Введение: основные понятия минералогии

Минералогия  наука о минералах. «Минера» изначально означало «руда». Отсюда ясно, что понятия «минерал» и «минералогия» формировались исходя из потребностей человечества в руде. В действительности минералогические знания начали накапливаться значительно раньше – с того момента, когда у человека появилась потребность различать камни. Исторически менялось и понятие «минерал». К настоящему времени существует более 30 определений. На Международном минералогическом конгрессе удалось договориться об объеме понятия, поскольку оно лежит в основе систематики минералов, пород, руд, то есть в основе профессиональной работы и языка.

В настоящее время к минералам относят природные кристаллические вещества, образовавшиеся в результате геохимических или космохимических (то есть физико-химических) процессов. Это означает, что в число минералов не включают синтезированные человеком кристаллические вещества, в том числе аналоги минералов, а также исключаются все некристаллические соединения. То есть минералами не являются битумы, смолы, вулканические стекла и другие аморфные вещества; вода, воздух и другие жидкие и газообразные вещества, а также минералообразующие среды – рассолы, магмы и др., хотя они и образуются в результате тех же геохимических процессов.

Органические кристаллические соединения (соли органических кислот, некоторые смолы и др.) выделяются в отдельное таксономическое подразделение, которое редко включается в курсы минералогии. Однако в минералогии обычно рассматриваются те природные неорганические вещества, которые образовались, изначально имея кристаллическое строение, а затем утратили его вследствие какого-либо воздействия, – например, радиоактивного облучения (так называемые метамиктные минералы). Иногда в виде исключения среди минералов рассматривают небольшое число рентгеноаморфных веществ (опал), называя их при этом минералоидами.

Сущностной характеристикой веществ, относимых к минералам, является их конституция – единство их кристаллической структуры и химического состава. При этом размер минеральных индивидов может быть любым – от кристаллов весом в несколько тонн до глобул из коллоидных растворов.

В ходе развития минералогии выяснилась недостаточность и неоднозначность термина «минерал» и было предложено более емкое понятие

«минеральный вид». В нас­тоя­щее время оно является основой большинства классификаций минералов. Впервые это понятие введено в минералогию А. К. Бол­дыревым в 1929 году, оно развивалось В. С. Соболевым (1947) и окон­ча­тель­но сформировано в том виде, в котором мы будем им пользоваться, А. А. Го­до­виковым (1979).

К одному минеральному виду В. С. Соболев относит минералы с однотипной структурой и составом, изменяющимся в границах, определяемых двумя факторами: 1) непрерывностью изменения; 2) невозможностью существования двух или нескольких фаз в известном интервале температуры (Т) и давления (Р) геохимического процесса. Что означают эти два ограничения?

1 . Непрерывность изменения. Речь идет о непрерывном изменении состава в пределах одной структуры, т. е. о проявлении полного (или совершенного) изоморфизма. Это будут: а) изоморфный ряд в бинарных системах, б) поле в трехкомпонентных системах и в) область в четверных системах (рис. 1), г) область в фазовом пространстве.

Такой полный изоморфизм можно проиллюстрировать диаграммами плавкости I, II и III типа по Розебуму, где в пределах А–В (I) или A–C и С–В (II, III) могут образоваться минералы любого промежуточного состава (рис. 2).

Пример: Ca-Na полевые шпаты – непрерывный ряд твердых растворов от альбита (Na) до анортита (Са) В. С. Соболев рассматривал как один минеральный вид плагиоклазов.

И сходя из этого условия, в случае ограниченного изоморфизма, когда нет непрерывной смены состава во всем интервале возможных составов, естественно выделять два минеральных вида (рис. 3): например, сфалерит (ZnS) и гринокит (CdS). Эти случаи можно охарактеризовать диаграммами IV и V типа по Розебуму (рис. 4). Сюда, как частный случай, следует отнести образование двойных и более сложных соединений с выделением трех минеральных видов (рис. 5).

2. Невозможность равновесного существования двух или нескольких фаз в некотором интервале Т и Р.

З десь необходимо вспомнить о полиморфизме. Одно и то же химическое соединение может кристаллизоваться, образуя различную структуру. При этом каждая характеризуется своим полем устойчивости в параметрах Р, Т, рН или Еh. Например, для кремнезема SiO₂ существует несколько полиморфных модификаций: тригональный кварц, гексагональный кварц, тридимит, кристобалит, коэсит, стишовит, и каждая имеет свое поле устойчивости, отделенное от соседнего линией равновесия на диаграмме «температура – давление». Каждую из них рассматривают как самостоятельный минеральный вид, который сосуществует с другим лишь при условиях, соответствующих линии рав­но­весия. На рис. 6 показан пример поли­морфных ­ных модификаций SiO₂.

П римеры других поли­морф­ных минеральных ви­дов: С (уг­лерод) – графит, алмаз, лонсдейлит; СаСО₃ – кальцит, арагонит, фатерит; FeS₂ – пирит, марказит; TiO₂ – рутил, брукит, анатаз.

О чень важно также, что с изменением условий может резко меняться смесимость компонентов в изоморфных смесях (твердых растворах), и тогда могут возникать продукты одинакового состава, но с разными структурами, то есть раз­личные минеральные ви­ды. Например, для K-Na полевых шпатов – с ростом температуры триклинный микроклин сменяется моноклинным ортоклазом, а затем, из-за увеличения смесимости с альбитом, – моноклинным санидином (рис. 7).

Дальнейшие уточнения по­­ня­тия минерального вида – в пределах того же кристалло­­химически-гене­ти­чес­кого подхода (с учетом конституции минералов и условий их образования) – внесены А. А. Го­довиковым. Он показал, что в случае непрерывных твердых растворов практически неудобно пользоваться понятием «минеральный вид» в том объеме, как это предложено В. С. Соболевым. Появляется необходимость выделять дроб­ные участки изоморфного ряда. При этом одни минералоги такие промежуточные участки называют собственно минеральным ви­дом, а крайние члены ряда – разновидностями, дру­гие – наоборот, что приводит к путанице. Поэтому А. А. Годовиков предложил для всей совокупности минералов, образующих изоморфные смеси, общее название «род», а для минерального вида дал следующее определение: «К одному минеральному виду относятся минералы с однотипной структурой и с составом, отвечающим индивидуализированным химическим соединениям (в том числе  крайним и промежуточным членам серий непрерывных твердых растворов), который может изменяться в границах, определяемых непрерывностью изменения (а в сериях непрерывных твердых растворов  условно принятыми границами) и невозможностью равновесного существования двух или нескольких фаз в известном интервале Т и Р природного физико-химического процесса».

В соответствии с таким определением полиморфные модификации, как и у В. С. Соболева, будут относиться к различным минераль­ным видам.

В бинарных системах твердых растворов границы выделения минеральных видов проводятся по содержанию одного из компонентов (в мол. %). Чаще всего используются пре­делы 0–50–100 %, 0–25–50–75–100 %, 0–10–90–100 % и др., при этом состав промежуточных подразделений вы­ражают номером (долей в мол. %) одного из крайних членов. Так, для плагиоклазов выделяют шесть минеральных видов, состав которых характеризуют номером по содержанию анортитового (Са) компонента; например, андезин – это Pl № 30–50 или An_30-50 (рис. 8).

В тройных системах при таком подходе выделяют от 3 до 7 минеральных видов. Например, для рода оливина (твердых растворов с край-

ними членами Mg₂[SiO₄]Fe₂[SiO₄]Mn₂[SiO₄]) при таком выделении (рис. 9) состав конкретного минерала может не отвечать составу чистого минерального вида, а соответствовать смеси двух, трех и более крайних членов, которые в таком случае называют миналами. Иногда минал как самостоятельный минерал может и не существовать, а является лишь условным компонентом для выражения химизма реальных минералов. Например, в составе природных пиропов  Mg-Al гранатов  присутствуют миналы альмандина (Fe-Al), гроссуляра (Ca-Al), уваровита (Ca-Cr), кноррингита (Mg-Cr), то есть природные пиропы являются сложным твердым раствором собственно пиропа с перечисленными компонентами, из которых уваровит и кноррингит  условные миналы. Так как эти компоненты находятся в подчиненных количествах, то минерал с таким составом относят к минеральному виду «пироп» (по преобладающему миналу).

Будут ли относиться к различным минеральным видам минералы с энантиоморфными структурами, например, правый и левый кварц? Нет, поскольку они не имеют своих полей устойчивости, образуются в одних и тех же условиях. По этой же причине к одному минеральному виду следует относить структурные политипы одного и того же вещества (политипия особенно развита среди минералов со слоистой структурой  графит, молибденит, слюды; ориентировка и взаимное смещение соседних слоев могут быть различны, различной может быть и последовательность чередования слоев, что сказывается на симметрии политипов: графит 2Н и 3R). В случае так называемых смешаннослойных минералов, в которых чередуются пачки слоев, принадлежащих разным минеральным видам (например, чередование пачек слоев со структурой типа слюд, глин, хлоритов), такие минералы рассматриваются как смеси минеральных видов.

Для того чтобы обозначить в пределах минерального вида все эти особенности структуры (политипы, степень упорядоченности, энантиоморфизм), состава (характер и количество второстепенных примесей), свойств и морфологии, выделяют разновидности. Например, по содержанию Fe в сфалерите различают разновидности: клейофан  безжелезистый или маложелезистый; марматит  высокожелезистый. По цвету, связанному с различным характером примесей, для берилла выделяют разновидности: зеленый – изумруд; голубой  аквамарин; золотистый  гелиодор; розовый  воробьевит. По морфологии: брункит  порошковатый сфалерит; селенит  волокнистый гипс; деревянистое олово  колломорфный касситерит и т. д.

Рассмотрев основные понятия (минерал, минеральный вид, род, разновидность), остановимся еще на двух важных в минералогии терминах  генезис и парагенезис.

Понятие «генезис» введено В. И. Вернадским в 1925 году. Он писал: «Минералогия представляет собой химию земной коры. Она имеет задачей изучение как продуктов химических процессов, так и самих процессов»,  то есть способа образования минералов. Таким образом, под генезисом понимают физико-химический процесс образования минералов.

Понятие генезис находится в прямой связи с понятием парагенезис, которое под названием «смежность минералов» было введено В. М. Севергиным в 1790 году. Он понимал под смежностью совместное и обязательное нахождение минералов в природе. Собственно название парагенезис введено в 1849 году Брейтгауптом. Сейчас этот термин понимают двояко:

1) для обозначения совместного нахождения минералов, что более строго следует называть ассоциацией минералов;

2) для обозначения совместно образующихся минералов.

В последнем случае говорят о парагенетической ассоциации – совокупности минералов, устойчивых (равновесных) в пределах времени их совместного образования в ходе единого геологического процесса. Знание парагенетических ассоциаций (парагенезиса) минералов позволяет, во-первых, по одному-двум минералам вести поиск остальных, характерных для того же парагенезиса (например, поиск алмазоносных кимберлитовых трубок по парагенетическому спутнику алмаза – кнорригит-содержащему пиропу); во-вторых, использовать некоторые парагенезисы, для которых определены условия их образования, как геологические термометры и барометры (например, равновесная парагенетическая ассоциация трех полиморфных модификаций Al₂SiO₅ – андалузит–силлиманит–кианит – является реперной точкой для оценки температур и давлений при региональном метаморфизме); в-третьих, именно по парагенетической ассоциации определяют генетический тип, т. е. генезис минералов.

При определении генезиса и парагенезиса необходимо иметь в виду, что процессы сменяют друг друга во времени и условия могут меняться даже в ходе одного геологического процесса, а это означает, что парагенетическая ассоциация минералов, возникших на одной стадии процесса, может оказаться неравновесной в новых условиях в конце того же процесса.

Следует иметь в виду, что инерция сохранения парагенетических ассоциаций очень велика. Если бы минералы так быстро изменялись, подстраиваясь к новым условиям, мы не имели бы ни гранитов, ни метаморфических пород, ни каких-либо других минеральных образований, возникающих на глубине, то есть не имели бы никакой информации о происходящих там процессах. Именно инерционность кристаллических решеток минералов позволяет им сохраняться в состоянии ложного (метастабильного) равновесия в условиях, сильно отличных от условий их образования.

При минералообразовании возможна резкая смена физико-химических условий, например, при излиянии лав – кристаллизация эффузивных пород с образованием порфировых вкрапленников, неравновесных с остальной частью лавы, которая быстро остывает и образует вулканическое стекло; или же при реализации взрывных механизмов – минералообразование в трубках взрыва или в случае метеоритных ударов с образованием кратеров и так называемых импактных (ударно-измененных) пород.

В связи со стадийностью минералообразования возможно образование минералов, которые возникают и разрушаются в ходе одного процесса, так что о былом их существовании можно догадаться лишь по редким реликтам, реакционным взаимоотношениям, псевдоморфозам. Такие минералы, которые могут существовать в процессе лишь как промежуточное звено, В. С. Соболев предложил называть хроноксенами (от греч. хронос – время, ксенос – чуждый).