Курс лекций: Основы геологии

Некоторые вещества могут существовать в нескольких кристаллических фазах. Такого рода структуры называют полиморфными модификациями. Самый яркий пример - полиморфные превращения углерода. При температуре 1000 оС алмаз легко переходит в графит. В то же время переход графита в алмаз может быть осуществлен лишь при температурах выше 3000 оС и давлениях до 108 Па.

Габитус кристаллов - этот термин служит для обозначения характерной формы, в которой минерал, как правило, кристаллизуется. Зная обычный внешний облик кристаллов какого-либо минерала, можно определить его визуально. У многих минералов отмечаются закономерные срастания кристаллов по определенным граням - двойники. Следует упомянуть о конкрециях и секрециях, представляющих собой особые формы кристаллизации минерального вещества. Конкреции растут от центра к периферии, а секреции от периферии к центру. Получаются характерные концентрически-зональные образования.

3.3 Геологические процессы образования минералов

Процессы минералообразования подразделяются на эндогенные, протекающие в глубинах Земли, и экзогенные, происходящие на поверхности. Большое практическое значение имеют парагенетические ассоциации - закономерные сообщества одновременно образовавшихся минералов, возникшие в течение одной стадии минерализации. Это означает, что при находке одного минерала весьма вероятны находки его парагенетического спутника. Классический пример такого рода - совместное образование алмаза и пиропа. Алмаз сверкает всеми цветами радуги только на солнце; без солнечного света он похож на обычное стекло и в россыпи не виден. Зато пироп (разновидность граната) хорошо заметный, он яркого алого цвета; зерна пиропа встречаются в сотни раз чаще алмаза. Находки пиропов - благоприятный признак при поисках алмазов.

В справочных пособиях по определению минералов обычно указывают, какие парагенетические ассоциации характерны для данного минерала; такие сведения облегчают диагностику. Употребляется также понятие отрицательного (запрещенного) парагенезиса, указывающее на невозможность совместного образования при данных условиях определенных сочетаний двух или нескольких минералов, например, кварца и нефелина, диопсида и кордиерита и др.

3.3.1 Эндогенные процессы минералообразования

Эндогенные (или гипогенные, глубинные) процессы происходят в недрах Земли и протекают в условиях высоких давлений, температур и действия горячих флюидов (водных растворов и газов).

Магматический процесс протекает непосредственно в магматическом расплаве при его остывании. Вначале кристаллизуются тугоплавкие, а затем легкоплавкие минералы. Они распределяются в расплаве по удельному весу. Тяжелые опускаются вниз, а легкие всплывают и концентрируются в верхних частях магматического массива. Магматическое происхождение имеют многие практически важные минералы - руды хрома, никеля, меди, железа, платина, апатит и др. Крупнейшее в мире месторождение полиметаллических сульфидных руд в районе Норильска имеет магматическое происхождение. Пегматитовый процесс связан с кристаллизацией остаточного магматического расплава, обогащенного летучими соединениями. Пегматиты - крупнозернистые и гигантозернистые тела преимущественно жильной и линзообразной формы; для них характерны слюды, турмалин, берилл, сподумен, танталит, колумбит, минералы редких земель. Пегматиты чрезвычайно интересны в практическом отношении. Они являются единственным источником слюды - мусковита, источником редких металлов - лития, бериллия, олова, цезия, тантала и ниобия, редких земель, а также керамического и пьезооптического сырья (пьезокварц) и др. Пегматитовые жилы могут достигать нескольких километров в длину и нескольких десятков метров мощности. Самые крупные в мире кристаллы добыты именно из пегматитов. В пегматитах на Слюдянке в окрестностях Байкала были встречены кристаллы мусковита массой в 1 т; пластины биотита могут достигать 7 м2 (Норвегия); кристаллы сподумена - минерала, содержащего литий, достигают 14 м в длину (Южная Дакота, США); в пегматитах Волыни добыты крупнейшие в мире кристаллы топаза массой до 117 кг.

Пневматолитовый тип минералообразования связан с газообразными и летучими веществами, выделяющимися из магмы. Минералы образуются как за счет непосредственного выделения из газов (возгоны), так и за счет взаимодействия с окружающими породами. Вулканические газы в огромных количествах уходят в атмосферу при извержениях. О количестве выделяющихся газов можно судить по следующим данным. В долине Десяти Тысяч Дымов на Аляске фумаролы Катман выделили за один год 1 250 000 т HCl и 200 000 т HF [1]. Один из основных конусов Этны при извержении выделял столько водяного пара, что при его конденсации получалось бы около 20 млн. л воды в сутки. Промышленное значение минералов вулканического образования ограниченное. Это в первую очередь самородная сера (содержащая иногда селен), небольшие месторождения ее известны на Камчатке и Курильских островах, в Японии, Чили и Италии. В Италии также добывается природная борная кислота - сассолин B(OH)3.

Гидротермальный процесс связан с горячими водными растворами, поднимающимися от магматических очагов по различного рода трещинам и разломам земной коры. По мере движения гидротерм к поверхности температура и давление понижаются, и происходит процесс выделения растворенных в них веществ в виде жил. Наиболее благоприятные условия для проявления гидротермальных процессов создаются на малых и средних глубинах (до 3-5 км от поверхности). Причина движения гидротерм - разность давлений. Высокотемпературные (450-300 оС) минеральные тела располагаются ближе к материнской интрузии, в то время как низкотемпературные (ниже 200 оС) более удалены. Это приводит к зональному расположению продуктов гидротермального процесса по отношению к той интрузии, которой они обязаны своим происхождением. Гидротермальное происхождение имеет большинство руд цветных, редких и радиоактивных металлов, а также различные неметаллические полезные ископаемые. Гидротермальное минералообразование проявляется также в конце пегматитового процесса.

Метаморфические процессы происходят в недрах земной коры без переплавления исходного вещества. Непременными факторами являются высокое давление и температура. При региональном метаморфизме общий химический состав пород обычно мало меняется, а минеральные, структурные и текстурные изменения обусловлены в основном физическими условиями во время перекристаллизации. Однако процесс может проходить также с привносом или удалением некоторых веществ, которые перемещаются в виде ионов вместе с газами или жидкостями. В таком случае химический состав исходных минералов меняется.

3.3.2 Экзогенные процессы минералообразования

Процессы выветривания выражаются в механическом разрушении горных пород и химическом разложении минералов. Физическое выветривание не приводит к образованию новых минералов, но оно способствует диспергированию исходных пород, а это облегчает циркуляцию воды и углекислого газа, которые приводят к химической переработке вещества. При химическом выветривании неустойчивые на поверхности Земли минералы претерпевают химические изменения и превращаются в другие минералы, устойчивые в поверхностных условиях. Органическое выветривание происходит с участием органических кислот и продуктов жизнедеятельности организмов; особенно велика роль бактерий.

Осадочные процессы связаны с отложением растворенных в воде минеральных веществ. Эти процессы идут главным образом в озерах и морских бассейнах.

Органогенные, или биогенные, процессы - это процессы образования минералов за счет остатков живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Например, янтарь - затвердевшая смола хвойных деревьев, а жемчуг продуцируют морские моллюски.

3.4 Химическая классификация минералов

Во всех минералогических музеях мира коллекции минералов составляют по их химическому составу. Минералы классифицируются на пять основных типов: 1) самородные элементы; 2) сульфиды; 3) галогениды; 4) оксиды; 5) кислородные соли (карбонаты, сульфаты, вольфраматы, фосфаты и др.; силикаты и алюмосиликаты). Приведем их краткую характеристику.

3.4.1 Самoродные элементы

Минералы этого типа представляют собой простые вещества, поэтому их и называют самородными элементами (табл. 3.2). Сюда относится небольшое количество минералов, редко встречающихся в природе, но имеющих большое практическое значение. Самородные элементы устойчивы в поверхностных условиях, на воздухе они не окисляются, и поэтому встречаются в чистом виде.

Таблица 3.2

Самородные элементы

3.4.2 Сульфиды

Этот тип объединяет свыше 250 минералов. У сульфидов металлический блеск, большой удельный вес, черная или цветная черта. Многие минералы имеют важное промышленное значение. В химическом отношении сульфиды представляют собой соли сероводородной кислоты (табл. 3.3).

Таблица 3.3

Сульфиды

3.4.3 Галогениды

В химическом отношении минералы этого типа представляют собой соли кислот HCl, HF, HBr, HJ (табл. 3.4). Большинство из них имеют небольшую твердость, малый удельный вес, стеклянный блеск. Многие минералы хорошо растворяются в воде.

Таблица 3.4

Галогениды

3.4.4 Оксиды

В химическом отношении оксиды представляют собой соединения элементов с кислородом. Оксиды широко распространены в природе и нередко имеют важное промышленное значение (табл. 3.5). Один из самых распространенных на Земле минералов, кварц, относится к этому типу.

Таблица 3.5

Оксиды

3.4.5 Кислородные соли

В химическом отношении являются соединениями кислородсодержащих кислот. Это самый многочисленный тип минералов, в состав которых входят карбонаты, сульфаты, фосфаты, молибдаты, ванадаты, силикаты и др. (табл. 3.6). Одна только группа полевых шпатов составляет около 60 % массы земной коры.

Таблица 3.6 Соли кислородных кислот

Минералы обладают множеством разнообразных физических свойств, которые позволяют проводить их диагностику, т.е. определение. К физическим свойствам, используемым для быстрого определения, относятся блеск, твердость, цвет, цвет черты, спайность, излом, удельный вес и многие другие. Некоторые минералы обладают одной настолько ярко выраженной характеристикой, что она позволяет сразу определить данный образец.

Например, магнитная стрелка реагирует на магнетит; корунд оставляет царапину на любом минерале (кроме алмаза, но алмазы не хранят даже в обычных минералогических музеях, не говоря уже об учебных коллекциях); белый шелковистый асбест легко расщепляется на тонкие волокна; золото имеет необычайно большой удельный вес; черный непрозрачный гематит оставляет вишневую черту на пластинке неглазурованного фарфора; гипс можно поцарапать ногтем; графит пишет на бумаге; исландский шпат обладает двойным лучепреломлением; чароит имеет редкий сиреневый цвет; слюды легко расщепляются на тонкие пластинки; в родоните часто видны дендриты из оксидов марганца. Чтобы диагностировать кальцит, можно разбить образец молотком (рис. 3.4), и он распадется на кусочки, грани у которых расположены под определенными углами. Способность минерала раскалываться по определенным плоскостям называется спайностью.