Образование минералов. Классификация минералов

Для измерения твердости минералов используют шкалу Мооса. Фридрих Моос был немецким геологом и кристаллографом, который разработал такую шкалу, чтобы сравнивать минералы по твердости путем применения метода царапанья. «Царапанье» означает создание на поверхности минерала видимых повреждений или канавок другим минералом или материалом. В шкале Мооса есть 10 минералов, которые взяты за эталон. К примеру, один минерал может резать стекло, но не царапает алмаз. Эту шкалу и сейчас активно используют металлурги и люди, которые работают с различными минералами. Давайте посмотрим на список из 10 самых твердых минералов в мире и двух новых минералов, которые были открыты недавно.

10

Тальк

Тальк — это податливый минерал, состоящий из гидратированного силиката магния. По шкале из десяти самых твердых минералов указан с твердостью 1. Только цезий, рубидий с твердостью 0,2-0,3 и литий, натрий, калий с твердостью 0,5-0,6 мягче талька. Его можно поцарапать ногтем, обрабатывается гипсом. Этот минерал многим известен как детская присыпка, также он используется в спорте для уменьшения скольжения и предотвращения образования мозолей.

9

Гипс

Тальк не может поцарапать гипс, поэтому он на втором месте в шкале Мооса. Гипс является сульфатным минералом, состоящим из гидрата сульфата кальция. Его можно использовать в качестве удобрения. Различные гипсовые смеси использовались ещё в скульптурах Месопотамии, Древнего Рима и Византии. Широко используется в медицине и в скульптуре.

Орбитальные снимки с разведывательного аппарата на Марсе указывают на существование гипсовых дюн в северном полушарии Красной планеты. США, Индия и Бразилия являются странами с самыми большими запасами гипса в мире.

8

Кальцит

Кальцит относится к карбонатной группе минералов и является наиболее твердым полиморфом карбоната кальция. Он является распространённым компонентом осадочных пород, которые образовались из мертвых морских организмов. По Моосу он имеет твердость 3 с удельным весом 2,71. Самая известная природная пещера, которая состоит их кальцита это «Снежная река», округ Линкольн в штате Нью-Мексико. Кстати, на нашем сайте thebiggest.ru вы можете найти множество интересной информации в статье про самые большие пещеры в мире.

7

Главные свойства минералов

Долгое время основными характеристиками минералов служили внешняя форма их кристаллов и других выделений, а также физические свойства (цвет, блеск, спайность, твердость, плотность и проч.), имеющие и в настоящее время большое значение при их описании и визуальной (в частности, полевой) диагностике. Эти характеристики, а также оптические, химические, электрические, магнитные и иные свойства зависят от химического состава и внутреннего строения (кристаллической структуры) минералов.

Первостепенная роль химии в минералогии была осознана к середине 19 в., но важное значение структуры стало очевидным лишь с внедрением рентгенографии. Первые расшифровки кристаллических структур были выполнены уже в 1913 английскими физиками У.Г.Брэггом и У.Л.Брэггом.

Минералы – это химические соединения (исключение составляют самородные элементы). Однако даже бесцветные, оптически прозрачные образцы этих минералов почти всегда содержат небольшие количества примесей. Природные растворы или расплавы, из которых кристаллизуются минералы, обычно состоят из многих элементов. В процессе образования соединений немногочисленные атомы менее распространенных элементов могут замещать атомы главных элементов.

Такое замещение настолько обычно, что химический состав многих минералов лишь очень редко приближается к составу чистого соединения. Например, состав распространенного породообразующего минерала оливина меняется в пределах составов двух т.н. конечных членов ряда: от форстерита, силиката магния Mg2SiO4, до фаялита, силиката железа Fe2SiO4. Отношения Mg:Si:O в первом минерале и Fe:Si:O – во втором составляют 2:1:4. В оливинах промежуточного состава значения отношений те же, т.е. (Mg + Fe):Si:O равно 2:1:4, а формула записывается в виде (Mg,Fe)2SiO4. Если относительные количества магния и железа известны, то это можно отразить в формуле (Mg0,80Fe0,20)2SiO4, из которой видно, что 80% атомов металла представлены магнием, а 20% – железом.

Флюорит

Флюорит или плавиковый шпат — это разноцветный минерал. Из-за своей податливости и легкости в обработке часто используется для изготовления украшений и в декоре. Довольно распространенный на Земле минерал, самые большие запасы которого отмечены в Китае, Мексике, Южной Африке. Но основное использование этого минерала происходит в оптике для изготовления линз. Также он легко поддается плавлению, другое его название «текучий».

6

Апатит

Апатит представляет группу фосфатных минералов, которые известны как гидроксилапатиты, фторопатиты и хлоропатиты. В промышленных масштабах добывается редко. Есть крупные залежи в России, также в Бразилии и некоторых других странах. Основное применение апатита — производство удобрений, поскольку он является хорошим источником фосфора, который так необходим почве и растениям. Редко применяется в ювелирном деле, так как он довольно хрупкий.

5

Кварц

Кварц является вторым по распространенности минералом в земной коре после ортоклаза. Существует много различных сортов кварца. Это основной компонент осадочных и метаморфических пород. Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами, то есть при деформировании или другом воздействии могут вырабатывать электрический разряд. Применяется очень широко. Это и кварцевые генераторы, кварцевые часы, изготовления стекла и электронных приборов.

3

Морфологические особенности минералов

Чаще всего минералы встречаются в природе в виде зерен неправильной формы. Хорошо образованные кристаллы более редки, их форма обычно является характерным диагностическим признаком. Разнообразие существующих форм кристаллов можно подразделить на три типа.

Чаще всего минералы встречаются в природе в виде зерен неправильной формы

Изометричные – имеющие близкие размеры во всех направлениях: кубы (галенит, пирит), тетраэдры (сфалерит), октаэдры (магнетит, пирохлор), бипирамиды (циркон, касситерит), ромбододекаэдры (гранат), ромбоэдры (кальцит) и др., а также различные сочетания этих простых форм.

Вытянутые в одном направлении – призматические, столбчатые, шестоватые, игольчатые, волокнистые кристаллы (турмалин, берилл, пироксен, амфибол, рутил и др.).

Вытянутые в двух направлениях (уплощенные) – таблитчатые, пластинчатые, листоватые, чешуйчатые кристаллы (слюды, хлориты, молибденит, графит и т.д.).

В результате процесса метасоматического замещения или растворения с последующим заполнением пустот кристаллические формы, принадлежащие одному минералу, оказываются представленными другим минералом; подобные образования называются псевдоморфозами.

Штриховка. Помимо формы кристалла характерным свойством минерала, помогающим его диагностике, является штриховка на гранях: поперечная параллельная (кварц), продольная параллельная (турмалин, эпидот) либо пересекающаяся (магнетит).

В природе шире распространены не единичные кристаллы минерала, а различные их срастания, или агрегаты. Для многих минералов характерны определенным образом ориентированные закономерные двойниковые сростки двух или более кристаллов. Наиболее широко распространенные специфические формы минеральных агрегатов, срастаний и выделений, получившие особые названия, приводятся ниже.

Зернистые агрегаты. В зависимости от формы слагающих зерен различают собственно зернистые (состоящие из изометричных зерен), а также пластинчатые, листоватые, чешуйчатые, волокнистые, игольчатые, шестоватые и другие агрегаты. По величине зерен бывают агрегаты крупнозернистые – более 5 мм в поперечнике; среднезернистые – от 1 до 5 мм и мелкозернистые – с зернами менее 1 мм. Зернистыми агрегатами сложено, в частности, большинство изверженных и метаморфических горных пород, а также многие осадочные породы, некоторые типы сульфидных руд и др.

Друзы – сростки правильных, хорошо образованных кристаллов минералов на стенках пустот различной формы (трещин, каверн, «погребов», «занорышей», «пещер» и др.). В морфологическом отношении бывают весьма разнообразны: «щетки» кристаллов, «кристаллические корки» (мелкие тесно сросшиеся кристаллики, сплошь покрывающие стенки узких трещин), «гребенчатые» сростки и др. Друзы кристаллов типичны для пегматитов, некоторых типов гидротермальных жил и жил альпийского типа.

Секреции – выполнения пустот изометричной, часто округлой формы, отличающиеся концентрически-зональным строением. Внешние зоны секреций часто бывают выполнены аморфными или скрытокристаллическими минералами, а во внутренней их части сохраняется полость, на стенках которой нарастают друзы кристаллов или натечные агрегаты минералов. Мелкие секреции, встречающиеся в излившихся породах и туфах, называются миндалинами, крупные, особенно характерные для пегматитов и альпийских жил, – жеодами.

Конкреции – шарообразные или неправильной формы стяжения и желваки, образующиеся в рыхлых осадочных породах (илах, глинах, песках и др.). В отличие от секреций, конкреции разрастаются от какого-либо центра (обломочного зерна, органического остатка и т.д.), вокруг которого образуется сгусток коллоидального вещества, впоследствии раскристаллизованного. Конкреции характерны для фосфоритов, сидеритовых, марказитовых и других типов руд осадочного происхождения.

Конкреции – шарообразные или неправильной формы стяжения и желваки, образующиеся в рыхлых осадочных породах (илах, глинах, песках и др.)

Оолиты подобно конкрециям имеют сферическую форму, но величина их гораздо мельче: от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Они образуются путем наслоения коллоидального материала на песчинки и органические обломки, находящиеся в подвижных водных средах во взвешенном состоянии. Оолиты весьма характерны для некоторых известняков, осадочных железных и марганцевых руд, а также бокситов.

Натечные формы выделений минералов образуются на стенках различных пустот и полостей при медленном стекании растворов. К ним относятся известковые и ледяные сталактиты и сталагмиты пещер, по форме сходные с обычными ледяными сосульками, почковидные, гроздевидные выделения минералов в зонах окисления и выветривания рудных месторождений и др. Размеры и формы натечных образований могут быть самыми разнообразными: от долей миллиметра до громадных столбов (в больших пещерах). Натечные формы выделений характерны для многих гипергенных и низкотемпературных гидротермальных минералов: кальцита, арагонита, малахита, гематита, гидроокислов железа, марганца, опала, гипса, некоторых сульфидов, смитсонита и др.

Землистые массы – рыхлые, мягкие, мучнистые агрегаты аморфного или скрытокристаллического строения, сажистые (черного цвета) или охристые (желтого, бурого и других ярких цветов). Чаще всего образуются при химическом выветривании горных пород и в зоне окисления руд (например, руды марганца).

Налеты и примазки – тонкие пленки различных вторичных минералов, покрывающие поверхность кристаллов или пород. Таковы пленки лимонита на кристаллах горного хрусталя, примазки медной зелени по трещинам в горных породах, вмещающих сульфидные месторождения с минералами меди, и т.п.

Выцветы – периодически появляющиеся (в сухую погоду) и исчезающие (в дождливые периоды) рыхлые корочки, пленки, налеты, часто пушистые или моховидные, на поверхности сухих почв, руд и горных пород и по трещинам в них. Эти образования сложены чаще всего легкорастворимыми водными хлоридами, сульфатами разных металлов или же другими водно-растворимыми солями.

Топаз

Топаз является силикатным минералом алюминия и фтора. Имеет кристаллическую решетку пирамидальной формы. Чистый топаз прозрачный и бесцветный, но обычно окрашен разными примесями. Топаз может иметь различные цвета: желтый, бледно-серый, красноватый или сине-коричневый. Этот минерал является полудрагоценным. Большие запасы топаза находятся в Шри-Ланке, Германии, Австралии, Норвегии, Японии, Мексике, Бразилии и США.

2

Интересные факты о минералах

Некоторые минералы могут иметь жидкую форму. Например, лёд — это тоже минерал, а вот вода, которая образуется при таянии льда, к минералам уже не относится. А бывает и так, что минералом называют жидкость. Примером тому является самородная ртуть, она принимает кристаллическое состояние только при температуре −38 °C, но даже находясь в жидком состоянии, и не имея кристаллической структуры, относится к минералам.

Среди тысяч известных видов минералов, существует один, обладающий уникальными свойствами. Это Путнисит. Его химический состав настолько необычен, что, как с восторгом говорят учёные, не имеет связей ни с одним из известных видов. В его состав входят кислород, водород, стронций, хром, кальций, сера и углерод, что подтверждает его земное происхождение, и это весьма удивительно.

Корунд

Корунд — второй по твердости минерал в шкале Мооса. Это кристаллическая форма оксида алюминия со следами железа, ванадия, хрома и титана. Чистый корунд прозрачный, но с примесями может иметь различные цвета. В зависимости от цвета имеет разные названия. Красный корунд нам известен как рубин, оранжево-желтый — падпараджа, остальные цвета — сапфир или по-старому изумруд. Это драгоценный минерал.

1

Физические свойства Оптические

Цвет минерала

• Оранжево-красный
• Ярко-красный, реже темно-красный.
• Черта . Оранжево-желтая.
• Блеск на гранях кристаллов алмазный,
• Отлив в изломе смоляной или жирный.
• Прозрачность. Полупрозрачный.

Показатели преломления

Ng = 2,61, Nm =2,59 и Np =2,46

Механические

• Твердость 1,5–2
• Плотность 3,4—3,6.
• Спайность довольно совершенная по {010} и {120}.
• Излом. Раковистый.
• Плотность 3,4–3,6.

Алмаз

Алмаз — самый твердый из известных природных минералов в шкале Мооса. Его твердость зависит от его чистоты, а самый чистый и твердый можно поцарапать только другими алмазами. Некоторые синие алмазы являются природными полупроводниками, некоторые — изоляторами, а остальные — электрическими проводниками. Ежегодно в мире добывается около 26 т алмазов, из которых 50% приходится на Центральную и Южную Африку. Только другой алмаз может разрушить или распилить алмаз. Для их обработки используют абразивы с нанесением алмазной пыли. О самых крупных месторождениях алмаза можно узнать в этой статье.

Недавние исследования показали, что алмаз более не является самым твердым минералом на Земле. Следующие два минерала превосходят алмаз по твердости.

Химия минералов

Распространённость минералов на Земле является прямым следствием их химического состава, который, в свою очередь, зависит от распространённости различных химических элементов. Большинство наблюдаемых минералов добываются из земной коры. Большинство минералов имеют в своём основном составе всего 8 элементов, наиболее распространённых в земной коре: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий и калий (по степени убывания). Вместе эти восемь элементов составляют до 98 % от веса земной коры. Из этих восьми особое значение имеют кислород, составляющий 46,6 % от веса земной коры, и кремний, составляющий 27,7 %[9].

Химический состав минералов, как правило, близок по своему составу той породе, из которой они сформировались. Так из магмы, богатой железом и магнием, сформируется оливин, а магма, богатая силикатами, кристаллизуется в богатый силикатами минерал — как, например, кварц. В известняке, богатом кальцием и карбонатами, формируются кальциты.

Химический состав может изменяться между членами ряда минералов. Например, плагиоклазы, входящие в группу каркасных алюмосиликатов — полевых шпатов, по химическому составу представляют собой непрерывный изоморфный ряд натриево-кальциевых алюмосиликатов — альбита и анортита с неограниченной смесимостью. Имеются 4 опознанные разновидности между богатым натрием альбитом и богатым кальцием анортитом — олигоклаз, андезин, лабрадор и битовнит[10][11]. Другие примеры подобных рядов включают в себя оливиновый ряд от богатого магнием форстерита до богатого железом фаялита[12] и вольфрамитовый ряд от богатого марганцем гюбнерита до богатого железом ферберита[13].

Наличие минеральных рядов объясняется химической субституцией. В природе минералы не являются чистыми материалами. В них присутствуют примеси, состоящие из любых элементов, находящихся в данной химической системе. В результате иногда определённый элемент подменяется другим[14]. Такая подмена обычно происходит между ионами похожих размеров и одинаковых зарядов. Например, K+ не может подменить Si4+ из-за химической и структурной несовместимости, вызванной большим различием в размерах и в заряде, а подмена Si4+ на Al3+ происходит достаточно часто, так как они близки по размеру, заряду и распространённости в земной коре, что мы и наблюдаем на примере плагиоклазов.

Изменения температуры, давления и химического состава влияют на минералогический состав данной породы. Изменения химического состава могут быть вызваны такими процессами, как эрозия почвы и выветривание, а также метасоматизмом. Изменения температуры и давления происходят, когда материнская порода проходит тектонический или магматический сдвиг в иной физический режим. Изменения в термодинамических условиях благоприятно влияют на возможность реакции между уже сформировавшимися минералами с получением новых минералов[15].

Классификация минералов

Современные классификации минералов проводятся на структурно-химической основе[16]. Классификация утверждённая Международной минералогической ассоциацией (IMA) в 2009 году, периодически обновляется и утверждается заново.