Что такое минералы?

Подобно тому, как  нет на свете двух совсем одинаковых кошек или грибов-подосиновиков, так среди множества идентичных по составу и кристаллической  структуре минеральных индивидов не существует двух одинаковых. Природное происхождение – источник неограниченного, поражающего воображение разнообразия минерального царства. Правда, многие минералы известны пока лишь как единичные находки. Остальное царство минералов характеризуется многообразием форм, помноженным на многообразие несовершенств.

Многообразие  кристаллических форм минералов  порождается широким диапазоном физико-химических условий их образования, длительности процессов кристаллизации и влиянием всегда присутствующих посторонних веществ. На кристаллах кальцита обнаружено несколько сотен кристаллических форм! Многие из них даже получили выразительные горняцкие прозвища – от «собачьего клыка» до «крыла ангела». Еще более многообразны усложненные индивиды и «коллективы» индивидов. Даже малая доля этого многообразия совершенно немыслима в параллельном мире искусственных кристаллов.

Не менее эффективен другой фактор разнообразия – несовершенство кристаллов. Идеальный кристалл – один, несовершенных – сколько угодно. Примечательно, что абсолютно совершенных кристаллов в природе нет. Совсем нет! Афоризм «кристаллы блещут симметрией», принадлежащий знаменитому русскому кристаллографу Е.С. Федорову, можно дополнить: «и прекрасны несовершенством». Да, именно несовершенством! Совершенный кристалл с идеальной, бездефектной структурой и полной симметрией, как скучноватый чертеж в минералогическом справочнике – чистейшая абстракция. Абсолютное совершенство, абсолютная симметрия принципиально чужды природным кристаллам. Показателен пример одного из самых распространенных минералов – кварца, на долю которого приходится более 12% земной коры. Кристаллы кварца можно найти повсюду, от высокогорных хрустальных жил до известняковых карьеров Подмосковья. Но даже относительно малодефектные кристаллы, допускаемые стандартом для использования в пьезоэлектрической технике, настолько редки, труднодоступны и дороги, что промышленность вынуждена переходить на синтетическое сырье.

Идеальность природных  кристаллов нарушается динамикой и  кинетикой развития, скоростью процесса кристаллизации, влиянием разного рода внешних факторов. Красота несовершенства перестанет казаться парадоксальной, как только мы уясним, что реальный кристалл – это продукт компромисса между стремлением растущего кристалла к максимуму совершенства и стремлением достигнуть этого максимума как можно скорее. Если бы процессы природной кристаллизации не сопровождались «спешкой» (в одних случаях измеряемой сутками, в других – миллионами лет), то в бесконечной перспективе мир наполнился бы идеальными кристаллами, похожими друг на друга как две капли воды. На первый план, таким образом, выступает фактор времени. Еще в 30-е годы прошлого века В.И. Вернадский отметил, что в основе несовершенства природных объектов лежит фундаментальная несимметричность, необратимость времени…

Но раз уж со всем этим – к несчастью для потребителя минералов и к счастью для их любителя – ничего поделать нельзя, обратимся к другой интригующей теме.

Посмотрим еще  раз на график открытия новых минералов (рис. 2). Да ведь это натуральная экспонента! Исторический процесс открытия новых минералов носит лавинообразный характер, и число известных видов удваивается каждые 40–50 лет. Если дело так пойдет и дальше, то наступит момент, когда число известных минеральных видов вместо нынешних 4000 перевалит за миллион, обгонит искусственные вещества и продолжит свой рост.

Однако большинство  минералогов не соглашается с  таким прогнозом: исторические экстраполяции, как известно, дело рискованное.

Во-первых, одновременно с пополнением каталога минералов идет дискредитация видов, «открытых» по ошибке. Болезнь ошибочных «открытий», в основном преодоленная совершенствованием методов идентификации минералов, в прошлом была весьма распространена. Так, красивый минерал апофиллит за 70-летний период 1784–1853 гг. «открыли» десятикратно! И каждый раз он получал новое название, которое потом приходилось исключать из минералогической номенклатуры.

Но главное, численность  минеральных видов ограничивается важными объективными обстоятельствами. Тот или иной гипотетический минерал может возникнуть при условии, если образующие его атомы «встретятся» друг с другом. Это зависит от их распространенности в земной коре, и чем сложнее состав минерала, тем, по законам комбинаторики, меньше вероятность встречи. Его кристаллическая структура должна быть устойчива в условиях, господствующих в месте «встречи» в момент «встречи». Но этого мало: возникший минерал должен «дожить» до встречи со своим открывателем (и никто не знает, сколько их не дожило до этого!), а значит, он должен быть устойчив и в изменяющихся условиях окружающей среды… Все это в принципе поддается расчету. Однако такой расчет даже для нескольких сотен гипотетических минералов настолько трудоемок, а проблема численности минеральных видов в природе пока что настолько неактуальна, что минералоги не берутся за ее решение и воздерживаются от конкретных прогнозов. По-видимому, следует ожидать, что в исторической перспективе процесс открытия новых минеральных видов замедлится и из лавинообразного перейдет в режим асимптотического приближения к некоторому предельному уровню….Если, конечно, к тому времени в него не вмешаются новые геологические катаклизмы.

Так или иначе, ежегодно открывается 40–60 новых минералов. В наше время это обычно какие-нибудь налеты или отдельные зернышки, ведь минералы, образующие большие кристаллы и крупные скопления, уже были замечены и открыты в прошлом. Так что для начала открывателю надо это скромное выделение заметить. Особый «нюх», способность обратить внимание на необычное зерно среди многих тонн горной породы – это тот почти мистический дар, которым наделены лишь немногие. На протяжении своей научной карьеры такой специалист открывает один за другим десятки новых минералов, тогда как на долю других, даже превосходно знающих мир минералов «в лицо», достаются, в лучшем случае, лишь единичные открытия.

Физические  свойства

К физическим свойствам относятся: цвет, блеск, прозрачность, твердость, плотность, спайность, излом и др. свойства.

ЦВЕТ минерала определяется его способностью поглощать определенную часть светового спектра. Ферсман выделил 3 рода окрасок минералов по происхождению:

• идиохроматическую (своя собственная),
• аллохроматическую (алло – чужой),
• псевдохроматическую (псевдо – ложный).

Идиохроматическая – в состав минерала входит элемент, дающий окраску – хромофор. Например, железо дает черную или бурую окраску, свинец – серый, медь – зеленый и т.д.

Аллохроматическая – окраска за счет элементов-примесей, изменяющих окраску минерала. Например, кварц бесцветный минерал, а его разновидности аметист, морион окрашены в фиолетовый или черный цвет за счет примесей атомов Fe.

Псевдохроматическая – обусловлена включениями посторонних минералов. Например, минерал лабрадор обладает темным собственным цветом, но при рассмотрении его под разными углами наблюдается синяя окраска. Она обусловлена тонкими включениями минерала ильменита, который изменяет светопреломление.

Иногда на поверхности  минерала появляется радужная окраска, называемая побежалостью – возникает за счет образования тонкой пленки окислов на его поверхности.

ЦВЕТ ЧЕРТЫ – цвет минерала в порошке. Часто цвет черты  повторяет цвет минерала, но бывают и отклонения. Например, минералы магнетит и хромит имеют черный цвет, а  их цвет в порошке или цвет черты отличаются: у магнетита черта черная, а у хромита – темно-бурая.

ПРОЗРАЧНОСТЬ – способность  минерала пропускать свет. По этому  признаку минералы разделяются на прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные.

БЛЕСК – способность  отражать падающий свет. По отражательной способности минералов блеск подразделяется на металлический и неметаллический. Металлический блеск имеют минералы с высокой отражательной способностью. Неметаллический блеск подразделяют на: стеклянный, жирный, перламутровый и т.д.

СПАЙНОСТЬ – способность минералов раскалываться под ударом с образованием ровных поверхностей параллельных граням, ребрам и др. кристаллографическим направлениям. Выделяют спайность:

– весьма совершенная (слюда, тальк),

– совершенная (кальцит, галит),

– средняя (полевые шпаты, роговая обманка),

– несовершенная (оливин, апатит),

– весьма несовершенная (золото, корунд).

ИЗЛОМ – вид поверхности  при расколе минерала. Бывает –  ровный, ступенчатый, раковистый, занозистый, землистый и т.д.

ПЛОТНОСТЬ – зависит  от химического состава и структуры минерала. Все минералы по плотности подразделяются на: легкие (1–3 г./см 3), тяжелые (3,5–9 г./см 3), очень тяжелые (9–23 г./см3).

ТВЕРДОСТЬ – способность  минерала сопротивляться механическому  воздействию. Выделяют абсолютную и  относительную твердости.

Абсолютную твердость  определяют прибором, называемым склерометр в кг /мм 3.

Относительная твердость  определяется сравнительным путем. Для этого берут минерал с  известной твердостью и воздействуют им или на него другим минералом. Существует эталонная шкала для определения относительной твердости минералов. Её разработал австрийский минералог Моос в 1824 г., поэтому названа его именем. В ней подобраны 10 минералов, которые располагаются в порядке возрастания твердости и номер эталонного образца в ней означает величину относительной твердости этого минерала.

Когда нет под рукой  эталонной шкалы, пользуются стеклом, гвоздем, стальным ножом или напильником, т.е. заменителями эталонных минералов.

Кроме перечисленных  свойств, которые проявляются у всех минералов, существуют свойства присущие отдельным минералам или группе минералов. Их называют особые свойства и к ним относятся:

• Магнитность – определяется по отклонению минералом стрелки компаса;
• Люминесценция – любое излучение минералом света без накаливания. Выделяют: флюоресценцию – свечение минерала происходит при облучении ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, фосфоресценцию – продолжение свечения минерала после прекращения облучения; люминесценция наблюдается у минералов, содержащих в кристаллической решетке примеси ионов. Так минерал шеелит светится бледно-голубым цветом за счет включений МОЛИБДЕНА.
• Пьезо- и пироэлектрические. Пьезоэлектричество – это явление, когда под действием давления вдоль полярной оси кристалла на её концах концентрируются положительные и отрицательные заряды. Пироэлектричеств о – тоже явление (появление электрических зарядов) только под действием температуры при нагревании.
• Реакция с соляной кислото й – происходит выделение углекислого газа, реакция хорошо наблюдается визуально.
• Вкус и запах – некоторые минералы издают запах, при каком-либо воздействии на них (при ударе и т.п.), другие минералы – соленые или горько-соленые на вкус (каменная соль).
• Радиоактивность – ею обладают минералы, содержащие радиоактивные элементы.

Все основные свойства проявляются (кроме особых) у каждого минерала. Часто разные по химическому составу  минералы бывают внешне похожи по одному или нескольким свойствам. Например, по цвету, блеску, прозрачности минералы кварц и кальцит похожи и их трудно отличить по этим свойствам. Но по другим свойствам – твердости и спайности они резко отличаются друг от друга. Эти свойства для них являются диагностическими признаками. Таким образом, свойства минералов, по которым их можно определить или отличить друг от друга являются их диагностическими признаками.

Все свойства минералов  изучают:

• макроскопически, т.е. определяют свойства визуально;
• с помощью лабораторных исследований с привлечением разнообразных приборов и анализаторов: так химический состав минерала устанавливается после проведения ряда химических или спектральных анализов для определения элементов, входящих в его состав;
• строение кристаллической решетки определяют с помощью рентгеноструктурного анализа, основанного на отражении и дифракции рентгеновских лучей от кристаллографических плоскостей. В последнее время для изучения структуры минерала применяют электронный микроскоп;
• оптические свойства минералов изучают под микроскопом.

Сейчас создано много  приборов, которые позволяют сделать  комплекс лабораторных исследований прямо в образце, содержащем исследуемый минерал, т.е. отпадает трудоемкая работа по извлечению минерала в чистом виде, без примесей другого минерала.

Изучение свойств минералов  дало толчок экспериментальным исследованиям  для получения минералов в лабораторных условиях. Такие исследования позволяют моделировать условия образования минералов, что представляет несомненный научный интерес. Практическое значение таких исследований – получение искусственных минералов для ювелирной промышленности, радиоэлектроники и др. отраслей.

О названиях минералов – многие пришли из древних времен:

– на основе физических свойств или химического состава (например – магнетит, никелин),

– по географическому месту открытия (ильменит – в Ильменских горах, арагонит – по испанской провинции);

– по имени великих ученых или деятелей – уваровит (мини стр. пр освещения Уваров), шеелит (в честь ученого химика Шееле открывшего элемент W).

Многие минералы, кроме  основного, имеют одно или несколько  других названий, называемых синонимами. Например, флюорит – плавиковый шпат, сфалерит – цинковая обманка и т.д.