Свойства минералов

А б

А б

А б

А б в

А б в

Рис. 1. Схематическое изображение строения кристаллических решёток некоторых минералов: а ‑ поваренной соли, б ‑ кварца, в ‑ магнетита

Иногда при одинаковом химическом составе минерала кристаллическая решетка может быть разной, при этом физические свойства минерала могут существенно меняться. Примером такого явления являются алмаз и графит, имеющие идентичный химический состав, но различные по кристаллическому строению: алмаз имеет кристаллическую решётку с кубической симметрией, а графит ‑ с гексагональной (кристаллы в виде шестиугольных призм). Способность твердых веществ образовывать при одинаковом химическом составе различные по строению кристаллические решетки называется полиморфизмом. Следует учитывать, что даже одна полиморфная модификация минерала может иметь разные формы кристаллов. Если кристаллы имеют один и тот же тип симметрии, например, формируют тетрагональные (четырёхугольные) призмы или пирамиды, то минерал имеет те же физические свойства, и этот случай не рассматривается как полиморфизм. Если же соединение существует в виде аморфного и кристаллического, либо симметрия кристаллов различается (как, например, у куба и ромбической призмы), то физические свойства у минералов разные, и говорят о существовании полиморфизма.

По происхождению минералы разделяются на эндогенные (образовавшиеся в глубинах Земли или из магмы, изверженной из глубин земли) и экзогенные, или гипергенные (образовавшиеся на поверхности Земли). Это разделение не строгое, поскольку один и тот же минерал может образовываться в разных условиях.

Самая удобная группировка минералов – по их химическому составу. Эта система была предложена В XIX в. шведским учёным И. Берцелиусом и используется до сих пор с незначительными изменениями. Наибольшее распространение имеет 10 классов минералов:

1. Самородные элементы

2. Сульфиды

3. Галоидные соединения

4. Оксиды и гидроксиды

5. Карбонаты

6. Фосфаты

7. Сульфаты

8. Нитраты

9. Силикаты и алюмосиликаты

10.Углеводородные соединения

Нетрудно заметить, что более половины классов – соли минеральных кислот. Таким образом, химическая классификация минералов производится по анионной части. В зависимости от типа сцепения атомов и основных радикалов выделяются подклассы минералов. Подклассы делятся на группы по сходности структуры и близости химического состава.

Помимо десяти перечисленных классов иногда выделяются дополнительно классы селенидов, хроматов, молибдатов и т. д. Поскольку эти классы включают малое количество крайне редких минералов, в большинстве работ их объединяют с классами, соответствующими им по структуре: теллуриды, селениды и арсениды объединяются с сульфидами, хроматы, молибдаты и вольфраматы ‑ с сульфатами, а арсенаты и ванадаты ‑ с фосфатами. Мы в дальнейшем не будем рассматривать представителей перечисленных классов.

Дадим краткую характеристику каждого класса и его основных представителей.

1. Самородные элементы

Это минералы, состоящие из одного элемента. Хотя они встречаются редко и составляют всего 0,1% от веса земной коры, их значение для человека велико. Достаточно перечислить представителей этой группы:

- алмаз С

- графит С

- сера S

- золото Аu

- серебро Аg

- медь Сu

Значительно реже в самородном виде встречается железо, которое более склонно формировать химические соединения. Крайне редки в природе самородки редких металлов: палладия (Pd), осмия (Os), иридия (Ir). Большинство минералов этой группы встречается преимущественно или только в самородном виде (Au, Ag, Pt, Pd, Ir, Os). Происхождение почти всех самородных элеменотов эндогенное, чаще всего гидротермальное. Исключением является сера, которая может иметь как эндогенное, так и экзогенное происхождение. Отдельно рассматривается самородный углерод, образующий две базовых полиморфных модификации: алмаз и графит. Алмаз образуется в результате магматических процессов; чаще всего он встречается в кимберлитах, интрузивных телах типа некков. Графит формируется из богатых органическим веществом осадочных пород в результате процессов метаморфизма.

Существует ещё несколько более редких модификаций самородного углерода: лонсдейлит, чаоит и фуллерен. Первые два сходны с алмазом, отличаясь формой кристаллов и несколько меньшей плотностью. Фуллерен (С₆₀) представляет из себя кристалл шарообразной формы; он был сначала синтезирован, а затем обнаружен в природе в углях и шунгитовых сланцах.

2. Сульфиды

Это минералы общей формулы Ме_nS_m, где Ме – катион металла. Эти минералы также встречаются сравнительно редко (<2% от массы земной коры), чаще всего в виде руд. Их ценность заключается в том, что в эту группу входят минералы, являющиеся основными рудами на свинец, медь, цинк и ряд других цветных металлов. Кроме того, самый распространённый представитель этой группы, пирит, используется для производства серной кислоты. Представители этой группы:

- пирит (серный колчедан) FеS₂

- марказит (гребенчатый колчедан) FеS₂

- пирротин (магнитный колчедан) FеS

_- халькопирит (медный колчедан) СuFеS₂

- галенит (свинцовый блеск) РbS

- сфалерит (цинковая обманка) ZnS

- киноварь НgS

Пирит и марказит являются примером явления полиморфизма, т. е. при одинаковом химическом составе имеют разную форму кристаллов и отличаются по физическим свойствам. Происхождение большинства сульфидов эндогенное, чаще всего гидротермальное. Исключением является пирит, который часто формируется на поверхности Земли и является типичным минералом некоторых осадочных пород и почв.

3. Галоидные соединения

К галоидным соединениям относят соли соляной и плавиковой кислоты (естественные соединения брома и йода существуют, но являются крайне редкими). Хлориды ‑ экзогенного происхождения; большинство из них хорошо растворимо в воде. Фториды имеют эндогенное происхождение. Представители:

- галит (поваренная соль) NаСl

- сильвин КСl

- сильвинит NаСl·КСl

- карналлит КСl·МgСl₂·6Н₂О

_- флюорит (плавиковый шпат) СаF₂

- криолит Na₃AlF₆

Из галоидных соединений наибольшее распространение имеет галит, или поваренная соль, минерал, употребляемый человеком в пищу; помимо этого, галит является основным источником натрия и хлора для химической промышленности. Cильвин и карналлит используются в качестве удобрений. Флюорит и криолит используются преимущественно как флюс при выплавке стали и алюминия.

Встречаются галоидные соединения в осадочных породах преимущественно морского происхождения. Такие минералы, как галит, сильвин и карналлит часто формируются в почвах аридных (сухих) областей; особенно характерны они для галоморфных почв, солончаков.

На примере галита и сильвина мы рассмотрим еще одно явление, характерное для многих минералов. В галите часть ионов натрия всегда замещена калием, также как в сильвине всегда присутствует натрий. Если натрий и калий присутствуют в примерно равных количествах, мы называем такой минерал сильвинитом. Явление эквивалентного замещения катиона или аниона в кристаллической решетке минерала называется изоморфным замещением. Непрерывный ряд минералов с разной степенью замещения определенного элемента другим элементом(как мы наблюдаем в ряду галит‑сильвинит‑сильвин) называется изоморфным рядом. При этом название минерала может изменяться или оставаться одним для всего ряда.

Следует обратить внимание на форму записи формул минералов изоморфных рядов. Например, сильвинит может быть записан тремя равнозначными способами: NаСl·КСl, (Na,K)Cl и NaKCl₂. Выбор записи зависит только от пристрастий автора и, в некоторой степени, от традиций. Также отметим, как в формуле обозначается присутствие кристаллизационной воды (т. е. воды, включённой в кристаллическую решётку и не удаляемую простым выпариванием): например, в карналлите КСl·МgСl₂·6Н₂О. Даже при другой форме записи основной части формулы кристаллизационная вода записывается через точку: КМgСl₃·6Н₂О.

4. Оксиды и гидроксиды

Оксиды и гидроксиды подразделяются на 2 подкласса:

а) оксиды и гидроксиды кремния,

б) оксиды и гидроксиды металлов.

а) Этот подкласс не всегда осносится к оксидам; ряд исследователей склонен рассматривать оксиды кремния как частный случай каркасных силикатов. Важнейшим оксидом кремния является кварц (SiО₂), который составляет 12% от массы земной коры. Прозрачный кварц называют горным хрусталем, фиолетовый ‑ аметистом, жёлтый ‑ цитрином, чёрный ‑ морионом. Выделяются также скрытокристаллические разновидности: халцедон, кремень, агат, яшма, тигровый глаз. Все оксиды кремния имеют эндогенное происхождение.

Кpoмe квapцa фopмyлy SiO₂ имeют мeнee pacпpocтpaнeнныe минepaлы кpиcтoбaлит, тpидимит и cтишoвит (пpимep явлeния пoлимopфизмa). Kpиcтoбaлит и тpидимит фopмиpyютcя пpи выcoкиx тeмпepaтypax и oбычны пpи извepжeнияx вyлкaнoв. Cтишoвит фopмиpyeтcя тoлькo пpи oчeнь выcoкиx дaвлeнияx и нa пoвepxнocти Зeмли вcтpeчaeтcя в кpaтepax, oбpaзoвaвшиxcя пpи пaдeнии кpyпныx мeтeopитoв. Считается, что в земной мантии оксид кремния присутствует в виде стишовита.

Гидроксид кремния известен только один ‑ это аморфный минерал опал, образующийся при выпадении кремния в осадок из растворов, как поверхностных, так и гидротермальных. Его формула записывается как SiО₂·nН₂О, т. к. он содержит переменное количество воды. Многие разновидности опала используются как полудрагоценные и поделочные камни.

Кварц является обычной составляющей большинства горных пород различного происхождения; соответственно, он входит и в минеральную часть почвы. Тридимит и кристобалит встречаются в почвах, формирующихся на вулканогенных породах. Опал достаточно часто образуется непосредственно в почвах в результате выветривания силикатов, формируя характерные натёки и даже сцементированные горизонты.

б) Из оксидов и гидроксидов металлов более всего распространены соединения железа и алюминия:

- магнетит (магнитный железняк) Fе₃О₄

- гематит (красный железняк) Fе₂О₃

- ильменит (Fе,Тi)₂О₃

- корунд Аl₂О₃

- лимонит (бурый железняк) ‑ смесь минералов:

- гётита FеООН

- и гидрогётита FеООН·nН₂О

- боксит ‑ смесь минералов:

- гиббсита Аl(ОН)₃

- и диаспора АlООН

Магнетит, гематит и лимонит являются важнейшими железными рудами. Наиболее богата магнетитовая руда, несколько менее ‑ гематитовая. Самые бедные лимонитовые, или болотные руды. Минерал ильменит используется как руда на титан (поскольку собственно оксиды титана, рутил, брукит и анатаз, мало распространены в природе). Боксит ‑ основной источник алюминия для промышленности. Корунд не используется в качестве сырья для получения алюминия, так как малораспространен и трудноразрушаем. Известны окрашенные ювелирные разности корунда: красный корунд называется рубин, а синий ‑ сапфир.

Большинство оксидов и гидроксидов может иметь как экзогенное, так и эндогенное происхождение. Магнетит, гематит, ильменит, корунд встречаются в магматических породах; первые два из перечисленных минералов являются также обычными компонентами почв. Гематит, гиббсит и диаспор ‑ минералы, часто образующиеся за счёт гидротермальной деятельности, а также широко распространенные в почвах и существенно определяющие свойства последних. Гётит практически всегда имеет экзогенное происхождение. Гётит и гематит определяют красную и бурую окраску огромного количества почв.

5. Карбонаты

Карбонаты ‑ широко распространенные минералы, имеющие чаще всего экзогенное происхождение. Это типичные минералы осадочных пород и почв. Основные представители:

- кальцит СаСО₃

- магнезит МgСО₃

- доломит СаМg(СО₃)₂

- сидерит (железный шпат) FеСО₃

- малахит Сu₂СО₃(ОН)₂

Самым распространённым карбонатом является кальцит. Прозрачный кальцит называют исландским шпатом, непрозрачный ‑ известковым шпатом. Кальцит формирует такие породы, как известняк и мел. Подавляющее количество кальцита сформировалось за счёт биогенного его накопления. В то же время известен и кальцит гидротермального происхождения. В почвах кальцит накапливается в результате реакции кальция, высвободившегося при выветривании, с углекислым газом почвенного воздуха; особенно часто богаты кальцитом почвы засушливых областей. Кальцит и доломит формируют мрамор. Сидерит ‑ типичный минерал болотных руд; достаточно редко отмечается его эндогенное происхождение. Малахит ‑ красивый поделочный камень; как и близкий к нему по составу и свойствам минерал азурит (Сu₃(СО₃)₂(ОН)₂), он образуется на поверхности Земли в результате окисления сульфидов меди.

6. Фосфаты

Эта малораспространенная группа минералов имеет важное значение в жизни человека, так как апатит, входящий в нее, служит сырьем для изготовления фосфорных удобрений и синтетических моющих средств. Главные представители:

- апатит Са₅(РО₄)₃(ОН,Сl,F)

- вивианит Fе₃(Р0₄)₂·8Н₂О

- бирюза CuAl₆(PO₄)₄(OH)₈·5Н₂О

Апатит может иметь как эндогенное, так и экзогенное происхождение. Гидроксильная группа, хлор и фтор, перечисленные в формуле апатита, означают, что в этом минерале возможно изоморфное замещение указанных анионов, причём самым распространённым является фторапатит, т. е. апатит, в котором фтор преобладает над хлором и гидроксидом.

Вивианит, бесцветный в восстановительных условиях и ярко-синий после окисления минерал, имеет исключительно экзогенное происхождение. Встречается в болотных почвах, поскольку образуется при недостатке кислорода и избытке органического вещества.

Бирюза, красивый голубой или зелёный поделочный камень, также имеет только экзогенное происхождение.

7. Сульфаты

Большинство сульфатов имеет экзогенное происхождение. Основные представители этой группы:

- гипс СаSО₄·2Н₂О

- ангидрит СаSО₄

- мирабилит (глауберова соль) Nа₂SО₄·10Н₂О

- барит (тяжёлый шпат) ВаSО₄

Гипс ‑ самый распространенный из этой группы минерал, встречается как компонент осадочных пород и часто присутствует в почвах тёплых засушливых областей. Добывается в больших количествах во многих странах; используется для изготовления штукатурки, цемента, как наполнитель при изготовлении бумаги и красок, а также в качестве удобрения при мелиорации солонцов. Безводный сульфат кальция, ангидрит встречается реже. Барит образуется как в метаморфических породах, так и в результате экзогенных процессов. Барит используется во многих областях человеческой деятельности в силу своей химической инертности: при изготовлении красок, бумаги, эмалей, а также как утяжелитель шоколада. Мирабилит формируется исключительно путём выпадения в осадок из холодных растворов на поверхности Земли. Встречается в галоморфных почвах. Месторождения обнаруживаются по берегам солёных озёр; используется главным образом для производства соды.

8. Нитраты

Это редко встречающиеся в естественных условиях экзогенные минералы. Все нитраты легко растворимы, поэтому известные их месторождения находятся в крайне сухих жарких областях (в пустынях). Представители:

- калийная (индийская) селитра КNО₃

- натровая (чилийская) селитра NаNО₃

Нитраты используются в качестве азотных удобрений и для получения азотной кислоты и взрывчатых веществ. Поскольку промышленные запасы этих минералов ограничены, в настоящее время нитраты получают преимущественно методом химического синтеза из азота воздуха. Крайне редко нитраты встречаются в почвах аридных областей; в этом случае формируются нитратные солончаки.

9. Силикаты и алюмосиликаты

Это важнейший класс минералов, представители которой вместе с кварцем составляют 95% от массы земной коры. Одна третья часть известных минералов относится к классу силикатов и алюмосиликатов. Все магматические и многие метаморфические горные породы в основном сложены минералами этой группы. Ранее силикаты рассматривались как соли гипотетических кремниевых кислот; впоследствие выяснилось, что силикаты не могут классифицироваться на основании состава анионной части, поскольку имеют не молекулярную, а ионную структуру. Поэтому в настоящее время принято подразделять силикаты и алюмосиликаты по строению их кристаллической решетки на следующие подклассы:

а) островные,

б) кольцевые,

в) цепочечные,

г) ленточные,

д) слоистые,

е) каркасные.

В основе строения кристаллической решетки любого силиката лежит так называемый кремнекислородный тетраэдр (рис. 2), т. е. атом кремния, соединенный с четыремя атомами кислорода. На подклассы силикаты подразделяются по способу соединения этих тетраэдров друг с другом. Отдельные минералы выделяются по составу катионов, компенсирующих отрицательный заряд кремнекислородного тетраэдра, а также по степени замещения кремния на алюминий.

Рис. 2. Кремнекислородный тетраэдр: а, б, в ‑ разные способы изображения

а) Островные силикаты

В минералах этой подгруппы тетраэдры состава SiО₄^4- не связаны друг с другом. Самый распространенный минерал этой группы ‑ оливин, имеющий формулу (Мg,Fе)₂SiО₄. Существует изоморфный ряд от минерала форстерита (Мg₂SiО₄) до минерала фаялита (Fе₂SiО₄), однако чаще мы имеем дело с промежуточным минералом. Оливины являются обычным компонентом основных и ультраосновных пород. Из более редких островных силикатов следует упомянуть топаз (Al₂SiO₄(F,OH)₂) и циркон (ZrSiO₄). Последний минерал отличается крайне высокой устойчивостью к выветриванию, в результате чего в почти неизменном виде сохраняется в течение миллиардов лет; кроме того, часть циркония в нём изоморфно замещена торием и ураном, что позволяет проводить датировку цирконов изотопными методами.

Kpoмe перечисоенных, к ocтpoвным cиликaтaм oтнocятcя гpaнaты. В этой группе минералов катионная часть компенсирует совокупный заряд трёх кремнекислородных тетраэдров (но не соединённых вершинами). Общая формула граната Me^II₃Me^III₂(SiO₄)₃. Выдeляютcя cлeдyющиe их разновидности:

- aльмaндин Fe₃Al₂(SiO₄)₃ (красновато-коричневый)

- пиpoп Mg₃Al₂(SiO₄)₃ (красный)

- cпeccapтин Mn₃Al₂(SiO₄)₃ (оранжевый, коричневый)

- гpoccyляp Ca₃Al₂(SiO₄)₃ (жёлтый, розовый)

- aндpaдит Ca₃Fe₂(SiO₄)₃ (зеленовато-жёлтый)

- yвapoвит Ca₃Cr₂(SiO₄)₃ (изумрудно-зелёный)

Близки по строению к островным силикатам и минералы, состоящие полностью или частично из сдвоенных кремнекислородных тетраэдров Si₂O₇^6-. Иногда их выделяют в отдельный класс, иногда же рассматривают как подкласс островных силикатов. Наиболее распространена в этом подклассе группа эпидота, важного компонента метаморфических пород; базовая формула эпидотов Ca₂Al₃(SiO₄)(Si₂O₇)O(OH), а отдельные минералы выделяются при изоморфном замещении алюминия железом, магнием или марганцем.

б) Кольцевые силикаты

В основе строения минералов этой подгруппы шесть (значительно реже три или четыере) кремнекислородных тетраэдров, соединенных в кольцо Si₆О₁₈^12- (рис. 3).

- бepилл Be₃Al₂Si₆O₁₈

- тypмaлин NaFe₃Al₆(OH)₄(BO₃)₃Si₆O₁₈

Зeлeнaя paзнoвиднocть бepиллa нaзывaeтcя изyмpyд.

Рис. 3. Структурное расположение кремнекислородных тетраэдров в кольцевом силикате

в) Цепочечные силикаты

У минералов этого класса кремнекислородные тетраэдры соединены в бесконечные цепочки, в формуле обозначаемые как Si₂О₆^4- (рис. 4а). В классе выделяют одну группу ‑ пироксены, образующую два изоморфных ряда: ромбических (бескальциевых) и моноклинных (кальцийсодержащих) пироксены.

Рис. 4. Структурное расположение кремнекислородных тетраэдров в цепочечных (а) и ленточных (б) силикатах

Бескальциевые пироксены образуют изоморфный ряд от ферросилита (Fе₂Si₂О₆) до энстатита (Мg₂Si₂О₆).

Обычно в изоморфном ряду выделяется следующие индивидуальные минералы: энстатит (содержание Fe от суммы магния и железа 0-12%), бронзит (Fe 12-30%), гиперстен (Fe 30-50%), феррогиперстен (Fe 50-70%), эулит (Fe 70-88%) и ферросилит (Fe 88-100%). Ферросилит встречается в природе редко, остальные же минералы этого ряда распространены широко, входя в состав основных и ультраосновных пород.

Кальцийсодержащие пироксены образуют изоморфный ряд от геденбергита (СаFеSi₂О₆) до диопсида (СаМgSi₂О₆). Один из самых распространённых промежуточных членов этого ряда ‑ алюмосодержащий пироксен авгит, являющийся основным компонентом таких магматических пород, как базальт и габбро, имеющий формулу (Са,Na)(Мg,Fе,Аl)(Si,Аl)₂О₆. В этом минерале осуществляется как изоморфное замещение магния на железо и алюминий в катионной группе, так и замещение кремния на алюминий в тетраэдрах.

г) Ленточные силикаты

В ленточных силикатах бесконечные цепочки тетраэдров соединены попарно, что отражается в формуле как блок Si₄О₁₁^6- (рис. 4б). В некоторых пособиях они объединяются в один класс с цепочечными силикатами. Большинство ленточных силикатов (амфиболов) относится к группе роговой обманки. К ней относится ряд важнейших породообразующих минералов, имеющих переменный химический состав.

B oбoбщeннoм видe фopмyлa poгoвoй oбмaнки зaпиcывaeтcя в видe: (Ca,Na)₂(Mg,Fe)₄(Al,Fe)(OH)₂((Al,Si)₄O₁₁)_2.

Кроме собственно роговой обманки, у амфиболов выделяется изоморфный ряд тремолита (Ca₂Mg₅(Si₄O₁₁)₂(OH)₂) ‑ актинолита (Ca₂Fe₅(Si₄O₁₁)₂(OH)₂) и группа щелочных амфиболов (с повышенным содержанием натрия). Нетрудно заметить, что формулы актинолита и тремолита являются частными случаями формулы роговой обманки, поэтому этот изоморфный ряд многие исследователи тоже включают в группу роговой обманки.

д) Слоистые силикаты|

В слоистых силикитах кремнекислородные тетраэдры образуют бесконечные слои, обозначаемые как Si₄О₁₀^4-. Это определяет макроскопический облик слоистых силикатов: они обычно имеют пластинчатое или чешуйчатое строение. Этот подкласс силикатов имеет важное значение для свойств почв, поскольку эти минералы легко дробятся до микроскопического размера и их общая удельная поверхность в почве велика. Другое название слоистых силикатов ‑ глинистые минералы. Характерной особенностью слоистых силикатов является сочетание слоёв, составленных кремнекислородными тетраэдрами с бесконечными же слоями, состоящими из октаэдров, в центре которых находится алюминий, магний или железо, а в вершинах – гидроксильные группы.

Рис. 5. Схематическое изображение алюминиевого октаэдра

Строго говоря, наличие октаэдрических структур характерно не только для слоистых силикатов: у амфиболов подобные октаэдры с алюминием, магнием и железом в центре образуют цепочку, параллельную кремнекислородной ленте.

Простейшая для слоистых силикатов структура отмечается у для каолинита Аl₄(ОН)₈(Si₄О₁₀) и его магнезиального аналога серпентина (змеевика) Мg₆(ОН)₈(Si₄О₁₀) (рис. 6). На один тетраэдрический слой приходится один октаэдрический; в этом случае говорят о структуре 1:1. В случае каолинита и серпентина заряд тетраэдров полностью компенсируется зарядом октаэдров. Изоморфного ряда серпентин и каолинит не образуют; у серепентина отмечается изоморфное замещение магния железом.

У серпентина выделяются массивная (лизардит), листоватая (антигорит) и волокнистая (хризотил, серпентин-асбест) формы. Кроме того, встречается серпентин с высоким содержанием никеля (гарниерит).

Рис. 6. Схематическое строение кристаллической решётки слоистых силикатов струткуры 1:1 (проекция перпендикулярна бесконечному слою); а ‑ каолинит, б ‑ серпентин

У слоистых силикатов, содержащих в октаэдрических позициях двухвалентные катионы (Mg²⁺, Fe²⁺), все октаэдрические позиции, а у содержащих трёхвалентные катионы (Al³⁺, Fe³⁺) ‑ только две из трёх, а каждый третий октаэдр пустой. Поэтому минералы с железисто-магнезиальным октаэдрическим слоем называют триоктаэдрическими (три из трёх октаэдров заполнены), а с алюминиевым ‑ диоктаэдрическими (два из трёх октаэдров заполнены).

Более сложное строение имеют минералы со структурой 2:1. Это строение удобно рассмотреть на примере минералов пирофиллита (Al₂(ОН)₂(Si₄O₁₀) и талька (Мg₃(ОН)₂(Si₄O₁₀) (рис. 7). Такое же строение имеют слюды:

- мусковит (светлая слюда) КАl₂(АlSi₃О₁₀)(ОН)₂

_- биотит (темная слюда) К(Мg,Fе)₃(Si₃(Аl,Fе)О₁₀)(ОН,F)₂

Рис. 7. Схематическое строение кристаллической решётки слоистых силикатов струткуры 2:1 (проекция перпендикулярна бесконечному слою); а ‑ пирофиллит, б ‑ тальк

Слюды отличаются от пирофиллита и талька тем, что в их тетраэдрах часть четырёхвалентного кремния замещена на трёхвалентный алюминий. В результате на слое образуется отрицательный заряд, который компенсируется калием, закреплённым между слоями слюды. Поскольку калий имеет высокую поляризующую способность, слои слюды скреплены достаточно прочно. Также к слоистым силикатам со структурой 2:1 относятся минералы группы гидрослюд (сходны со слюдами, но калий замещён на ион H₃O⁺), вepмикyлитов ((Mg,Ca)(Mg,Fe,Al)₆(Al,Si)₈O₂₀·8H₂O) и смектитов ((Mg₃,Al₂)(Si₄O₁₀)(OH)₂·nH₂O). Отличие минералов этих групп от слюд заключается в том, что у них кремний в меньшей степени замещён на алюминий в тетраэдрических позициях, и заряд на слое также меньше: уменьшение заряда на слое идёт в ряду слюды‑гидрослюды‑вермикулиты‑смектиты. Уже гидрослюды не способны удерживать калий между слоями и гораздо менее прочны, чем слюды. У вермикулитов связь между слоями ещё более ослабевает, и межплоскостное расстояние равно не 1,0 нм, как у слюд и гидрослюд, а 1,4 нм; при нагревании вермикулиты сжимаются до 1,0 нм. В смектитах связь между слоями ещё слабее: при нагревании они сжимаются с 1,4 до 1,0 нм, а при насыщении водой или внедрении органических молекул межплоскостное расстояние увеличивается до 1,8 нм.

Каждая из перечисленных групп включает множество индивидуальных минералов благодаря значительному изоморфному замещению в октаэдрических позициях. Например, в группе смектитов выделяется монтмориллонит (содержащий преимущественно алюминий и магний), бейделлит (содержащий преимущественно алюминий), нонтронит (содержащий Fe³⁺) и сапонит (содержащий Fe²⁺).

Рacпpocтpaнeнной группой минepaлoв экзoгeннoгo и мeтoмopфичecкoгo пpoиcxoждeния являютcя xлopиты, пoлyчивший cвoe нaзвaниe зa зeлeнyю oкpacкy. Они имеют структуру 2:2, то есть в них присутствует дополнительный слой октаэдров. Благодаря сильно развитому изоморфному замещению в тетраэдрах и октаэдрах эта группа крайне разнообразна по химическому составу: в ней выделяется около двух десятков индивидуальных минералов.

К слоистым силикатам относят обычно и аморфные минералы аллофан и имоголит, имеющие условную формулу nSiO₂·mAl₂O₃·kH₂O. Аллофан имеет форму крохотных (размером около 5 нм) шариков, а имоголит ‑ волокон длиной до 100 нм. Строго говоря, эти минералы должны выделяться в отдельный класс, поскольку не имеют кристаллической структуры, как слоистые силикаты, однако близки к ним по химическому составу и некоторым структурным особенностям. Аллофан полностью аморфен, а имоголит имеет зачатки структуры, напоминающей структуру каолинита. Впервые они были обнаружены как продукт изменения вулканических пеплов. В настоящее время установлено, что эти минералы присутствуют во многих почвах, в частности, в подзолах.

Слоистые силикаты практически всегда присутствуют в почвах в значительных количествах и во многом определяют их химические свойства, прежде всего за счёт способности обменно поглощать катионы. Также некоторые слоистые силикаты определяют и физические свойства почв. Например, высокое содержание смектитов приводит к формированию слитых почв, разбухающих при намачивании и цементирующихся с образованием широких трещин при высыхании. Подобные свойства делают затруднительной их обработку и не позволяют проведение строительных работ на этих почвах. Высокое содержание аллофанов в вулканических почвах приводит к тому, что у них аномально высока водоудерживающая способность.

Слоистые силикаты широко используются человеком. Каолинит ‑ важнейшее сырьё для изготовления фарфора и керамики, а также наполнитель при производстве бумаги. Серпентин используется для изготовления асбеста. Тальк и пирофиллит используются в виде порошков, в том числе служащих основой для активных веществ, в качестве наполнителей красок, бумаги и резины, а также для изготовления электрической изоляции и кислотоупорных покрытий. Слюды используются в качестве изоляционного материала, а также наполнителя и напылителя. Смектиты используются как наполнители различных материалов для придания последним пластичности, а также как сорбенты (например, в медицине).

е) Каркасные силикаты

Минералы этого подкласса являются самыми распространёнными, составляя 65% от массы земной коры. В их кристаллической решетке кремнекислородные тетраэдры соединены в единый каркас. Структурная ячейка каркасных силикатов имеет формулу Si₄O₈. Нетрудно заметить, что эта формула соответствует кварцу; именно поэтому его иногда причисляют к каркасным силикатам. Заряд такой элесентарной ячейки равен нулю, однако во всех каркасных силикатах часть кремния замещена на алюминий, благодаря чему образуется заряд, компенсируемых другими катионами. Главными представителями этой группы являются полевые шпаты. Их подразделяют на группу кальциево-натриевых полевых шпатов, или плагиоклазов, и на группу калий-натриевых, или просто калиевых, или КПШ.

Плагиоклазы представляют из себя изоморфный ряд от чисто натриевой разности альбита Nа(АlSi₃О₈) до чисто кальциевой анортита Са(Аl₂Si₂О₈).

В изoмopфнoм pядy выдeляeтcя шecть минepaлoв пo oтнocитeльнoмy coдepжaнию aльбитoвoй и aнopтитoвoй cocтaвляющиx. Mинepaл, coдepжaщий oт 0 дo 10% aнopтитa, нaзывaeтcя aльбит, oт 10 дo 30% ‑ oлигoклaз, oт 30 дo 50% ‑ aндeзин, oт 50 дo 70 % ‑ лaбpaдop, oт 70 дo 90% ‑ битoвнит, a oт 90 дo 100% ‑ aнopтит. Taк кaк нaтpиeвыe paзнocти coдepжaт кpeмния бoльшe, чeм кaльциeвыe, aльбит и oлигoклaз нaзывaют киcлыми плaгиoклaзaми, aндeзин и лaбpaдop ‑ cpeдними, a битoвнит и aнopтит ‑ ocнoвными, пo aнaлoгии c гopными пopoдaми.

Калиевые полевые шпаты имеют более постоянный химический состав. В них возможно только некоторое замещение калия на натрий.

Kaлиeвые пoлeвыe шпaты, имeющиe фopмyлy K(AlSi₃O₈), нaзывaютcя микpoклин или opтoклaз, в зaвиcимocти oт нeзнaчитeльныx кoлeбaний в cтpoeнии кpиcтaлличecкoй peшeтки. Kaлиeвый пoлeвoй шпaт, имeющий фopмyлy (Na,K)(AlSi₃O₈), нaзывaeтcя aнopтoклaзoм.

Помимо полевых шпатов к подклассу каркасных силикатов относят группу фельдшпатоидов (т. е. похожих на полевые шпаты). Преимущественно натриевый фельдшпатоид (Nа,K)Аl(Si₂О₆) называется нефелин, а калиевый КАl(Si₂О₆) ‑ лейцит.

Каркасные силикаты используют преимущественно как строительные материалы, сырьё для изготовления эмалей и керамики; некоторые полевые шпаты используются как поделочные и декоративные камни.

10. Углеводородные соединения

К этому классу относится большое количество сравнительно слабо изученных соединений, представляющих из себя преимущественно битумы, воска и соли органических кислот. Примером битума является парафин (C_nH_2n+2), который выпадает в осажок при движении нефти по трещинам; разновидность парафина носит название озокерит (горный воск). Примером смолы является янтарь (C₄₀H₆₄O₄). Соли органических кислот в природе многочисленны, но описано как минералы всего несколько, например соли щавелевой кислоты ведделлит (CaC₂O₄·2H₂O) и вевеллит (CaC₂O₄·H₂O), кристаллики которых образуются в клетках растений, углях и сланцах, или оксалит (FeC₂O₄·2H₂O), образующийся в бурых углях. Практически все углеводородные соединения имеют экзогенное (обычно биогенное) происхождение. Некоторые, как янтарь и парафин, применяются как отдельные минералы, большинство же является компонентами нефти и углей, которые используются как топливо и сырьё для химической промышленности.

Минералы классифицируются по химическому составу и кристаллическому строению. Из этого следует, что правильно определить минерал мы можем, только зная его точный химический состав и параметры кристаллической решетки. Для этого в современной геологии используется большой арсенал химических и физических методов исследований. Между тем часто встает задача определить, хотя бы приблизительно, минерал без применения лабораторных исследований, например, в поле. Это возможно, поскольку каждый минерал имеет целый ряд относительно постоянных свойств, по которым его можно диагностировать.

Для определения минерала используют следующие его признаки:

1) блеск,

2) цвет,

3) цвет в порошке (цвет черты),

4) твердость,

5) плотность,

6) спайность,

7) излом,

8) форма агрегатов.

Рассмотрим подробнее каждый из признаков.

1. Блеск у минералов бывает металлический (как у большинства сульфидов и самородных металлов), полуметаллический (графит, гематит) и неметаллический. Неметаллический блеск подразделяется на:

- стеклянный (флюорит, плагиоклаз; в целом 70% всех известных минералов),

- алмазный (алмаз, берилл),

- жирный (нефелин, сера),

- перламутровый (опал, тальк),

- шелковистый (гипс, роговая обманка),

- матовый ‑ отсутствие блеска (боксит).

Блеск минерала связан прежде всего с его показателем преломления. Металлический блеск характерен для непрозрачных минералов, имеющих показатель преломления n > 3,0. Полуметаллический блеск отмечается у непрозрачных минералов с n = 2,6-3,0. Алмазный блеск встречается у минералов с n = 1,9-2,6. У минералов со стеклянным блеском n = 1,3-1,9. Прочие разновидности блеска проявляются в силу разной структуры поверхности минералов.

Необходимо отметить, что один и тот же минерал может иметь разный блеск в зависимости от формы агрегатов и от того, по какой плоскости спайности (см. ниже) он сколот.

2. Цвет минералов бывает собственным, то есть определяемым его основными компонентами, и примесным, то есть определяемый микроскопическими примесями в минерале. Только немногие минералы всегда имеют постоянную (собственную) окраску: гранаты, малахит, вивианит. Большинство минералов имеет примесную окраску, которая может варьировать в широких пределах. Например, калиевый полевой шпат в зависимости от микропримесей может быть белым, красным или ярко-зелёным. В результате окраска в большинстве случаев имеет значение для сужения области поиска (так, оливин не может быть белым, нефелин не может быть чёрным и т. п.).

3. Более постоянным признаком является цвет минерала в порошке. Это позволяет отделить собственный цвет минерала от примесного: при собственном цвете порошок имеет окраску, близкую к цвету минерала, а при примесной окраске он обычно белый. Практически цвет в порошке определяют путем проведения черты минералом по специальной керамической табличке (бисквиту). Таким образом легко различать, например, магнетит (магнитный железняк), гематит (красный железняк) и лимонит (бурый железняк). Эти минералы, часто имеющие сходную окраску в землистых агрегатах, дают черту разного цвета: магнетит чёрную, гематит вишнево-красную, а лимонит бурую. Однако некоторые минералы при изменении окраски изменяют и цвет черты, если содержат в себе микроскопические кристаллы других минералов. Надо отметить, что на бисквите оставляют черту только минералы, которые мягче бисквита (твердость < 6, см. ниже), в противном случае минерал царапает керамическую табличку.

4. Твёрдость минералов принято определять не в абсолютных величинах, а путем сравнения с эталонными минералами, имеющими постоянную твёрдость. Для этого применяется так называемая шкала Мооса, в которой твёрдость возрастает от первого минерала до десятого:

1. тальк,

2. гипс,

3. кальцит,

4. флюорит,

5. апатит,

6. калиевый полевой шпат,

7. кварц,

8. топаз,

9. корунд,

10. алмаз.

Твёрдость определяемого минерала определяют путем проведения с силой эталонным минералом по испытуемому. Если эталонный минерал оставляет царапину на испытуемом, то твердость испытуемого минерала меньше, чем эталонного, если не оставлыет, то твердость испытуемого минерала равна или выше, чем эталонного. Например, минерал, на котором оставляет черту апатит, но не оставляет черту флюорит, имеет твердость от 4 до 5. В случаях, когда шкалы нет под рукой, можно воспользоваться следующими предметами для определения твердости минерала: грифель карандаша (твердость 1), ноготь (твердость 2-2,5), монета (твердость 3-4), стекло (твердость 5), гвоздь (твердость 6) и напильник (твердость 7).

Хотя шкала Мооса представляет из себя метод качественной оценки твёрдости минералов, она используется чрезвычайно широко и без изменений уже 175 лет. Современные методы оценки пластической и упругой деформации требуют специального оборудования и не всегда применимы, а шкала легка в использовании и даёт достаточно достоверные результаты. Слудует учитывать, что интервалы шкалы не равны между собой: они прогрессивно увеличиваются от 1 до 10.

Надо учитывать, что твёрдость минерала также может зависеть от формы и размеров агрегатов. В землистых мелкокристаллических агрегатах при царапании обнаруживается не твёрдость минерала, а сила сцепления кристаллов друг с другом. В то же время следует помнить, что в крупных кристаллах твёрдость изменяется в зависимости от кристаллографического направления; именно поэтому Ф. Моос рекомендовал использовать как эталоны тонкокристаллические образцы.

5. Плотность минералов выражается в г/см³. Достаточно часто используется другой показатель ‑ удельный вес, безразмерная величина, указывающая отношение плотности минерала к плотности воды. Численно он равен плотности. Самый плотный минерал ‑ самородный иридий, имеющий плотность 22,8 г/см³, а самый лёгкий ‑ нефть, имеющая плотность 0,8 г/см³. Большинство минералов имеет плотность от 2 до 5 г/см³. Поскольку в поле мы не можем измерить точно массу и объем минерала, плотность является диагностическим признаком только для очень плотных минералов. Так, например, барит (тяжёлый шпат) безошибочно определяется как более увесистый, чем другие светлые минералы. Ильменит и галенит также могут определяться по высокой плотности. Опал может быть определен как более легкий, чем большинство минералов.

6. Спайностью называется способность минерала раскалываться по ровным плоскостям. Если при расколе получается идеальная плоскость, то спайность называется совершенной. Минералы с совершенной спайностью достаточно трудно расколоть в других направлениях. Если плоскость относительно ровная, а минерал охотно раскалывается как по спайности, так и в других направлениях, то спайность называется ясной. Если же плоскости вообще не образуется, то говорят, что спайность несовершенная. Спайность может проявляться по одной плоскости, как в биотите и мусковите. Они легко откалываются пластинками, но не дают ровных плоскостей при разломе в другом направлении. Бывает также спайность по двум и трём плоскостям. В кальците и доломите, для которых характерна совершенная спайность по ромбоэдру (по трём плоскостям), хорошо заметны ступеньки, образующиеся на сколе. Спайность минерала ‑ это важный диагностический признак. Благодаря ему можно, например, отличить кварц, имеющий несовершенную спайность, от плагиоклазов, имеющих совершенную спайность по одной плоскости.

7. Изломом называется форма поверхности, образующейся при расколе минерала не по плоскости спайности. В большинстве минералов излом раковистый (т. е. напоминающий раковину). Если излом имеет иную форму (выделяется занозистый, землистый, зернистый, ровный излом), он является диагностическим признаком. Роговая обманка может быть диагностирована по занозистому излому. В ряде случаев излом трудно отделить от плоскости ясной спайности.

8. Форма агрегатов может быть разнообразной у каждого минерала. В некоторых случаях этот признак может быть диагностическим для тех минералов, которые образуют своеобразные, характерные только для них агрегаты. Например, минерал серпентин иногда образует волокна (эта его разновидность называется хризотил-асбест). Роговая обманка часто встречается в виде игольчатых агрегатов. Гипс иногда образует характерные сдвоенные сростки кристаллов ("ласточкины хвосты").

Дата добавления: 2014-11-25