caracterizat de un anumit tip de agregat, care poate servi ca caracteristică de diagnostic. Există mai multe tipuri de agregate. Agregatele dendritice ramificate sunt asemănătoare cu frunzele de ferigă sau cu muşchiul şi sunt caracteristice, de exemplu, piroluzitului. Agregatele fibroase de fibre paralele dens împachetate sunt tipice pentru crizotil și amfibol-azbest. Agregatele colomorfe cu o suprafață netedă rotunjită sunt construite din fibre care iradiază spre exterior dintr-un centru comun. Masele mari rotunjite sunt mastoide (malahit), iar cele mai mici sunt reniforme (hematit) sau aciniforme (psilomelan).
Agregatele solzoase constând din cristale lamelare mici sunt caracteristice pentru mica și barite. Stalactitele sunt formațiuni de picurare care atârnă sub formă de țurțuri, tuburi, conuri sau „perdele” în peșterile carstice. Acestea provin din evaporarea apei saline care se infiltrează prin fracturile de calcar și sunt adesea compuse din calcit (carbonat de calciu) sau aragonit. Ooliți - agregate formate din bile mici și asemănătoare cu ouă de pește, se găsesc în unele formațiuni de calcit (calcar oolitic), goethit (minereu de fier oolitic) și alte formațiuni similare.
CHIMIA CRISTALULUI
După acumularea datelor cu raze X și compararea acestora cu rezultatele analizelor chimice, a devenit evident că caracteristicile structurii cristaline a mineralului depind de compoziția sa chimică. Astfel, au fost puse bazele unei noi științe - chimia cristalină. Multe proprietăți aparent neînrudite ale mineralelor pot fi explicate luând în considerare structura lor cristalină și compoziția chimică. Unele elemente chimice (aur, argint, cupru) se găsesc în nativ, i.e. formă pură. Ele sunt construite din atomi neutri din punct de vedere electric (spre deosebire de majoritatea mineralelor, atomii cărora poartă o sarcină electrică și se numesc ioni). Un atom cu lipsă de electroni este încărcat pozitiv și se numește cation; un atom cu un exces de electroni are sarcină negativă și se numește anion. Atracția dintre ionii încărcați opus se numește legătură ionică și servește ca principală forță de legare în minerale. Cu un alt tip de legătură, electronii exteriori se învârt în jurul nucleelor pe orbite comune, conectând atomii între ei. O legătură covalentă este cel mai puternic tip de legătură. Mineralele legate covalent au de obicei duritate și puncte de topire ridicate (de exemplu, diamantul). Un rol mult mai mic în minerale este jucat de legătura slabă van der Waals care apare între unitățile structurale neutre din punct de vedere electric. Energia de legare a unor astfel de unități structurale (straturi sau grupuri de atomi) este distribuită neuniform. Legătura van der Waals oferă atracție între site-uri încărcate opus în unități structurale mai mari. Acest tip de legătură se observă între straturile de grafit (una dintre formele naturale de carbon) formate datorită legăturii covalente puternice a atomilor de carbon. Datorită legăturilor slabe dintre straturi, grafitul are o duritate scăzută și un clivaj foarte perfect paralel cu straturile. Prin urmare, grafitul este folosit ca lubrifiant. Ionii încărcați opus se apropie unul de altul la o distanță la care forța de respingere echilibrează forța de atracție. Pentru orice pereche anume de „cation-anion”, această distanță critică este egală cu suma „razelor” celor doi ioni. Prin determinarea distanțelor critice dintre diferiți ioni, a fost posibilă stabilirea dimensiunilor razelor majorității ionilor (în nanometri, nm). Deoarece majoritatea mineralelor sunt caracterizate prin legături ionice, structurile lor pot fi vizualizate ca bile învecinate. Structurile cristalelor ionice depind în principal de mărimea și semnul sarcinii și de dimensiunile relative ale ionilor. Deoarece cristalul în ansamblu este neutru din punct de vedere electric, suma sarcinilor pozitive ale ionilor trebuie să fie egală cu suma celor negative. În clorura de sodiu (NaCl, halitul mineral), fiecare ion de sodiu are o sarcină de +1, iar fiecare ion de clor are o sarcină de -1 (Fig. 1), adică. fiecărui ion de sodiu îi corespunde un ion de clor. Cu toate acestea, în fluorit (fluorura de calciu, CaF2), fiecare ion de calciu are o sarcină de +2, iar fiecare ion de fluor are o sarcină de -1. Prin urmare, pentru a menține electroneutralitatea globală a ionilor de fluor trebuie să fie de două ori mai mare decât a ionilor de calciu (Fig. 2).
Posibilitatea pătrunderii lor într-o structură cristalină dată depinde și de mărimea ionilor. Dacă ionii sunt de aceeași dimensiune și împachetati în așa fel încât fiecare ion să fie în contact cu alți 12, atunci aceștia sunt în coordonarea corespunzătoare. Există două moduri de împachetare a bilelor de aceeași dimensiune (Fig. 3): împachetarea cea mai apropiată cubică, în cazul general, care duce la formarea de cristale izometrice și împachetarea cea mai apropiată hexagonală, formând cristale hexagonale. De regulă, cationii au dimensiuni mai mici decât anionii, iar mărimile lor sunt exprimate în fracțiuni din raza anionului, luate ca unitate. De obicei, se folosește un raport obținut prin împărțirea razei cationului la raza anionului. Dacă cationul este doar puțin mai mic decât anionii cu care este combinat, acesta poate intra în contact cu cei opt anioni din jur sau, după cum se spune, este în coordonare de opt ori față de anionii, care sunt localizați, așa cum se spune. , la vârfurile cubului din jurul lui. Această coordonare (numită și cubică) este stabilă la rapoarte ale razelor ionice de la 1 la 0,732 (Fig. 4, a). Cu un raport mai mic al razelor ionice, opt anioni nu pot fi stivuiți pentru a atinge cationul. În astfel de cazuri, geometria de împachetare permite o coordonare de șase ori a cationilor cu aranjarea anionilor la șase vârfuri ale octaedrului (Fig. 4b), care vor fi stabile la rapoarte ale razelor lor de la 0,732 la 0,416. Odată cu o scădere suplimentară a dimensiunii relative a cationului, are loc o tranziție la o coordonare cuaternară sau tetraedrică, care este stabilă la valori ale rapoartelor razelor de la 0,414 la 0,225 (Fig. 4, c), apoi la unul triplu, în intervalul de rapoarte ale razelor de la 0,225 la 0,155 (Fig. 4, d) și dublu - la raportul razelor mai mic de 0,155 (Fig. 4, e). Deși alți factori determină și tipul de poliedru de coordonare, pentru majoritatea mineralelor principiul raportului razei ionice este unul dintre mijloacele eficiente de prezicere a structurii cristaline.
Mineralele cu compoziții chimice complet diferite pot avea structuri similare, care pot fi descrise folosind aceleași poliedre de coordonare. De exemplu, în NaCl clorură de sodiu, raportul dintre raza ionului de sodiu și raza ionului de clor este 0,535, indicând coordonarea octaedrică sau de șase ori. Dacă șase anioni sunt grupați în jurul fiecărui cation, atunci pentru a menține un raport 1: 1 dintre cationi și anioni, trebuie să existe șase cationi în jurul fiecărui anion. Aceasta formează o structură cubică cunoscută sub numele de structură de tip clorură de sodiu. Deși razele ionice ale plumbului și sulfului diferă mult de razele ionice ale sodiului și clorului, raportul lor predetermina și coordonarea șase ori; prin urmare, galena PbS are o structură de tip clorură de sodiu, adică halitul și galena sunt izostructurale. Impuritățile din minerale sunt de obicei prezente sub formă de ioni care înlocuiesc ionii mineralului gazdă. Astfel de substituții afectează foarte mult dimensiunea ionilor. Dacă razele a doi ioni sunt egale sau diferă cu mai puțin de 15%, ei sunt ușor înlocuiți reciproc. Dacă diferența este de 15-30%, înlocuirea este limitată; cu o diferență de peste 30%, înlocuirea este practic imposibilă. Există multe exemple de perechi de minerale izostructurale cu o compoziție chimică similară, între care are loc substituția ionică. Astfel, carbonații siderit (FeCO3) și rodocrosit (MnCO3) au structuri similare, iar fierul și manganul se pot înlocui în orice proporții, formând așa-numitul. solutii solide. Există o serie continuă de soluții solide între aceste două minerale. În alte perechi de minerale, posibilitățile de substituție reciprocă sunt limitate. Deoarece mineralele sunt neutre din punct de vedere electric, încărcarea ionilor afectează și înlocuirea lor reciprocă. Dacă există o substituție cu un ion încărcat opus, atunci într-o parte a acestei structuri ar trebui să aibă loc o a doua substituție, în care sarcina ionului de substituție compensează încălcarea electroneutrității cauzată de primul. O astfel de substituție conjugată se observă în feldspați - plagioclaze, când calciul (Ca2 +) înlocuiește sodiul (Na +) cu formarea unei serii continue de soluții solide. Excesul de sarcină pozitivă rezultat din înlocuirea ionului Ca2 + cu ionul Na + este compensat prin înlocuirea simultană a aluminiului (Al3 +) cu siliciul (Si4 +) în regiunile adiacente ale structurii.
PROPRIETĂȚI FIZICE ALE MINERALELOR
Deși principalele caracteristici ale mineralelor (compoziția chimică și structura cristalină internă) sunt stabilite pe baza analizelor chimice și a metodelor de difracție cu raze X, ele se reflectă indirect în proprietăți care sunt ușor de observat sau măsurat. Pentru a diagnostica majoritatea mineralelor, este suficient să le determinați luciul, culoarea, clivajul, duritatea, densitatea. Luciul este o caracteristică calitativă a luminii reflectate de un mineral. Unele minerale opace sunt foarte reflectorizante și au un luciu metalic. Acest lucru este tipic pentru mineralele de minereu, cum ar fi galena (mineral de plumb), calcopirita și bornitul (minerale de cupru), argentitul și acantitul (minerale de argint). Majoritatea mineralelor absorb sau transmit o parte semnificativă a luminii incidente asupra lor și au un luciu nemetalic. Unele minerale au o tranziție de la luciul metalic la cel nemetalic, care se numește semimetalic. Mineralele cu un luciu nemetalic sunt de obicei de culoare deschisă, unele dintre ele sunt transparente. Cuarțul transparent, gipsul și mica ușoară se găsesc adesea. Alte minerale (de exemplu, cuarțul alb lăptos) care transmit lumină, dar prin care obiectele nu pot fi distinse clar, se numesc translucide. Mineralele care conțin metale diferă de altele prin transmiterea luminii. Dacă lumina trece printr-un mineral, chiar și la marginile cele mai subțiri ale boabelor, atunci acesta este, de regulă, nemetalic; dacă lumina nu trece, atunci este minereu. Există, totuși, excepții: de exemplu, sfalerita de culoare deschisă (mineral de zinc) sau cinabru (mineral de mercur) sunt adesea transparente sau translucide. Mineralele diferă prin caracteristicile de calitate ale luciului lor nemetalic. Argila are un luciu tern, pământesc. Cuarțul pe marginile cristalelor sau pe suprafețele de fractură este sticlă, talcul, care este împărțit în frunze subțiri de-a lungul planurilor de clivaj, este sidef. Strălucitoare, strălucitoare ca un diamant, strălucirea se numește diamant. Când lumina cade pe un mineral cu un luciu nemetalic, este parțial reflectată de suprafața mineralului și parțial refracta la această limită. Fiecare substanță are un indice de refracție specific. Deoarece acest indicator poate fi măsurat cu mare precizie, este un indicator de diagnosticare foarte util al mineralelor. Natura luciului depinde de indicele de refracție și ambele depind de compoziția chimică și structura cristalină a mineralului. În general, mineralele transparente care conțin atomi de metale grele se disting prin strălucirea lor puternică și indicele de refracție ridicat. Acest grup include minerale obișnuite precum anglesite (sulfat de plumb), casiterit (oxid de staniu) și titanit sau sfenă (silicat de calciu și titan). Mineralele compuse din elemente relativ ușoare pot avea, de asemenea, un luciu puternic și un indice de refracție ridicat, dacă atomii lor sunt strâns strânși și ținuți împreună prin legături chimice puternice. Un prim exemplu este diamantul, care este format dintr-un singur element ușor, carbonul. Într-o măsură mai mică, acest lucru este valabil și pentru corindonul mineral (Al2O3), ale cărui soiuri colorate transparente - rubin și safire - sunt pietre prețioase. Deși corindonul este compus din atomi ușori de aluminiu și oxigen, aceștia sunt atât de strâns legați împreună încât mineralul are un luciu destul de puternic și un indice de refracție relativ ridicat. Unele străluciri (gras, ceros, mat, mătăsos etc.) depind de starea suprafeței mineralului sau de structura agregatului mineral; luciul rășinos este caracteristic multor substanțe amorfe (inclusiv minerale care conțin elementele radioactive uraniu sau toriu). Culoarea este o caracteristică de diagnosticare simplă și convenabilă. Exemplele includ pirita galben-alama (FeS2), galena gri plumb (PbS) și arsenopirita alb-argintie (FeAsS2). În alte minerale cu un luciu metalic sau semimetalic, culoarea caracteristică poate fi mascată prin jocul de lumină într-o peliculă subțire de suprafață (ternarea). Acest lucru este obișnuit pentru majoritatea mineralelor de cupru, în special bornitul, care este numit „minereu de păun” din cauza pătării sale albastru-verde irizate care apare rapid pe o fractură proaspătă. Cu toate acestea, alte minerale de cupru sunt vopsite în culori binecunoscute: malachit - verde, azurit - albastru. Unele minerale nemetalice sunt inconfundabile recunoscute după culoare datorită elementului chimic principal (galben - sulf și negru - gri închis - grafit etc.). Multe minerale nemetalice sunt compuse din elemente care nu le conferă o culoare anume, dar au soiuri colorate, a căror culoare se datorează prezenței impurităților elementelor chimice în cantități mici care nu pot fi comparate cu intensitatea culoarea pe care o provoacă. Astfel de elemente se numesc cromofori; ionii lor se disting prin absorbția selectivă a luminii. De exemplu, un ametist violet intens își datorează culoarea unui amestec nesemnificativ de fier în cuarț, iar culoarea verde densă a smaraldului este asociată cu un conținut mic de crom în beril. Culoarea mineralelor de obicei incolore poate apărea din cauza defectelor structurii cristaline (din cauza pozițiilor neumplute ale atomilor în rețea sau a pătrunderii ionilor străini), care pot determina absorbția selectivă a anumitor lungimi de undă în spectrul luminii albe. Apoi mineralele sunt colorate în culori complementare. Rubinele, safirele și alexandritele își datorează culoarea tocmai acestor efecte de lumină. Mineralele incolore pot fi colorate cu impurități mecanice. De exemplu, diseminarea fină diseminată a hematitei dă cuarțului o culoare roșie, clorit - verde. Cuarțul din lapte este tulbure cu incluziuni gaz-lichid. Deși culoarea minerală este una dintre cele mai ușor de identificat proprietăți în diagnosticarea mineralelor, ea trebuie utilizată cu precauție deoarece depinde de mulți factori. În ciuda variabilității culorii multor minerale, culoarea pulberii minerale este foarte constantă și, prin urmare, este o caracteristică importantă de diagnosticare. De obicei, culoarea unei pulberi minerale este determinată de linie (așa-numita „culoare de linie”), care este lăsată de mineral, dacă este trecută peste o farfurie de porțelan nesmălțuită (biscuit). De exemplu, fluoritul mineral este colorat în diferite culori, dar linia sa este întotdeauna albă.
Clivaj. O proprietate caracteristică a mineralelor este comportamentul lor de rupere. De exemplu, cuarțul și turmalina, a căror suprafață de fractură seamănă cu o așchie de sticlă, au o fractură asemănătoare conchei. În alte minerale, fractura poate fi descrisă ca aspră, neuniformă sau așchiată. Pentru multe minerale, caracteristica nu este fractura, ci clivajul. Aceasta înseamnă că se împart de-a lungul planurilor netede legate direct de structura lor cristalină. Forțele de legătură între planurile rețelei cristaline pot fi diferite în funcție de direcția cristalografică. Dacă în unele direcții sunt mult mai mari decât în altele, atunci mineralul se va împărți pe cea mai slabă legătură. Deoarece clivajul este întotdeauna paralel cu planurile atomice, acesta poate fi indicat prin indicarea direcțiilor cristalografice. De exemplu, halitul (NaCl) are un clivaj cubic, i.e. trei direcții reciproc perpendiculare ale unei posibile scindări. Clivajul se caracterizează și prin ușurința de manifestare și calitatea suprafeței de clivaj emergente. Mica are un decolteu foarte perfect într-o direcție, adică. se desparte usor in frunze foarte subtiri, cu o suprafata neteda si lucioasa. Topazul are un decolteu perfect într-o singură direcție. Mineralele pot avea două, trei, patru sau șase direcții de clivaj, de-a lungul cărora sunt la fel de ușor divizate, sau mai multe direcții de clivaj de diferite grade. Unele minerale nu au deloc clivaj. Deoarece scindarea ca o manifestare a structurii interne a mineralelor este proprietatea lor invariabilă, servește ca o caracteristică importantă de diagnosticare. Duritatea este rezistența pe care o oferă un mineral atunci când este zgâriat. Duritatea depinde de structura cristalului: cu cât atomii din structura unui mineral sunt legați mai puternic, cu atât este mai dificil să-l zgârie. Talcul și grafitul sunt minerale lamelare moi construite din straturi de atomi legați între ele de forțe foarte slabe. Sunt grase la atingere: atunci când se frecă de pielea mâinii, straturile individuale cele mai subțiri alunecă. Cel mai dur mineral este diamantul, în care atomii de carbon sunt atât de strâns legați încât poate fi zgâriat doar cu un alt diamant. La începutul secolului al XIX-lea. Mineralogul austriac F. Moos a aranjat 10 minerale în ordinea creșterii durității acestora. De atunci, acestea au fost folosite ca standarde pentru duritatea relativă a mineralelor, așa-numitele. Scara Mohs (Tabelul 1). Tabelul 1.
SCALA DE DURITATE MOHS
Minerale Duritate relativă
Talc ______1 Gips _______2 Calcit ____3 Fluorit ____4 Apatit _____5 Ortoclază ___6 Cuarț ______7 Topaz ______8 Corindon _____9 Diamant _____10
Pentru a determina duritatea unui mineral, este necesar să se identifice cel mai dur mineral pe care îl poate zgâria. Duritatea mineralului studiat va fi mai mare decât duritatea mineralului pe care l-a zgâriat, dar mai mică decât duritatea următorului mineral pe scara Mohs. Forțele de legătură pot varia în funcție de direcția cristalografică și, deoarece duritatea este o estimare aproximativă a acestor forțe, aceasta poate varia în direcții diferite. Această diferență este de obicei mică, cu excepția cianitei, care are o duritate de 5 pe direcția paralelă cu lungimea cristalului și 7 pe direcția transversală. Practica mineralogică folosește și măsurarea valorilor absolute ale durității (așa-numita microduritate) cu ajutorul unui sclerometru, care este exprimat în kg/mm2.
Densitate. Masa atomilor elementelor chimice variază de la hidrogen (cel mai ușor) la uraniu (cel mai greu). Toate celelalte lucruri fiind egale, masa unei substanțe formate din atomi grei este mai mare decât cea a unei substanțe formate din atomi ușori. De exemplu, doi carbonați - aragonitul și cerusitul - au o structură internă similară, dar aragonitul conține atomi de calciu ușori, iar cerusitul conține atomi grei de plumb. Ca urmare, masa de cerusită depășește masa de aragonit de același volum. Masa pe unitatea de volum a unui mineral depinde, de asemenea, de densitatea de împachetare a atomilor. Calcitul, ca și aragonitul, este carbonat de calciu, dar în calcit atomii sunt împachetati mai puțin dens, prin urmare are o masă mai mică pe unitate de volum decât aragonitul. Masa relativă, sau densitatea, depinde de compoziția chimică și de structura internă. Densitatea este raportul dintre masa unei substanțe și masa aceluiași volum de apă la 4 ° C. Deci, dacă masa unui mineral este de 4 g și masa aceluiași volum de apă este de 1 g, atunci densitatea mineralului este de 4. În mineralogie, se obișnuiește să se exprime densitatea în g / cm3. Densitatea este o caracteristică importantă de diagnosticare a mineralelor și nu este greu de măsurat. Proba este mai întâi cântărită în aer și apoi în apă. Deoarece proba este plutitoare în sus atunci când este scufundată în apă, greutatea sa este mai mică acolo decât în aer. Pierderea în greutate este egală cu greutatea apei deplasate. Astfel, densitatea este determinată de raportul dintre masa probei în aer și pierderea greutății sale în apă.
CLASIFICAREA MINERALELOR
Deși compoziția chimică a servit drept bază pentru clasificarea mineralelor încă de la mijlocul secolului al XIX-lea, mineralogiștii nu au aderat întotdeauna la un consens cu privire la ordinea mineralelor din el. Conform uneia dintre metodele de construire a clasificării, mineralele au fost grupate după același metal sau cation principal. În acest caz, mineralele de fier au căzut într-un grup, mineralele de plumb - într-un altul, mineralele de zinc - într-o treime etc. Cu toate acestea, pe măsură ce știința s-a dezvoltat, a devenit clar că mineralele care conțin același nemetal (anion sau grup anionic) au proprietăți similare și sunt mult mai asemănătoare între ele decât mineralele cu un metal comun. În plus, mineralele cu un anion comun se găsesc în același cadru geologic și sunt de origine similară. Ca rezultat, în taxonomia modernă (vezi Tabelul 2), mineralele sunt grupate în clase pe baza unui anion comun sau grup anionic. Singurele excepții sunt elementele native, care apar în mod natural în natură, fără a forma compuși cu alte elemente.
Masa 2.
CLASIFICAREA MINERALELOR
Clasele chimice sunt subdivizate în subclase (după chimie și motiv structural), care, la rândul lor, sunt subdivizate în familii și grupuri (după tip structural). Speciile minerale individuale care fac parte dintr-un grup pot forma rânduri, iar o specie minerală poate avea mai multe soiuri. Până acum aprox. 4000 de minerale sunt recunoscute ca specii minerale independente. Noi minerale sunt adăugate la această listă pe măsură ce sunt descoperite, iar cele cunoscute de mult timp sunt excluse, dar discreditate pe măsură ce metodele de cercetare mineralogică s-au îmbunătățit.
CONDIȚII DE ORIGINE ȘI LOCALIZARE ALE MINERALELOR
Mineralogia nu se limitează la determinarea proprietăților mineralelor, ea investighează și originea, condițiile de apariție și asocierile naturale ale mineralelor. De când Pământul a fost creat în urmă cu aproximativ 4,6 miliarde de ani, multe minerale au fost distruse prin zdrobire mecanică, transformare chimică sau topire. Dar elementele care alcătuiau aceste minerale s-au păstrat, s-au regrupat și au format noi minerale. Astfel, mineralele existente în prezent sunt produse ale unor procese care s-au dezvoltat de-a lungul istoriei geologice a Pământului. Cea mai mare parte a scoarței terestre este compusă din roci magmatice, care pe alocuri sunt acoperite de o acoperire relativ subțire de roci sedimentare și metamorfice. Prin urmare, compoziția scoarței terestre, în principiu, corespunde compoziției medii a rocii magmatice. Opt elemente (vezi Tabelul 3) alcătuiesc 99% din masa scoarței terestre și, în consecință, 99% din masa mineralelor sale constitutive.
Tabelul 3.
PRINCIPALELE ELEMENTE INCLUSE ÎN CRESTĂ PĂMÂNTULUI
În ceea ce privește compoziția elementară, scoarța terestră este o structură cadru, constând din ioni de oxigen asociați cu ioni mai mici de siliciu și aluminiu. Astfel, principalele minerale sunt silicații, care reprezintă cca. 35% din toate mineralele cunoscute și aprox. 40% sunt cele mai frecvente. Cei mai importanți dintre ei sunt feldspații (o familie de aluminosilicați care conțin potasiu, sodiu și calciu, mai rar bariu). Alți silicați obișnuiți care formează roci sunt reprezentați de cuarț (cu toate acestea, aparține mai adesea oxizilor), mica, amfiboli, piroxeni și olivină.
Roci magmatice. Rocile magmatice sau magmatice se formează atunci când magma topită se răcește și se cristalizează. Procentul de minerale diferite și, prin urmare, tipul de rocă format depinde de raportul elementelor conținute în magmă în timpul solidificării sale. Fiecare tip de rocă magmatică constă de obicei dintr-un set limitat de minerale, numite principalele roci care formează roci. În plus față de acestea, mineralele minore și accesorii pot fi prezente în cantități mai mici. De exemplu, principalele minerale din granit pot fi feldspat de potasiu (30%), feldspat de sodiu-calciu (30%), cuarț (30%), mica și hornblenda (10%). Zirconul, sfena, apatita, magnetita și ilmenita pot fi prezente ca minerale accesorii. Rocile magmatice sunt de obicei clasificate în funcție de tipul și cantitatea fiecăruia dintre feldspații pe care îi conțin. Cu toate acestea, în unele roci, feldspatul este absent. În plus, rocile magmatice sunt clasificate în funcție de structura lor, ceea ce reflectă condițiile de solidificare a rocii. Magma care cristalizează încet adânc în intestinele Pământului dă naștere unor roci plutonice intruzive cu o structură mare sau cu granulație medie. Dacă magma erupe la suprafață sub formă de lavă, se răcește rapid și se formează roci vulcanice cu granulație fină (efuzive sau erupte). Uneori, unele roci vulcanice (de exemplu, obsidianul) se răcesc atât de repede încât nu au timp să se cristalizeze; rocile similare au aspect sticlos (ochelari vulcanici).
Roci sedimentare. Când roca de bază este deteriorată sau erodata, materialul clastic sau dizolvat este încorporat în rocile sedimentare. Ca urmare a intemperii chimice a mineralelor care are loc la limita litosferei și a atmosferei, se formează noi minerale, de exemplu, argilos - din feldspat. Unele elemente sunt eliberate atunci când mineralele (cum ar fi calcitul) se dizolvă în apele de suprafață. Cu toate acestea, alte minerale precum cuarțul, chiar și zdrobite mecanic, rămân rezistente la intemperii chimice. Mineralele stabile mecanic și chimic eliberate în timpul intemperiilor cu o densitate suficient de mare formează depozite de placeri pe suprafața pământului. Din placeri, cel mai adesea se extrag aluviuni (râu), aur, platină, diamante, alte pietre prețioase, piatră de staniu (cassiterit), minerale din alte metale. În anumite condiții climatice, se formează cruste groase de intemperii, adesea îmbogățite cu minerale minerale. Depozitele industriale de bauxită (minereuri de aluminiu), acumulări de hematită (minereuri de fier), silicați de nichel hidratați, minerale de niobiu și alte metale rare sunt asociate cu cruste de intemperii. Cea mai mare parte a produselor meteorologice sunt transportate de-a lungul sistemului de cursuri de apă către lacuri și mări, în fundul cărora formează un strat sedimentar stratificat. Șisturile sunt compuse în principal din minerale argiloase, în timp ce gresia constă în principal din granule de cuarț cimentate. Materialul dizolvat poate fi îndepărtat din apă de către organismele vii sau precipitat ca urmare a reacțiilor chimice și evaporării. Carbonatul de calciu este absorbit din apa de mare de moluște, care își construiesc învelișul dur din aceasta. Majoritatea calcarului se formează prin acumularea de scoici și schelete ale organismelor marine, deși o parte din carbonatul de calciu este precipitat chimic. Depozitele de evaporiți se formează ca urmare a evaporării apei de mare. Evaporiții sunt un grup extins de minerale, inclusiv halit (sare de masă), gips și anhidrit (sulfați de calciu), silvin (clorură de potasiu); toate au aplicații practice importante. Aceste minerale sunt, de asemenea, precipitate prin evaporarea de pe suprafața lacurilor sărate, dar în acest caz, o creștere a concentrației de oligoelemente poate duce la precipitarea suplimentară a altor minerale. În acest mediu se formează borații.
Roci metamorfice. Metamorfismul regional. Rocile magmatice și sedimentare îngropate la adâncimi mari sub influența temperaturii și presiunii suferă transformări numite metamorfice, în timpul cărora proprietățile inițiale ale rocilor se modifică, iar mineralele originale sunt recristalizate sau complet transformate. Ca urmare, mineralele sunt de obicei situate de-a lungul planurilor paralele, dând rocilor un aspect de șist. Rocile metamorfice de șisturi subțiri se numesc șisturi. Ele sunt adesea îmbogățite cu minerale silicate lamelare (mica, clorit sau talc). Roci metamorfice șist mai grosiere - gneisuri; alternează benzi de cuarț, feldspat și minerale de culoare închisă. Atunci când șisturile și gneisurile conțin orice mineral metamorfic tipic, acest lucru se reflectă în numele rocii, de exemplu, șistul sillimanit sau staurolit, gnaisul cianit sau granat.
Metamorfismul contactului. Când magma se ridică în straturile superioare ale scoarței terestre, de obicei apar modificări în rocile în care a pătruns, așa-numitele. metamorfism de contact. Aceste modificări se manifestă prin recristalizarea originalului sau formarea de noi minerale. Gradul de metamorfism depinde atât de tipul de magmă, cât și de tipul de rocă pe care o pătrunde. Argila și rocile similare în compoziția chimică sunt transformate în cornfelses de contact (biotit, cordierit, granat etc.). Cele mai intense modificări apar atunci când magma granitului este introdusă în calcare: efectul termic este motivul recristalizării lor și formării marmurei; Ca urmare a interacțiunii chimice cu calcarele, soluțiile separate de magmă formează un grup mare de minerale (silicați de calciu și magneziu: wollastonit, granate grossulare și andradite, vezuvian sau idocraz, epidot, tremolit și diopside). În unele cazuri, mineralele sunt introduse în timpul metamorfismului de contact, ceea ce face ca rocile să fie surse valoroase de cupru, plumb, zinc și wolfram.
Metasomatism. Ca urmare a metamorfismului regional și de contact, nu există nicio modificare semnificativă a compoziției chimice a rocilor originale, ci se modifică doar compoziția minerală și aspectul exterior al acestora. Când unele elemente sunt introduse prin soluții și altele sunt scoase, are loc o schimbare semnificativă a compoziției chimice a rocilor. Aceste rase nou formate se numesc metosomatic. De exemplu, interacțiunea calcarului cu soluțiile eliberate de magma granitului în timpul cristalizării duce la formarea în jurul masivelor granitice de zone de minereuri de contact-metasomatice - escarpe, care conțin adesea mineralizare.
ZAZĂMURI DE MINERE ŞI PEGMATITE
Compoziția chimică a granitului grosier poate diferi semnificativ de compoziția magmei originale. Studiul rocilor a arătat că mineralele sunt eliberate din magmă într-o anumită secvență. Mineralele bogate în fier și magneziu, cum ar fi olivina și piroxenii, precum și mineralele accesorii, cristalizează mai întâi. Datorită densității lor mai mari decât topitura din jur, ele se scufundă în jos ca urmare a procesului de segregare magmatică. Se crede că în acest fel se formează dunite - roci constând aproape în întregime din olivină. O origine similară este atribuită unor acumulări mari de magnetit, ilmenit și cromit, care sunt rânduri de fier, titan și, respectiv, crom. Totuși, compoziția topiturii rămase după îndepărtarea mineralelor prin segregare magmatică nu este complet identică cu compoziția rocii formate din aceasta. În timpul cristalizării topiturii, concentrația de apă și a altor componente volatile (de exemplu, compuși de fluor și bor) crește în ea și, împreună cu acestea, multe alte elemente ai căror atomi sunt prea mari sau prea mici pentru a intra în structurile cristaline ale rocii. - formarea de minerale. Fluidele apoase eliberate din magma în curs de cristalizare se pot ridica de-a lungul fisurilor la suprafața Pământului, într-o regiune cu temperaturi și presiuni mai scăzute. Acest lucru duce la depunerea de minerale în fisuri și formarea de depozite de vene. Unele filoane sunt compuse în principal din minerale nemetalice (cuarț, calcit, barit și fluorit). Alte vene conțin minerale precum metale precum aurul, argintul, cuprul, plumbul, zincul, staniul și mercurul; în consecință, ele pot reprezenta zăcăminte valoroase de minereu. Deoarece astfel de depozite se formează cu participarea soluțiilor apoase încălzite, ele sunt numite hidrotermale. De spus că cele mai mari zăcăminte hidrotermale nu sunt venoase, ci metasomatice; sunt în formă de foițe sau alte forme de depozite formate prin înlocuirea rocilor (de cele mai multe ori calcare) cu soluții purtătoare de minereu. Se spune că mineralele care compun astfel de zăcăminte sunt de origine hidrotermal-metasomatică. Pegmatitele sunt legate genetic cu cristalizarea magmei de granit. O masă de fluid foarte mobil, încă bogat în elemente care alcătuiesc mineralele care formează roci, poate fi aruncată din camera magmatică în rocile gazdă, unde cristalizează odată cu formarea de corpuri cu o structură cu granulație grosieră, compusă în principal din minerale care formează roci - cuarț, feldspat și mica. Astfel de corpuri de rocă, numite pegmatite, au dimensiuni foarte variabile. Lungimea maximă a majorității corpurilor de pegmatită este de câteva sute de metri, dar cele mai mari dintre ele ating o lungime de 3 km, în timp ce la cele mici se măsoară cu primii metri. Pegmatitele conțin cristale mari de minerale individuale, inclusiv cel mai mare feldspat din lume, lung de câțiva metri, mică - până la 3 m în diametru, cuarț - până la 5 tone în masă. În unele fluide care formează pegmatite, elemente rare sunt concentrate (adesea în sub formă de cristale mari) , de exemplu, beriliu - în beril și crisoberil, litiu - în spodumen, petalit, amblygonit și lepidolit, cesiu - în semicit, bor - în turmalină, fluor - în apatit și topaz. Majoritatea acestor minerale sunt de calitate pentru bijuterii. Importanța industrială a pegmatitelor se datorează parțial faptului că sunt o sursă de pietre prețioase, dar în principal - feldspat și mica de potasiu de calitate superioară, precum și minereurile de litiu, cesiu și tantal, parțial beriliu.