Минералогия – наука о минералах, их классификации, химическом составе, особенностях и закономерностях строения (структуры), происхождении, условиях нахождения в природе и практическом применении. Для более глубокого объяснения внутреннего строения минералов и их связи с историей Земли минералогия привлекает математику, физику и химию. Она в большей мере, чем другие геологические науки, использует количественные данные, так как для адекватного описания минералов необходимы тонкий химический анализ и точные физические измерения.
Минералы – твердые природные образования, входящие в состав горных пород Земли, Луны и некоторых других планет, а также метеоритов и астероидов. Минералы, как правило, – довольно однородные кристаллические вещества с упорядоченной внутренней структурой и определенным составом, который может быть выражен соответствующей химической формулой. Минералы не являются смесью мельчайших минеральных частиц, как, например, наждак (состоящий в основном из корунда и магнетита) или лимонит (агрегат гетита и других гидроксидов железа), к ним относятся также соединения элементов с неупорядоченной структурой, подобные вулканическим стеклам (обсидиану и др.). Минералами считаются химические элементы или их соединения, образовавшиеся в результате естественных природных процессов. Из числа минералов исключаются такие важнейшие виды минерального сырья органического происхождения, как уголь и нефть.
История минералогии.
Кремневые отщепы с острыми краями применялись первобытным человеком в качестве орудий труда уже в палеолите. Кремень (тонкозернистая разновидность кварца) долгое время оставался главным полезным ископаемым. В древности человеку были известны и другие минералы. Некоторые из них, например вишневый гематит, желто-коричневый гетит и черные оксиды марганца, применялись в качестве красок для наскальной живописи и раскрашивания тела, а другие, например янтарь, нефрит, самородное золото, – для изготовления ритуальных предметов, украшений и амулетов. В Египте додинастического периода (5000–3000 до н.э.) знали уже много минералов. Самородная медь, золото и серебро использовались для украшений. Несколько позже из меди и ее сплава – бронзы стали изготавливать орудия труда и оружие. Многие минералы употреблялись в качестве красителей, другие – для украшений и печаток (бирюза, жад, хрусталь, халцедон, малахит, гранат, лазурит и гематит). В настоящее время минералы служат источником получения металлов, строительных материалов (цемент, штукатурка, стекло и проч.), сырья для химической промышленности и др.
В первом известном трактате по минералогии О камнях ученика Аристотеля грека Теофраста (ок. 372–287 до н.э.) минералы делились на металлы, земли и камни. Примерно через 400 лет Плиний Старший (23–79 н.э.) в пяти последних книгах Естественной истории обобщил все имевшиеся на тот момент сведения по минералогии.
В раннем Средневековье в странах арабского Востока, воспринявших знания античной Греции и древней Индии, происходил расцвет науки. Среднеазиатский ученый-энциклопедист Бируни (973 – ок. 1050) составил описания драгоценных камней (Минералогия) и изобрел метод точного измерения их удельных весов. Другой выдающийся ученый Ибн Сина (Авиценна) (ок. 980–1037) в трактате О камнях дал классификацию всех известных минералов, разделив их на четыре класса: камни и земли, горючие ископаемые, соли, металлы.
В Средние века в Европе происходило накопление практических сведений о минералах. Горняк и старатель по необходимости становились минералогами-практиками и передавали свой опыт и знания ученикам и подмастерьям. Первым сводом фактических сведений по практической минералогии, горному делу и металлургии стал труд Г.Агриколы О металлах (De re metallica), опубликованный в 1556. Благодаря этому трактату и более раннему труду О природе ископаемых (De natura fossilium, 1546), в котором содержится классификация минералов на основе их физических свойств, Агрикола прослыл отцом минералогии.
На протяжении 300 лет после выхода работ Агриколы исследования в области минералогии были посвящены изучению природных кристаллов. В 1669 датский натуралист Н.Стенон, обобщив свои наблюдения над сотнями кристаллов кварца, установил закон постоянства углов между гранями кристаллов. Столетием позже (1772) Роме де Лиль подтвердил выводы Стенона. В 1784 аббат Р.Гаюи заложил основы современных представлений о кристаллической структуре. В 1809 У.Волластон изобрел отражательный гониометр, что позволило проводить более точные измерения углов между гранями кристаллов, а в 1812 выдвинул концепцию пространственной решетки как закона внутреннего строения кристаллов. В 1815 П.Кордье предложил изучать оптические свойства обломков раздробленных минералов под микроскопом. Дальнейшее развитие микроскопических исследований связано с изобретением в 1828 У.Николем устройства для получения поляризованного света (призмы Николя). Поляризационный микроскоп был усовершенствован в 1849 Г.Сорби, который применил его к изучению прозрачных шлифов горных пород.
Появилась необходимость классификации минералов. В 1735 К.Линней опубликовал труд Система природы (Systema naturae), в котором минералы классифицировались по внешним признакам, т.е. так же, как растения и животные. Затем шведскими учеными – А.Кронстедтом в 1757 и Й.Берцелиусом в 1815 и 1824 – было предложено несколько вариантов химических классификаций минералов. Вторая классификация Берцелиуса, модифицированная К.Раммельсбергом в 1841–1847, прочно утвердилась после того, как американский минералог Дж.Дана положил ее в основу третьего издания Системы минералогии (Dana's System of Mineralogy, 1850). Большой вклад в развитие минералогии в 18 – первой половине 19 в. внесли немецкие ученые А.Г.Вернер и И.А.Брайтхаупт и русские – М.В.Ломоносов и В.М.Севергин.
Во второй половине 19 в. усовершенствованные поляризационные микроскопы, оптические гониометры и аналитические методы позволили получить более точные данные по отдельным минеральным видам. Когда с помощью рентгеновского анализа стали изучать кристаллы, пришло более глубокое понимание строения минералов. В 1912 немецкий физик М.Лауэ экспериментально установил, что информация о внутренней структуре кристаллов может быть получена путем пропускания сквозь них рентгеновских лучей. Этот метод произвел переворот в минералогии: преимущественно описательная наука стала более точной и минералоги смогли увязать физические и химические свойства минералов с их кристаллическими структурами.
В конце 19 – начале 20 в. развитию минералогии во многом способствовали работы выдающихся российских ученых Н.И.Кокшарова, В.И.Вернадского, Е.С.Федорова, А.Е.Ферсмана, А.К.Болдырева и др. Во второй половине 20 в. минералогия взяла на вооружение новые исследовательские методы физики твердого тела, в частности, инфракрасную спектроскопию, целую серию резонансных методов (электронный парамагнитный резонанс, ядерный гамма-резонанс и др.), люминесцентную спектроскопию и т.д., а также новейшие аналитические методы, включая электронный микрозондовый анализ, электронную микроскопию в сочетании с электронографией и проч. Применение этих методов дает возможность определять химический состав минералов «в точке», т.е. по отдельным зернам минералов, изучать тонкие особенности их кристаллической структуры, содержание и распределение элементов-примесей, природу окраски и люминесценции. Внедрение точных физических методов исследования произвело в минералогии подлинную революцию. С этим этапом развития минералогии связаны имена таких российских ученых, как Н.В.Белов, Д.С.Коржинский, Д.П.Григорьев, И.И.Шафрановский и др.
Ключ к определителю минералов.
Минералы отличаются определёнными химическими составами и внешними физическими признаками. К ним относятся: блеск, твёрдость, цвет, характер излома. По блеску минералы легко делятся на две основные группы: минералы с металлическим блеском и минералы с неметаллическим блеском.
1.Блеск металлический.
- 1.Ноготь оставляет царапину на минерале. (а, б, в)
2.Ноготь не оставляет царапину на минерале, минерал не оставляет царапину на стекле:
- порошок жёлтый, бурый, красный (г, д)
- порошок серый, чёрный (е, ж, з, и)
3.Минерал оставляет царапину на стекле:
- цвет жёлтый, бурый (к, л, м, н)
- цвет тёмно-серый, чёрный (о, п, р, с, т, у)
- 1.Ноготь оставляет царапину на минерале:
- горит или легко плавится; (а, б, в, г)
- не горит;
- порошок белый или порошка не даёт;
- имеет вкус; (д, е, ж, з)
- вкуса не имеет; (и, к, л, м, н, о)
- порошок серый, чёрный; (т)
- порошок жёлтый, оранжевый, красный; (п, р, с)
- - горит или легко плавится; (а, б, в, г)
- не горит;
- порошок белый или порошка не даёт;
- имеет вкус; (д, е, ж, з)
- вкуса не имеет; (и, к, л, м, н, о, п, р, с, т, у)
- порошок жёлтый, бурый, красный; (ф, х, ц, ч, ш)
- порошок зелёный; (щ)
- порошок серый, чёрный; (а, б, в)
- - бесцветный, цвет белый, светло-серый; (г, д, е)
- цвет жёлтый, бурый, розовый, красный;
- даёт порошок; (ж, з, и, к)
- порошка не даёт; (л, м, н, о)
- цвет зелёный; (п, р, с)
- цвет голубой, синий, фиолетовый; (т, у)
- цвет тёмно-серый, чёрный;
- даёт порошок; (ф, х, ц, ч, ш, щ, э, ю)
- порошка не даёт; (а, б, в)
- окраска минерала пёстрая, многоцветная; (г, д)
- - бесцветный; (е, ж)
- цвет розовый, красный; (з)
- цвет зелёный; (и)
- цвет голубой, синий; (к, л)
- - горит; (м, н)
- не горит:
- цвет белый; (о, п)
- цвет жёлтый, красный, бурый; (р, с, т)
- цвет зелёный; (у, ф)
- цвет голубой, синий; (х)
- цвет чёрный; (ц)
1.Блеск металлический.
1.Ноготь оставляет царапину на минерале.
а) Графит (С). Цвет стально-серый или железно-чёрный. Растирается пальцами в чёрную пыль (отличие от молибденового блеска).
б) Молибденовый блеск, или молибденит (MoS2). Цвет светло-серый, свинцово-серый. Растирается пальцами в светло-серый, блестящий порошок (отличие от графита). Минерал листоватый, чешуйчатый.
в) Сурьмяный блеск, или антимонит (Sb2S3). Цвет свинцово-серый или стально-серый, иногда наблюдается налёт синеватого или черного цвета. Имеет вид сплошной массы игольчатого или призматического строения, а также представляет скопление удлинённых кристаллов.
Тонкий осколочек плавится в пламени свечи. Ножом легко истирается в порошок. Спутником сурьмяного блеска является киноварь (красного цвета); она часто встречается с этим минералом в виде вкрапленников.
2.Ноготь не оставляет царапины на минерале, минерал не оставляет царапины на стекле.
г) Золото самородное (Au). Цвет золотисто-жёлтый. Порошок золотисто-жёлтый, металлический блестящий.
д) Бурый железняк, или лимонит (Fe2O2nH2O). Цвет железно-чёрный, местами ржаво-бурый, охряно-жёлтый. Порошок ржаво-бурый, охряно-желтый.
е) Свинцовый блеск, или галенит (Pb). Постоянная примесь Ао. Цвет свинцово-серый. Тяжёлый. При ударе распадается на мелкие кубики и обнаруживает ступенчатый излом. Спутники: цинковая обманка (бурого цвета), серный колчедан (светлый латунно-жёлтый), медный колчедан (латунно-жёлтого цвета). Порошок серый, чёрный.
Порошок серый, чёрный.
ж) Медный колчедан, или халькопирит (CuFeS2). Цвет латунно-жёлтый, золотистый.
з) Титанистый железняк, или ильменит (TiO2FeO). Цвет железно-чёрный, местами тёмно-бурый. Излом во всех направлениях неровный (отличие от вольфрамита). Обычно слабо магнитен, но иногда магнитные свойства отсутствуют.
и) Вольфрамит [(Fe, Mn) WO4]. Цвет бурый или чёрный. Тяжёлый. При раскалывании даёт в одном направлении ровную поверхность излома (отличие от титанистого железняка).
3.Минерал оставляет царапину на стекле.
к) Серный колчедан, железный колчедан, или пирит (FeS2). Цвет светлый латунно-жёлтый (светлее, чем у медного колчедана). Порошок чёрный со слабым зеленоватым оттенком. Встречается в виде сплошных масс, вкраплений или отдельных кристаллов.
л) Оловянный камень, или касситерит (SnO2). Цвет бурый. Порошок светло-бурый, белый. Излом во всех направлениях неровный (отличие от вольфрамита).
м) Титанистый железняк, или ильменит (TiO2*FeO). Цвет тёмно-бурый. Порошок бурый, чёрный. Излом во всех направлениях неровный (отличие от вольфрамита). Обычно слабо магнитен, но иногда магнитные свойства отсутствуют.
н) Вольфрамит [(Fe, Mn) WO4]. Цвет бурый. Порошок бурый, почти чёрный. При раскалывании даёт в одном направлении ровную поверхность излома (отличие от оловянного камня и титанистого железняка).
Цвет тёмно-серый, чёрный.
о) Бурый железняк, или лимонит (Fe2O3*nH2O). Цвет железно-чёрный, местами ржаво-бурый, охряно-жёлтый. Порошок ржаво-бурый, охряно-жёлтый.
п) Красный железняк, или гематит (Fe2O3). Цвет железно-чёрный. Порошок вишнёво-красный (как у спелой вишни).
р) Магнитный железняк, или магнетит (Fe2O4). Цвет железно-чёрный или тёмно-серый. Порошок бурый (отличие от красного железняка).
т) Оловянный камень, или касситерит (SnO2). Цвет чёрный. Излом во всех направлениях неровный (отличие от вольфрамита). Порошок светло-бурый, белый. Тяжёлый.
у) Вольфрамит [(Fe, Mn) WO4]. Цвет чёрный. Порошок бурый, почти чёрный. При раскалывании даёт в одном направлении ровную поверхность излома (отличие от оловянного камня).
