Минералы: природные кристаллические вещества¶

Минерал — это природное твёрдое тело с определённым химическим составом и упорядоченной атомной структурой, образующееся в результате геологических процессов. Большинство минералов имеет кристаллическое строение, то есть атомы в них расположены закономерно, образуя трёхмерную решётку. Минералы слагают горные породы, руды и почвы, служат сырьём для промышленности и являются объектом изучения науки минералогии.

¶Определение и границы понятия

Строгое научное определение относит к минералам природные химические соединения или самородные элементы с кристаллической структурой. Вещества с неупорядоченным, аморфным строением — например, природные стёкла (обсидиан) или опал — называют минералоидами. Лёд, образующийся в природе, также считается минералом, поскольку отвечает всем формальным критериям.

Кристаллическая решётка определяет физические свойства: твёрдость, спайность, блеск, цвет, плотность. Именно структура, а не только состав, отличает друг от друга минералы одинакового химического состава — полиморфные модификации. Классический пример — алмаз и графит, оба состоящие из углерода, но обладающие совершенно разными свойствами.

¶Химический состав и классификация

В основе современной классификации лежит химический состав и тип кристаллической структуры. Выделяют следующие основные классы:

• Самородные элементы — золото, серебро, медь, сера, графит, алмаз.
• Сульфиды — пирит, галенит, сфалерит, халькопирит; часто служат рудами цветных металлов.
• Оксиды и гидроксиды — кварц, гематит, магнетит, корунд.
• Галогениды — галит (каменная соль), флюорит, сильвин.
• Карбонаты — кальцит, доломит, малахит, сидерит.
• Сульфаты — гипс, ангидрит, барит.
• Фосфаты — апатит, фосфорит.
• Силикаты — самая многочисленная группа, составляющая до 90 % массы земной коры: полевые шпаты, слюды, амфиболы, пироксены, оливин, глинистые минералы.

Силикаты занимают особое положение благодаря распространённости кремния и кислорода в земной коре. Их структура построена на кремнекислородных тетраэдрах, которые могут соединяться в изолированные группы, цепочки, ленты, слои или каркасы.

¶Физические свойства и диагностика

Определение минералов в полевых условиях опирается на набор диагностических признаков:

Шкала твёрдости, предложенная Фридрихом Моосом в 1812 году, до сих пор применяется как простой сравнительный метод. Более точные исследования используют оптическую микроскопию, рентгеноструктурный анализ, электронный микрозонд и спектроскопические методы.

¶Происхождение и условия образования

Минералы формируются в разнообразных геологических обстановках:

• Магматические процессы — кристаллизация расплавов при остывании магмы; так образуются оливин, пироксен, полевые шпаты.
• Пегматитовые процессы — рост крупных кристаллов в остаточных расплавах, богатых летучими компонентами.
• Гидротермальные процессы — отложение минералов из горячих водных растворов; источник рудных жил.
• Метаморфические процессы — перекристаллизация пород под действием давления и температуры; возникают гранат, кианит, слюды.
• Осадочные и гипергенные процессы — образование минералов при выветривании, испарении растворов, жизнедеятельности организмов.

Всего Международная минералогическая ассоциация признаёт более 6000 минеральных видов, и ежегодно описываются десятки новых. Большинство из них редки и встречаются в единичных находках; породообразующих минералов, слагающих основную массу земной коры, относительно немного — около нескольких десятков.

¶Значение и применение

Минералы — основа многих отраслей экономики. Из них извлекают металлы (железо, медь, свинец, цинк, никель), получают химическое и строительное сырьё, драгоценные и поделочные камни. Кварц применяется в электронике и оптике, слюда — как электроизолятор, асбест и графит — в промышленных изделиях, апатит — в производстве удобрений.

В России минеральные ресурсы составляют значительную часть экспортного потенциала. Крупные месторождения рудных и нерудных полезных ископаемых расположены на Урале, в Сибири, на Кольском полуострове и Дальнем Востоке. Уральская минералогическая школа, связанная с именами Александра Ферсмана и его предшественников, внесла заметный вклад в мировую науку.

Минералы имеют и культурное значение: с древности они использовались как украшения, амулеты, pigments для живописи. Коллекционирование минералов — распространённое увлечение, а музейные собрания, такие как Минералогический музей имени А. Е. Ферсмана в Москве, хранят тысячи образцов.

¶Изучение и современные методы

Минералогия тесно связана с кристаллографией, петрографией, геохимией и материаловедением. Современные исследования используют синхротронное излучение, электронную микроскопию высокого разрешения, компьютерное моделирование структур. Отдельное направление — экспериментальная минералогия, воспроизводящая условия образования минералов в лаборатории при высоких давлениях и температурах.

Практический интерес представляет синтез аналогов природных минералов: искусственные алмазы, корунды, кварц для электроники получают промышленно. Изучение минералов помогает понимать геологическую историю Земли, прогнозировать месторождения и разрабатывать новые материалы.

Источники: учебники по общей минералогии, справочники Международной минералогической ассоциации, материалы Минералогического музея имени А. Е. Ферсмана, работы А. Е. Ферсмана и отечественных геологов.