Лекция 3

 Вещественный состав Земли. Минералы и их классификация.

Химический состав земной коры.

Минералы и их морфология

Происхождение минералов.

Физические свойства минералов

     

На Земле установлено около 300 химических элементов и их изотопов. Изотопы (греч. «исос» - равный, «топос» - ме­сто) обладают теми же свойствами, зарядом ядра и порядковым номером, что и соответствующий химический элемент, но отличаются от него атом­ным весом.

Земную кору слагают различные материальные тела, состоящие из определенного сочетания химических элементов и их соединений. Такие соединения образуют естественные природные тела - минералы, которые входят в состав горных пород. Минералы и горные породы в различных сочетаниях образуют слои, фации, формации и т.п., а их совокупность составляет земную кору. Этим самым определяются нижняя и
верхняя ступени различимости объекта геологии (минерал -
земная кора). Состав земной коры изучают методами физико-химического анализа образцов горных пород и минералов,
доставленных из естественных обнажений и горных выработок (шахты, скважины и т.п.), а также поднятых со дна океана.

Для изучения среднего химического состава Земли используются образцы, доставленные с Луны, а также метеориты. Следовательно, прежде чем перейти к систематическому обзору минералов и горных пород, необходимо познакомиться с некоторыми сведениями о химическом составе Земли и основных геосфер.

 

Химический состав земной коры.

Вычисления среднего химического состава внутренних оболочек Земли, в том числе и земной коры, выполнялись многими исследователями. В зависимости от принятой гипотезы эволюции Земли, используемых методов, а также, учитывая масштабы объекта и недоступность глубоких слоев для непосредственного анализа, результаты оценок химического состава геосфер расходятся в определенном диапазоне значе­ний.

Наиболее часто цитируемые значения химического состава внешних и внутренних сфер Земли приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Средний химический состав геосфер (в массовых %).

 

Элемент	Земная коря	Гидро­сфера	Атмосфера	Биосфера (живое вещество)
Кислород	49,13	85,70	20,95	70,00
Кремний	26,00	-	-
Алюминий	7,45	-		_
Железо	4.2(1	-	-	-
Кальций	3,25	-	-	0,50
Натрий	2,40	1,05	-	-
Калий	2.35	-		3,30
Магний	2,35	0,13	-
Водород	1,00	10,80	-	10,50
Титан	0,61	-	-	-
Углерод	0,35	-		18,00
Хлор	-	1,90	-	18,00
Азот	-		78,08	0,31
Аргон	i	-	0,93	-

 

В основе приведенной таблицы - перечень преобладающих в земной коре химических элементов (с точностью до десятых процента, при меньших количествах - прочерк). Суммарное содержание элементов в каждой колонке (геосфе­ре) превышает 99%. Однако при переходе из одной геосферы в другой (от земной коры к биосфере) количественный и качественный состав преобладающих элементов существенно трансформируется; в земной коре преобладает 11 элементов, в гидросфере - 5, в атмосфере - 3, а в биосфере число элемен­тов вновь возрастает до 7.

Несмотря на образование всех геосфер из одного источника - вещество мантии, состав и соотношение элементов в них корректируется фазовым состоянием (твердое, жидкое, газообразное) и положением геосферы r круговороте вещества в географической оболочке.

В 1889 г. американский геохимик Фрэнк Кларк впервые определил средние содержания химических элементов в земной коре. В честь него русский академик А.Е. Ферсман предложил называть «кларками» средние содержания химических элементов в земной коре.

Исследователи приводят разные данные о химическом составе земной коры. Существенно преобладают три элемента: кислород (46,6-49,1%), кремний (26,0-29,5%), алюминий (7,45-8,14); на долю еще шести элементов приходится 15 %: железо (4,20-5,00), кальций (2,71-3,63), натрий (2,01-2,83), калий (2,35-2,59), магний (1,79-2,35%)и титан. На долю остальных элементов приходится менее 1%. В природе встречаются участки, в пределах которых фактическое со­держание того или иного химического элемента существенно выше его кларкового значения. Такие участки исследуются геологами с целью вы­явления месторождении полезных ископаемых.

Химический состав Земли не постоянен. С одной стороны, земная кора непрерывно пополняется космическим веществом. Оно выпадает на Зем­лю в виде метеоритов и космической пыли. С другой стороны, сама Земля отдает в мировое пространство часть своего вещества, например гелий, неон, возможно, водород, азот и другие газообразные элементы и соеди­нения.

Кроме того, некоторые химические элементы, например, радиоактив­ные, со временем изменяются. Так, уран и торий, распадаясь, превраща­ются в устойчивые элементы — свинец и гелий. Это дает основание пред­полагать, что в минувшие геологические эпохи кларки урана и тория бы­ли, очевидно, значительно выше, а кларки свинца - ниже, чем сейчас. По-видимому, это относится и ко всем другим элементам, подверженным превращениям.

Изотопный состав некоторых химических элементов со временем меняется. Изотоп урана U²³⁸ имеет период полураспада (в годах), равный 4,5x10⁹, a U²³⁵ - 7,1x10⁸ степени. По А.А. Саукову, два млрд. лет назад атомов изотопа U²³⁵ на Земле было почти в шесть раз больше, чем сейчас.

Более сложный и разнообразный состав имеет живое ве­щество биосферы, поскольку в жизненных процессах синте­зируется вещество трех остальных геосфер. Каркас органиче­ского вещества составляет углерод в самых разнообразных сочетаниях с атомами водорода, кислорода, азота, фосфора и других элементов.

Главной особенностью химического состава земной ко­ры, по сравнению с ядром и мантией, является высокое содержание в ней относительно легких элементов (О, Si, A1, К, Са) и низкое - тяжелых: (Fe, Ni, Cr, Co). Такое распределение химических элементов обусловлено главным образом особенностями образования земной коры, как структурной части Земли, и свойствами самих химических элементов.

Содержащиеся в земной коре химические элементы во взаимодействии между собой образуют различные по сложности структурные образования. По линии возрастания слож­ности иерархия (соподчинение) таких структурных образова­ний может быть представлена следующим рядом: химиче­ский элемент -> минерал -> горная порода -> формация -> земная кора.

Химический состав земной коры непрерывно меняется и этот процесс продолжается и в настоящее время. Эти изменения протекают за счет как внутриземных процессов (радиоактивный распад), так и внешних факторов,  например,  пос­тупление метеоритного вещества.

Составляющие вещество земной коры химические элементы образуют разнообразные сочетания. Наиболее распро­страненной формой существования сочетаний химических элементов является минерал. Часть из этих элементов образу­ет самостоятельные минералы, другие входят в них в качест­ве примесей.

 

 

Минералы и их морфология

Минералом (от лат. "минера" - руда) называется природное соединение химических элементов (или самородный эле­мент), возникающее в результате определенных физико-химических процессов, протекающих в земной коре или на ее поверхности.

К настоящему времени известно около 4000 минералов, из них наиболее широко распространены 400-500 видов. Изу­чением химического состава минералов, их физических свойств и происхождения занимается специальный раздел геологии - минералогия.

По своему внутреннему строению, проявляющемся во внешнем облике, все минералы делятся на две группы - кристаллические и аморфные.

Кристалл (от греч. "кристаллос" - лед, горный хрусталь) - твердое природное тело, имеющее естественную форму правильного многогранника вследствие упорядочение закономерного расположения атомов, образующих трехмерную периодически повторяющуюся укладку - кристаллическую решетку (рис. 7).

 

 

Рис.7. Кристаллические формы минералов: I - равновытянутый кристалл сфалерита (тетраэдр); 2 - вытянутый в одном направлении кристалл серы (пирамидальный); 3 - вытянутый в двух направлениях кристалл кальцита (ромбоэдр)

 

Кристаллы обладают симметрией внешней формы. Атомы и ионы в кристаллической решетке располагаются в постоянных точках (узлах) - в строго определенном для каждого минерала порядке. Углы между граня­ми кристалла также всегда постоянны. Основными элементами кристал­лической решетки являются центры, оси и плоскости симметрии.

Плоскость симметрии делит фигуру кристалла на две зеркально-подобные части. При повороте кристалла вокруг оси симметрии эта фигу­ра совмещается сама с собой. Минимальный по объему параллелепипед, отражающий все характерные особенности кристалла, называется «элементарной ячейкой». Основными кристаллографическими константами такой ячейки являются ребра и углы между ними. Изучение их взаимоотношений позволило установить 32 класса симметрии кристаллов.

Каждый кристалл ограничен гранями одной или нескольких простых форм (рис.8, 9). Среди них по степени симметрии выделяют семь сингоний (греч. «син» - вместе, «гониа» - угол). Высшая сингония – кубическая (рис. 8, 10). В ней ребра кристаллов расположены под прямыми углами по трем осям координат и равны между собой. К низшим сингониям относятся ром­бическая, моноклинная, триклинная. Они характеризуются неравенством ребер, прямыми (ромбическая) или не равными 90° углами. Средние - это тетрагональная (ребра по двум осям равны, все углы прямые), гексагональная (ребра по двум осям равны, два угла прямые, один равен  120°) (рис.10) и тригональная   (все ребра равны, углы не равны 90°) сингонии.

  

 

Рис. 8. Формы кристаллов алмаза:    Рис. 9. Кристаллические формы серы:

 а – октаэдр; б –ромбододекаэдр;         а – пирамидального облика;    

 в – куб.                                                      б – усеченно-пирамидального облика;

                                                                  в – ромбо-тетраэдрического облика

 

Подсчитано, что около 38% минералов кристаллизуется в триклинной и моноклинной, 23% - в ромбической, 10% - в тригональной, 7,5% - в гексагональной, 9,5% - в тетрагональной. 12% - в кубической сингониях.

 

Рис. 10. Кристаллы флюорита: гексагональный (а) и кубический (б).

 

Аморфными (от греч. "аморфос" - бесформенный) называют минералы, в которых составляющие их частицы (атомы, молекулы, ионы) располагаются беспорядочно, хаотично, т. е не образуют кристаллическую решетку.

Для различения этих двух типов минералов можно использовать образ строительных кирпичей в качестве химиче­ских элементов: куча кирпичей - аморфное тело; стена, уло­женная из этих же кирпичей в определенном порядке - кри­сталлическое тело.

Минералы могут быть твердыми, жидкими (ртуть) и газообразными (метан, сероводород).

Подавляющее большинство твердых минералов представлено кристаллическими телами и лишь незначительная их часть - аморфные минералы. Кристаллические минералы обладают способностью самоограняться, т.е. давать пра­вильно образованные кристаллические многогранники, а аморфные дают обычно бесформенные массы и обломки. В природе минералы чаще всего встречаются в виде кристалли­ческих скоплений - агрегатов и значительно реже в виде пра­вильных многогранников - кристаллов. В благоприятных ус­ловиях свободного роста кристаллы приобретают свойствен­ную им форму правильного многогранника, а в условиях взаимостесненного роста образуется агрегат кристаллов.

Поскольку форма кристаллов не всегда хорошо выражена, приходится обращаться к другим признакам и методам определения минералов, которые делятся на полевые и лабо­раторные. При полевых геологических работах главнейшие минералы определяются по комплексу физических свойств и признаков, зависящих от условий их образования и хи­мического состава. К основным физическим свойствам отно­сятся следующие визуально определяемые признаки: агрегат­ное состояние, цвет, блеск, цвет черты на фарфоровой пластине, твердость, спайность, излом, прозрачность и другие характерные индивидуальные для минералов свойства. Ха­рактеристики полевого определения свойств минералов дополняются лабораторным анализом химического состава, оп­тических свойств, рентгеноструктурного анализа и др.

 

Происхождение минералов.

Распределение минералов в земной коре закономерно связано с условиями их образования. Первоисточником минералообразования является магма - высокотемпературный расплав вещества астеносферы, проникающий в земную кору или изливающийся на поверхность. В зависимости от места остывания магмы и выделяющихся из них паро-водяных растворов образуются различные минера­лы. Важнейшими для образования минералов характеристи­ками являются температура и давление в месте остывания расплава и растворов Известно, что переход воды в пар воз­можен при давлении не выше 218 атм. (критическое давле­ние). Кроме критического давления существует и критиче­ская температура, при которой вода переходит в пар незави­симо от давления. Для чистой воды эта температура равна 374˚С, которую еще называют абсолютной температурой ки­пения. В зависимости от концентрации растворов критиче­ские значения температуры и давления несколько повышают­ся. Поскольку температура и давление с глубиной растут, в земной коре возникает несколько горизонтов образования оп­ределенных комплексов минералов (рис. 11)

По условиям и месту образования (снизу вверх в земной коре) выделяют следующие генетические (генезис - происхождение) типы минералов магматический, пегматитовый, пневматолитовый, гидротермальный и гипергенный.

Магматический тип. Минералы образуются при остыва­нии магмы в земной коре при температуре около 1000°С. На ранних стадиях остывания выделяются оливин, пироксены, плагиоклазы, позже - слюды, ортоклаз и в последнюю очередь - кварц.

Пегматитовый тип. Минералы образуются при остывании последних порций магмы, внедрившейся в трещины зем­ной коры при температурах 500-700°С.

В эту стадию остывания магмы образуются кварц, полевой шпат, многие рудные минералы, драгоценные камни и радиоактивные элементы.

Пневматолитовый тип. Минералы образуются в трещинах и разломах земной коры выше пегматитовых жил в ре­зультате остывания перегретого пара, содержащего сернистые, фтористые и хлористые соединения различных ме­таллов при температурах от критических 374°С до 500˚С. В эту   стадию  остывания образуются   минералы,   содержащие руды вольфрама, мышьяка, молибдена, висмута и др.

 

      

        

        Рис. 11. Схема жильного минералообразования:

        1 – осадочные и метаморфические породы коры;

        2 – зона низкотемпературных гидротерм;

        3 – зона высокотемпературных (докритических) гидротерм;

        4 – пневматолитовые минералы сверхкритических температур (>374˚С);

        5 – пегматитовые минералы (расплав магмы);

        6 – гранитный батолит.

 

Гидротермальный тип. При температурах ниже крити­ческих (<374°С) и давлениях выше критических (более 218 атм.) водяной пар конденсируется в горячие водные растворы, циркулирующие вдоль трещин в земной коре выше гори­зонта пневматолиза. При остывании растворов и их взаимо­действии с вмещающими породами образуются весьма рас­пространенные и характерные гидротермальные жилы, со­держащие ценные руды металлов (золото, серебро, ртуть, свинец, цинк и др.): галенит, сфалерит, киноварь, пирит и др.

Гипергенный тип. Минералы этого типа образуются в самых верхних слоях земной коры при температурах ниже кипения, а также в морях, озерах и болотах в результате химических реакций и роста концентрации растворов (охлажде­ние, испарение и др.). Для этого типа характерны минералы карбонатов (кальцит, доломит), сульфатов (мирабилит), га­лоидов (галит, сильвин) и др.

Переход из одного "этажа" минералообразования на другой (от магматического до гипергенного) происходит посте­пенно, поэтому возможны и смешанные комплексы минера­лов, Более того, многие минералы (кварц, кальцит, пирит и др.) образуются в широком диапазоне температур и давлений и такие минералы часто называют сквозными. Например, кварц образуется во всех диапазонах температур и давлений. Только сочетание минерального комплекса позволяет опре­делить место и условия их образования. Совместное образо­вание минералов в одних и тех же условиях принято называть парагенезисом, что нередко позволяет прогнозировать и вес­ти поиск одних минералов по другим.

 

Физические свойства минералов

 

Внутреннее строение и химический состав минералов определяют их физические свойства. Это - плотность, теплопроводность, электропро­водность, радиоактивность, а также механические, оптические, люминес­центные, магнитные и др. свойства.

Минералы отличают друг от друга по иx внешним постоянным диагностическим признакам. Таковыми являются: облик кристаллов, цвет минерала, цвет черты, а также такие механические свойства, как спайность, твердость и др.

Облик кристаллов - это их форма. Различают кристаллы, вытянутые в одном направлении (призматические, столбчатые, игольчатые, волокни­стые); вытянутые в двух направлениях (таблитчатые, пластинчатые, лис­товатые, чешуйчатые) и одинаково развитые по трем измерениям - изометричные (куб, октаэдр и др.).

Цвет - обычно постоянный признак минерала. Но иногда один и тот же минерал бывает окрашен в различные цвета. Например, кварц бесцве­тен (горный хрусталь). Но некоторые разновидности его окрашены в фиолетовый (аметист), золотистый (цитрин), дымчатый (раухтопаз) и черный (морион) цвета. Такая окраска зависит от посторонних примесей. Если разрезать длинный кристалл турмалина вдоль оси, то он окажется послойно окрашенным в самые разнообразные цвета: розовые, зеленые, голубые, бурые, черные.

Цветом черты минерала называется цвет следа, остающегося на мато­вой шероховатой поверхности фарфоровой пластинки, оцарапанной ка­ким-нибудь минералом. Обычно цвет черты совпадает с цветом самого минерала. Но иногда между ними наблюдается резкое отличие. Например, черный гематит имеет красную черту, а соломенно-желтый пирит - черную.

Спайность - это свойство минералов раскалываться по ровным плос­костям в определенных кристаллографических направлениях. Оно обу­словлено строением кристаллической решетки минералов. Различают следующие виды спайности: весьма совершенную, совершенную, сред­нюю и несовершенную. Весьма совершенной спайностью обладают такие минералы, как слюды, хлорит и др. Их кристаллы легко расщепляются. Кристаллы кальцита, флюорита, полевого шпата имеют совершенную спайность. Они раскалываются, образуя гладкие блестящие поверхности. На обломках минералов, обладающих средней спайностью (например, пироксенов), наряду с неровными поверхностями отчетливо видны и гладкие блестящие поверхности. В случае несовершенной спайности зер­на минералов ограничены неправильными поверхностями, за исключени­ем граней кристаллов (например, кварц, пирит). Число плоскостей спай­ности зависит от симметрии (сингонни) кристалла. Так, у сфалерита (кубическая сннгония) имеется шесть разно ориентированных плоскостей спайности. Минералы низших сингонии имеют спайность только в одном направлении. Например, весьма совершенная спайность слюды мускови­та. Минералы с хорошей спайностью, легко раскалывающиеся на пласти­ны, называются «шпатами» (термин шведского происхождения).

Твердость минералов обусловлена прочностью их кристаллической решетки. Одним из распространенных способов определения относитель­ной твердости минералов является царапание исследуемого минерала острыми краями эталонных минералов «шкалы Мооса». Эта десятибалль­ная шкала предложена в 1811г. немецким ученым Ф. Моосом. Твердость эталонных минералов в ней соответствует их номерам (табл. 3).

Таблица 3

Относительная твердость минералов в шкале Мооса

 

Минерал	Твердость
Тальк	1
Гипс	2
Кальцит	3
Флюорит	4
Апатит	5
Ортоклаз	6
Кварц	7
Топаз	8
Корунд	9
алмаз	10

 

Если эталонный минерал оставляет царапину на поверхности иссле­дуемого минерала, то твердость последнего меньше твердости эталонного минерала.

Плотность. По плотности (массе единичного объема вещества) минералы подразделяются на легкие (до 2500 кг/м³), средние (2500-4000 кг/м³), тяжелые (4000-8000 кг/м³) и весьма тяжелые (более 8000 кг/м³).

 

ЛЕКЦИЯ № 6

КЛАССИФИКАЦИЯ МИНЕРАЛОВ.

Современная научная классификация рассматривает минералы как продукты при­родных химических реакций и поэтому она основывается на важнейших и существенных внутренних свойствах минералов - химическом составе и кристаллической структуре.

В такой классификации все встречающиеся в природе минералы (генеральная совокупность) делятся на три типа, характеризующиеся определенным видом химической формулы.

Типы минералов делятся на классы по сходству их хими­ческого состава и структуре, а классы - на минеральные виды по строению кристаллической решетки и составу слагающих их частиц (атомов, ионов).

Таким образом, основной классификационной единицей является минеральный вид - конкретный и идентифицируемый объект. Далее минеральные виды группируются в классы и типы по мерам сходства и различия, образуя классификаци­онную схему по правилам субординации по вертикали (тип -> класс -> минерал) и горизонтальной координации по этажам группировок (табл. 3).

 

Таблица 3.

Классификация минералов

Схема современной кристаллохимии и ческой классификации минералов может быть представлена в следующем виде (А, А_n - катионы; X или [ВХ_m] - анионы, (n или m - число атомов в формуле):

Тип 1. А, А_n

Класс I. Простые вещества (самородные элементы).

 Тип 2. А_n, X_m

Класс II. Сульфиды, арсениды и др. X = S, Se, Те, As.

Класс III. Галоиды (хлориды, фториды и др.); X = Сl, F, Br, J.

Класс IV. Окислы и гидроокислы;  X = 0, (ОН).

Тип 3. А_n [ВХ_m]

X - обычно О, иногда с замещением на (ОН), F, CS; реже S (сложные сульфиды).

Класс V. Титанаты, титано-тантало-ниобаты; X = 0,(ОН); В = Ti, Nb, Та. Размеры атомов А и В примерно равны.

Класс VI. Нитраты; В = N (азот).

Класс VII. Карбонаты; В = С (углерод).

Класс V1I1. Сульфаты, В = S (cepa).

Класс IX. Хроматы, вольфраматы, молибдаты, В - Сг,   .. Mo, W

Класс X. Фосфаты, арсенал 1, ванадаты; В = Р, As, V.

Класс XI. Бораты; В = В (бор).

Класс XII. Силикаты, алюмосиликаты и др.; В = Si, A1; X = О,(ОН), F, С1_: редко S.

A_n[SiX_m] - силикаты

A_n [(А1, Si)X_m] - алюмосиликаты

В написании химических формул минералов отражается прежде всего их элементарный состав: А, А_n - катионы, X или [ВХ_m] - анионы; n или m - число атомов (ионов) в формуле. Способ написания химических формул отражает не только состав минералов, но и их кристаллическую структуру: квад­ратными скобками выделяются атомы или группировки ато­мов (комплексные радикалы), определенным образом связан­ные друг с другом в кристаллической решетке; в круглые скобки заключены химические элементы, способные зани­мать место друг друга в кристаллической решетке, т.е. обладают атомами или ионами одинакового размера и близкими химическими свойствами.

Первый тип состоит из одного класса и объединяет минералы, состоящие из одного элемента, второй тип объединя­ет три класса, состоящие из минералов относительно просто­го химического состава (А_nX_m) и, наконец, третий тип наиболее обширный по числу классов и минералов, имеющих более сложный химический состав и включающих комплексные радикалы (A_n[ВХ_m]). Таким образом, последовательность типов и классов минералов от 1 до XII отражает рост сложности их химического состава и кристаллической структуры.

В нижеследующем описании классы минералов располагаются в соответствии с принятой классификацией.

В описании дается общая характеристика классов минералов. Описание минералов дается в приложении к настоя­щему пособию (Практикум по геологии), в которое включены наиболее распространенные и практически значимые мине­ралы

 

Класс 1. Простые вещества (самородные элементы).

В этот класс входят минералы, состоящие из одного элемента. В земной коре в самородном состоянии встречается более 30 минералов, преимущественно химически инертных. Это прежде всего, благородные металлы (золото, серебро, платина и др.), цветные металлы (медь, ртуть, свинец), нем­еталлы (углерод, сера), а также газы (кислород, азот, гелий и др.). Многие из этих элементов встречаются в природе в не­скольких структурных разновидностях, например, углерод в форме алмаза или графита.

Самородные металлы характеризуются сходными особенностями: наилучшая электро- и теплопроводность, силь­ный металлический блеск, высокий удельный вес. Минералы весьма устойчивы к физико-химическим воздействиям - не разрушаются при выветривании, не истираются механически, часто накапливаются в россыпях из-за своей тяжести. Среди самородных элементов наиболее широко распространены графит и сера.

 

Класс II. Сульфиды.

К классу сульфидов относится более 200 минералов, представляющих собой сернистые соединения различных металлов (железо, медь, свинец, цинк, ртуть и др.). Сульфиды имеют ограниченное распространение, но вместе с тем крайне важны как основные руды перечисленных выше металлов. Общими отличительными признаками сульфидов являются непрозрачность, металлический или алмазный блеск, сравни­тельно небольшая твердость, высокий удельный вес. Суль­фидные минералы с алмазным блеском часто называют об­манками (сфалерит или цинковая обманка), а с металличе­ским - блесками (галенит или свинцовый блеск).

Сульфиды образуются главным образом в высокотемпературных гидротермальных жилах при эндогенных (магмати­ческих) процессах. На земной поверхности сульфиды неус­тойчивы, легко окисляются и могут нанести большой ущерб для окружающей среды (тяжелые металлы)

 

Класс III. Галоиды.

Класс галоидов включает в себя около 100 минералов, представляющих собой хлориды и фториды металлов - соли соляной и плавиковой кислот.

Наибольшее распространение в природе имеют хлориды калия (сильвин), натрия (галит) и магния (карналлит), которые образуются в результате осаждения из морских вод е жар­ком и сухом климате. В месторождениях ископаемых солей хлориды образуют мощные залежи каменной и калийной солей в толщах осадочных пород. В жизни человека хлориды превосходят все другие минеральные виды, за исключением воды.

Хлориды гигроскопичны, хорошо растворяются в воде, обладают сильным соленым или горько-соленым вкусом, совершенной спайностью, низкой твердостью и небольшим удельным весом.

В отличие от хлоридов, фториды не образуют в земной коре больших скоплений, встречаются редко, образуются главным образом в гидротермальных и пневматолитовых жилах, т.е имеют эндогенное происхождение. Наиболее распро­страненным минералом фторидов является флюорит (CaF₂), который занимает  четвертую   позицию   в  шкале твердости Мооса, служит сырьем для получения фтора.

Хлориды всегда присутствуют в подземных и поверхностных водах и являются основными источниками засоления почв, что существенно снижает их продуктивность.

 

Класс IV. Окислы и гидроокисям.

Соединения металлов с кислородом [окислы) составляют обширный класс минералов, включающий распространенные и практически важные минеральные виды. Все устойчивые в условиях темной коры окислы нерастворимы в воде и слабо поддаются выветриванию.

Существуют окислы простые и сложные (содержат атомы нескольких элементов), безводные и гидроокислы. Кроме этого, по составу класс делят на две большие группы; в пер­вую группу входят окислы и гидроокислы кремния (кварц, халцедон, опал), во вторую - окислы и гидроокислы металлов (железа, марганца, хрома, алюминия и др.). Во вторую группу входят такие минералы как корунд (ювелирные разновидно­сти - рубин и сапфир), гематит и др.

Безводные окислы (кварц, корунд, касситерит, рутил и др.) образуются преимущественно при эндогенных процессах_; а водные окислы - в экзогенных условиях при выветри­вании горных пород, руд и переотложении продуктов их вы­ветривания.

Большинство окислов - промышленно ценные рудные минералы важнейшие металлы (железо, алюминий, хром, марганец, титан, олово, уран) получают в основном из их природных окислов и гидроокислов.

 

Класс V. Титанаты.

В этот класс объединена сравнительно небольшая группа минералов, представленных кислородными соединениями металлов, близкие к сложным окислам, но отличающиеся от них кристаллической структурой. Типичными представителями титанатов являются ильменит (FeTiO₃) и перовскит (CaTiO₃).

Титанатам свойственны темная окраска, отсутствие спайности, раковистый излом, смолистый блеск. Происхож­дение титанатов эндогенное (пегматитовое), т.е. образуются на начальных стадиях остывания магмы в пегматитовых жи­лах. Используются в качестве руды на титан.

 

Класс VI. Нитраты.

Минералы данного класса представляют собой соли азотной кислоты (HNO₃), включают в себя лишь несколько минералов (селитра KNO₃, натриевая селитра – NaNО₃), имеют ограниченное распространение. Все природные нитраты легко растворимы в воде, обладают весьма низкой твер­достью, представляют собой белые, светлоокрашенные мине­ралы в виде землистых масс, кристаллических корочек или выцветов, солоноваты на вкус.

Образуются нитраты исключительно при экзогенных процессах, часто в связи с разложением органических остатков и деятельностью бактерий. Встречаются только в очень сухом климате, например, в пустынях Чили.

Натриевая селитра и селитра - важнейшее азотное удобрение, применяется в химической промышленности, в произ­водстве пороха, других взрывчатых веществ, а также в сте­кольной и даже пищевой промышленности (при кон­сервировании мясных и рыбных продуктов),

 

Класс VII. Карбонаты.

Минералы этого класса - соли угольной кислоты (Н₂СОз) широко распространены в земной коре (около 100 видов), что обусловлено высоким содержанием в коре кислорода, углерода и связанных с ними металлов (железо, кальций, марга­нец, магнии).

В классе карбонатов различают безводные (простые и сложные) и водные карбонаты. Сложные безводные карбонаты представляют собой двойные углекислые соли различных металлов,  а водные (гидрокарбонаты) содержат в решетке гидроксилы или кристаллизационную воду.

Из общих для всех карбонатов особенностей следует отметить невысокую твердость (кальцит входит в шкалу Мооса на третьей позиции), повышенную растворимость в разбав­ленных кислотах, обычно хорошую спайность.

Многие карбонаты бесцветны и прозрачны. Исключение составляют гидрокарбонаты меди, окрашенные в яркие синие (азурит) и зеленые (малахит) цвета.

Большинство карбонатов имеет экзогенное происхождение, широко распространены карбонаты гидротермального происхождения при средних и низких температурах припо­верхностных условий.

Минералы класса карбонатов имеют широкое практическое применение в металлургии, химической промышленно­сти, оптике, в ювелирном деле, а также в качестве красивого отделочного и декоративного материала.

 

Класс VIII. Сульфаты.

Природные сульфаты - соли серной и сернистой кислот - известны для многих металлов (Са, Ва. Sr, Na, К и др.) весьма многочисленны и пользуются широким распространением. Характеризуются они малой устойчивостью, небольшой твердостью и легкой растворимостью.

Это объясняется крупными размерами комплексного аниона [SО₄]₂, который образует устойчивые кристаллохимические структуры с катионами с большими ионными ра­диусами,

Различаются простые, сложные и водные сульфаты. Они образуются как при эндогенных (барит), так и при экзогенных (большинство сульфатов) процессах. В последнем случае различают сульфаты осадочного происхождения (усыхающие озе­ра, лагуны, заливы и т.п.) как, например, гипс, мирабилит и др., а также гипергенные сульфаты, образующиеся в зоне окисления рудных месторождений цветных металлов.

Большинство сульфатов окрашены в белые цвета или бесцветны (гипс, ангидрит), голубая окраска характерна для целестина, в яркие зеленоватые цвета окрашены минералы, содержащие медь.

Сульфаты добываются для технических целей (гипс, барит), для химической промышленности (мирабилит) и как ру­ды марганца и др.

Распространенные минералы класса сульфатов: барит, целестин, ангидрит, гипс, мирабилит, алунит и др.

 

Класс IX. Хроматы, вольфраматы, молибдаты.

Природные хроматы (соли хромовой кислоты), вольфраматы (соли вольфрамовой кислоты) и молибдаты (соли мо­либденовой кислоты) встречаются редко, но, несмотря на это, имеют важное практическое значение. Образуются они пре­имущественно в зоне окисления рудных месторождений (хроматы, молибдаты), либо в высокосреднетемпературных гидротермальных месторождениях (вольфроматы). Типичные представители класса: вольфрамит - (Mn, Fe) [WO₄], шеелит -Ca[WO₄] и крокоит- Рb[СгО₄].

Вольфрамит - важнейшая вольфрамовая руда используется в производстве специальных сортов сталей и сплавов, в электротехнике (нити накаливания электроламп) и др. Шее­лит, как и вольфрамит, является рудой на вольфрам

 

Класс X. Фосфаты.

Природные фосфаты - соли фосфорной кислоты, где анион [РО₄] - многочисленны и весьма разнообразны по составу. Наиболее распространены минералы группы апатита. Обра­зуются они как при эндогенных (пегматитовые, гидротер­мальные месторождения), так и при экзогенных (в осадочных породах) процессах. Существуют простые и сложные, водные и безводные фосфаты Форма выделения, окраска и другие физические свойства минералов отличаются большим разнообразием и зависят от входящих в их состав металлов (желе­зо, медь, алюминий и др.). Твердость их невелика (апатит за­нимает пятую позицию в шкале твердости Мооса), цвет и удельный вес зависят от катионного состава. Минералы легко растворяются в кислотах.

Наибольшее практическое значение имеет апатит - камень плодородия, который используется для получения фосфора и его соединений, в металлургии и стекольной промышленное™. Другой распространенный минерал - бирюза применяется как красивый драгоценный камень ярко синего цвета.

 

Класс XI. Бораты.

Природные соли борной кислоты - бораты - известны для Mg, Fe, Mn, Ca, Na других элементов, но наиболее распространены бораты Mg и Са. Класс включает в себя ограниченное число минералов, их общее содержание в земной коре не пре­вышает тысячные доли процента. Известны безводные и водные бораты Большинство боратов имеют экзогенное происхожде­ние: осаждаются из вод замкнутых усыхающих бассейнов (озер, лагун), вследствие чего они находятся в сочетании с хлоридами и сульфатами, образующимися в аналогичных условиях. Бораносные озера - главный источник получения промышленного пора и его соединений. Бораты имеют белый цвет или бесцвет­ны, образуют натечные агрегаты и скопления. Твердость и удельный вес низкие. Несмотря на ограниченное расп­ространение бораты весьма ценны как источник получения борной кислоты, буры и других соединений бора.

 

Класс XII. Силикаты и алюмосиликаты.

Минералы этого класса представляют собой солеобразные природные химические соединения, содержащие SiO₂. Основу кристаллохимической структуры силикатов составля­ет кремнекислородный тетраэдр [SiO₄]₄, в центре которого находится ион кремния. Иногда часть атомов (ионов) крем­ния замещается ионами алюминия и такие минералы называ­ются алюмосиликатами.

Силикаты - наиболее распространенные природные неор­ганические соединения: они составляют 75-80% всей земной коры и более 30% всего количества известных минералов. Большинство породообразующих минералов - силикаты; существенно силикатный состав имеют все изверженные и подавляющее большинство осадочных и метаморфических горных пород.

Подавляющее большинство силикатов имеет магматическое или метаморфическое происхождение.

Строение кристаллических решеток силикатов сложно и разнообразно, поэтому класс силикатов делится па несколько подклассов, объединяющих минералы сходного строения и свойств. В их числе I) островные, 2) кольцевые, 3) цепочечные, 4) слоистые и 5) каркасные силикаты.

1) Островные силикаты. В этот подкласс входят мине­ралы (оливин, гранат, топаз и др.), решетка которых состоит из изолированных кремнекислородных тетраэдром. Благодаря плотной упаковке ионов, минералы обладают большой твердостью. Физические характеристики минералов зависят от состава и происхождения.

Оливин (Mg. Fe)₂[SiO₄] - прозрачен, имеет зеленый или зеленовато-черный цвет, хрупкий, твердость 6-7. Происхождение магматическое, образуется при остывании магмы бед­ной кремнеземом преимущественно в пегматитовых жилах. Применяется для изготовления огнеупорных кирпичей

Гранат (Са_зА₁₂)[SiO₄]₃ образует правильные кристаллы в виде изометричных многогранников. Цвет минерала золотисто-желтый, винно-желтый и буровато-красный, красный. Твердость 6-7, удельный вес 3-4 г/см³ . Происхождение маг­матическое, метаморфическое, пегматитовое. Применяется для изготовления различных абразивных материалов. Крупные и интенсивно окрашенные прозрачные кристаллы грана­та используются в ювелирном деле.

Топаз Al₂[SiO₄](OH,F)₂ - правильные кристаллы, иногда крупные до гигантских (25-30 кг) призматической формы. Цвет в зависимости от примесей желтоватый, розовый, голубоватый, фиолетовый, также бесцветный, водяно-прозрачный. В шкале твердости Мооса занимает 8 позицию. Характерный минерал пегматитов в сочетании с кристаллами горного хрусталя (кварц).

Прозрачные, бесцветные или слабоокрашенные в голубой, розовый или винно-желтый цвета топазы относятся к драгоценным камням второго класса.

2) Кольцевые силикаты. Сравнительно небольшой по числу минералов (турмалин, берилл и др.) подкласс силикатов, состоящих из замкнутых колец кремнекислородных тет­раэдров [S1O₄]. Форма колец и определяет форму соответст­вующих геометрически правильных кристаллов преимущест­венно столбчатого или призматического облика. Они ха­рактеризуются высокой твердостью, лишены выраженной спайности, прозрачны и часто содержат примеси хромофо­ров, окрашивающих их в разнообразные красивые цвета, по­этому среди них много ювелирных, поделочных камней.

Турмалин - минерал сложного и переменного химическо­го состава (более 10 элементов). Призматические кристаллы столбчатой, игольчатой формы, достигающие иногда 1 м в длину. В зависимости от примесей - хромофоров цвет чер­ный, желтый, розовый, зеленый, красный и т.п. Про­исхождение магматическое, высокотемпературное в пегматитовых и гидротермальных месторождениях.

Розовые, зеленые, синие и прозрачные разности турма­лина используются в ювелирном деле как полудрагоценный и поделочный камень.

Берилл- Al₂Be3[SiO₁₈] образует шестиугольные, столбчатые или призматические кристаллы от нескольких миллиметров до 3-5 м весом до 16 т. Цвет разнообразен и зависит от примесей, что служит для выделения разновидное теп берил­ла: аквамарин - прозрачный голубой или зеленовато-голубой; гелиодор - прозрачный золотистый; изумруд, или смарагд -густо крашенный травяно-зеленый, прозрачный.

Происхождение    магматическое    высокотемпературное (пегматитовое, гидротермальное).

Главный источник бериллия, применяемого в рентгенов­ских трубках, атомной промышленности, а также в керамике. Окрашенные прозрачные разновидности берилла (изумруд, аквамарин, гелиодор) известны как драгоценные камни пер­вого класса.

3) Цепочечные силикаты. Название происходит от строе­ния кристаллической решетки, в которой кремнекислородные тетраэдры расположены в виде одинарных или спаренных цепочек. Подкласс включает в себя большое число минера­лов, которые делятся на две группы в зависимости от распо­ложения цепочек - пироксены и амфиболы.

Цепочные силикаты образуют кристаллы, резко вытяну­тые в одном направлении, т.е. вдоль цепочек. Окраска мине­ралов зависит от присутствия хромофоров (Fe, Mn), боль­шинство окрашено в темные цвета вплоть до черного

Происхождение и характеристика цепочных минералов рассмотрим на примере наиболее распространенных представителей пироксенов - авгита и амфиболов - роговой обманки.

Авгит - Ca₄(Mg,Fe)₃Alx[(Si,Al)₂O₆]₄ призматические кри­сталлы черного, зеленовато-черного цвета твердостью 5-6.

Происхождение магматическое, породообразующий ми­нерал многих ультраосновных и основных горных пород (пироксенит. перидотит, габбро и др.).

Роговая   обманка - Ca₂Na(MgFe+2)₄x[(SiAl)₄O₁₁(OH)₂, призматические,  столбчатые  кристаллы  зеленовато-бурого, зеленовато-черного цвета твердостью 5,5-6,0. Происхождение магматическое, типичный минерал гранитоидов, габброидов и метаморфических пород.

4) Слоистые силикаты. Подкласс охватывает большое число минералов, в том числе широко распространенные породообразующие минералы. Название подкласса происходит от расположения кремнекислородных тетраэдров в виде пло­ских слоев, параллельных основанию кристалла, что обу­словливает их слоистое, листоватое, пластинчатое строение. Кристаллы прозрачны или полупрозрачны в тонких пластин­ках, обладают стеклянным блеском и небольшой твердостью (от 1 до 4).

Все слоистые силикаты богаты летучими компонентами -водой, фтором и др. К слоистым силикатам относятся тальк, слюды, хлориты, а также глинистые минералы - каолин, монтмориллонит, гидрослюды и др.

Тальк - Mg₃[Si₄O₁₀](OH)₂ образует листоватые и чешуйчатые агрегаты или таблитчатые кристаллы, легко расщеп­ляющиеся на тонкие пластинки и листочки. Цвет светло-зеленый, иногда белый, а может быть и бесцветным. Твер­дость 1, т.е. минерал является эталоном самой низкой твердо­сти по шкале Мооса. Образуется при гидротермальной пере­работке ультраосновных горных пород (пироксениты, пери­дотиты и др.) или в результате метаморфизма осадочных по­род богатых магнием (доломиты).

Применяется в виде порошка в медико-гигиенических целях, в парфюмерии, косметике и др.

Слюды - широко распространенные минералы, на долю которых приходится около 4% массы земной коры. По хими­ческому составу выделяют магнезиальные (флогопит, биотит) и калиевые (мусковит) слюды. Все слюды имеют магматиче­ское происхождение, образуются в эндогенных условиях в гранитных пегматитах, в ультраосновных и щелочных поро­дах, а также на контакте магнезиальных осадочных пород.

Практическое значение имеют все слюды: мусковит и флогопит в электро- и радиотехнике, приборостроении как диэлектрик, электроизолятор в конденсаторах и радиолампах и др.

5) Каркасные силикаты и алюмосиликаты. Подкласс включает большое число распространенных (преимущественно породообразующих) минералов, построенных из алюмо- и кремнекислородных тетраэдров [SiO₄] и [А1О₄] и обра­зующих трехмерный каркас. Внутри каркаса располагаются щелочные или щелочно-земельные металлы (Na, К, Са, Ва и др.). Общими свойствами каркасных минералов являются: светлая окраска, относительно высокая твердость, небольшой удельный вес, изометричная форма кристаллов.

Происхождение минералов преимущественно магматическое, реже пегматитовое и метасоматическое на контакте щелочных гранитов и пегматитов с известняками и доломи­тами

Каркасные силикаты делятся на две группы: фельдшпатиты (лазурит, нефелин и др.) и полевые шпаты (ортоклаз, плагиоклаз и др.)

Лазурит - Na₆Ca₂[AlSiO₄]₆(SO₄,S)₂ плотные сплошные массы, кристаллы редки Цвет интенсивный лазурно - или васильково-синий, непрозрачен. Встречается редко.

Происхождение метасоматическое - на контакте щелоч­ных гранитов и пегматитов с известняками или доломитами.

Лазурит - один из самых распространенных поделочных камней, а также сырье для изготовления стойких темно-синих и лазурно-голубых красок.

Ортоклаз - (K,Na) [AISl₃O₈] призматические и таблитчатые кристаллы неправильной формы. Отдельные кристаллы могут достигать 2-3 м и более в поперечнике. Цвет белый, светло-желтый, бледно-розовый до мясо-красного. Бесцвет­ная разновидность - адуляр или ледяной шпат, зеленая - амазонит.

Весьма распространенный минерал. Происхождение магматическое, метаморфическое, метасоматическое.

Главный потребитель ортоклаза - производство фарфора, фаянса, стеклоделие в качестве добавки и производство гла­зурей и эмалей.