Основы минералогии. Лекции

Некоторые агрегаты кристаллов.  
Зернистые агрегаты - сплошные массы произвольно сросшихся зерен одного или нескольких минералов. Каждое зерно - неогранившийся кристалл, выросший в стесненных условиях. 
Друзы (щетки) - группы кристаллов, наросших перпендикулярно или почти перпендикулярно к поверхности трещин, стенки жилы или полости в горной породе. Важнейшее явление - геометрический отбор. Сначала нарастают одиночные разноориентированные кристаллы, разрастаясь они соприкасаются друг с другом, упираются друг в друга, сами себе мешают расти. Продолжают расти только те кристаллы, вектор роста которых ориентирован в сторону свободного пространства, т.е. по нормали к поверхности трещины. Секреции образуются, когда какая-либо полость в горной породе заполняется минеральным веществом. Часто в центре секреций располагаются друзы. Чаще всего- секреции халцедона с друзами кварца внутри, приуроченные к миндалинам в базальте. 
Конкреции - шаровидные, иногда сплюснутые, неправильно округленные агрегаты радиально-лучистого строения. В их центре нередко находится зерно, которое служило затравкой при росте конкреции. Чаще всего они образуются в пористых осадочных породах - песках и глинах. (Конкреции кальцита, пирита и фосфоритов). Размеры от миллиметра до десятков сантиметров. 
Параллельно-шестоватые и волокнистые агрегаты обычно образуются в трещинах. Это - жилки шелковистого гипса, серпентин-асбеста, шестоватого кальцита. В одних случаях эти агрегаты кристаллизуются в открытых трещинах: сначала на стенках по принципу геометрического отбора нарастают друзы; разрастаясь навстречу друг другу они смыкаются и образуют параллельно-шестоватые или волокнистые агрегаты. В других - такие агрегаты формируются в постепенно приоткрывающихся трещинах, когда скорость приоткрывания меньше или равна скорости роста индивидов. Сначала трещина заполняется зернистым агрегатом минерала в виде сплошной тонкой жилки. Затем, по мере открывания зерна, упираясь друг в друга, могут расти только вслед за раздвигающимися стенками трещины. Они постепенно вытягиваются нормально стенкам, формируя параллельно-шестоватый или волокнистый агрегат. В иных случаях (параллельно-шестоватые (чаще волокнистые) агрегаты образуются при разрастании их от волосных трещин в обе стороны, рост идет по по принципу образования агрегатов первого и второго рода. 
Оолиты (бобовины или горошины) образуются в тех случаях, когда минерал кристаллизуется из раствора на каком-нибудь зернышке, как бы прикрывая его скорлупками, налегающими друг на друга. Они имеют концентрически-скорлуповатое строение, обязанное ритмичной смене минералообразования. Наиболее часто оолиты формируются в горячих источниках, в придонных озерных и морских илах. 
Они характерны для некоторых разновидностей бокситов, марганцевых и железных руд. Размеры оолитов - от миллиметров до нескольких сантиметров. 
Сферолиты и почковидные агрегаты названы так по своей морфологии. Сферолиты очень часто имеют почти идеально-шаровидную форму и размер от долей до 1-2 см и более. Они как шарики нарастают на другие минералы и и на стенки разных пустот в рудах и горных породах. Сферолиты образуются либо как результат расщепленного роста кристаллов, либо в них, как в конкреции, есть ядрышко-зерно (или зернистая масса), на которое нарастает минерал. Вследствие геометрического отбора или стесненных условий кристаллы могут разрастаться, только расходясь лучами от центра сферолита. 
Почковидные агрегаты состоят из множества соприкасающихся "почек", каждая из которых имеет, подобно сферолиту, радиально-лучистое строение, правда оно не всегда заметно невооруженным глазом. Особенно типичное строение имеют почковидные агрегаты гётита HFeO2 Х H2O и малахита Cu2(CO3)(OH)2. Их образование происходило на неровной поверхности за счет группового роста и геометрического отбора сферолитов; оставались и разрастались только те сферолиты, котрые находились на выпуклостях субстрата. В некоторых почковидных агрегатах заметно не только радиально-лучистое, но и концентрически-зональное строение, как отражение смены условий при росте агрегата. Наиболее часто почковидные агрегаты образуются в различных пустотах в приповерхностных зонах разрушения и выветривания руд и горных пород.

Физические  свойства минералов.  
Физические свойства минералов имеют большое практическое значение (радиоактивность, люминисценция, магнитность, твёрдость, оптические свойства и др.) и очень важны для их диагностики. Они зависят от химического состава и типа кристаллической структуры. Например, радиоактивные свойства минералов зависят от химического состава - наличие радиоактивных элементов, спайность минералов зависит от особенностей их кристаллической структуры, плотность - от химического состава и от типа кристаллической структуры. Физические свойства могут представлять скалярную велечину (независимы от направления), например плотность, или быть векторными (зависящими от направления), например твёрдость, спайность, оптические свойства.

Плотность. Плотности минералов (в г/см3) колеблются от велечин, примерно равных единицы, до 23.0 (платинистый иридий). Подавляющая масса минералов имеет плотность от 2.5 до 3.5, что обуславливает плотность земной коры, равную приерно 2.7-2.8. 
Минералы по плотности условно можно разделить на три группы: лёгкие (плотность до 3.0), средние (плотность от 3.0 до 4) и тяжёлые (плотность более 4). 
Некоторые минералы легко узнаются по большой плотности (барит4.6, церуссит 6.5). Как правило, миниралы, содержащие тяжёлые металлы, имеют большую плотность. Наибольшую плотность имеют самородные элементы - золото, серебро, минералы группы платины. В кристаллах одного и того же состава плотность определяется характером упаковки атомов в еденичной структурной ячейке. 
Для минералов, представляющих изоморфные ряды, увелечение (или уменьшение) плотности пропорционально изменеию химического состава. 
Механические свойства минералов обнаруживают при механическом действии на них: при сжатии, растяжении и ударе. Так же, как и оптические свойства, они различны в разных направлениях и связаны с анизртропией кристаллов. К числу важнейших механических свойств относят спайность и твёрдость. 
Спайность - способность кристаллов раскалываться по определённым кристаллографическим плоскостям с образованием блестящих поверхностей. Спайность может проявлятся в одном, двух, трёх, четырёх и шести кристаллографических направлениях. 
Почему в одних направлениях кристаллы раскалываются по спайности, а в других нет? Причина спайности заключается в силе сцепления между частицами кристалла, а последняя зависит от расстояния между частицами и от велечины ионных зарядов, взаимодействующих между собой. Плоскости спайности должны быть параллельны плоским сеткам пространственной решётки с наибольшими межплоскостными расстояниями. 
Для оценки спайности существует следующая шкала: 
1. Спайность весьма совершенная - кристалл колется на тончайшие пластинки с зеркальной поверхностью (слюда, гипс). 
2. Спайность совершенная - кристалл в любом месте колется по определённым направлениям, образуя ровные поверхности; неправильный излом получается крайне редко (кальцит, галит, галенит). 
3. Спайность средняя - при расколе образуются как ровные спайные поверхности, так и неровные поверхности излома (полевые шпаты, роговая обманка). 
4. Спайность несовершенная - ровные спайные поверхности редки, при изломе большей частью образуется неправильный излом (берил, апатит). 
5. Спайность весьма несовершенная - практически нет спайности, кристаллы имеют неровные поверхности излома при расколе (кварц, касситерит). 
В различных направлениях спайность кристалла может быть одинаковой или разной по степени совершенства. 
Твёрдость. Под твёрдостью кристалла понимается его сопротивление механическому воздействию более прочного тела. 
Существует несколько методов определения твёрдости. В минералогической практике принята шкала Мооса. Необходимо отметить относительность шкалы: если тальк имеет твёрдость 1, а гипс твёрдость 2, то это не означает, что гипс в 2 раза твёрже талька. Тоже самое можно сказать и относительно других минералах-эталонах. Твёрдость их условна, и при определении другими методами получены другие значения. 
Так же, как и спайность, твёрдость кристаллов обнаруживает анизотропию. Кристаллы алмаза имеют наибольшую спайность на гранях октаэдра, меньшую на гранях ромбододекаэдра, ещё меньшую на гранях куба. 
Оптические свойства. В естественном свете колебания электрического и магнитного векторов совершаются в каждый момент в различных направлениях, всегда перпендикулярных к направлению распространения световой волны (т.е. перпендикулярно к световому лучу).Такой свет носит название неполяризованного, или простого. 
При прохождении через оптически анизотропную среду свет становится поляризованным. Колебания поляризованного света проходят лишь в одной плоскости, проходящей через направление движения световой волны. 
Поляризация света происходит при прохождении через все кристаллы, за исключением кристаллов кубической сингонии; последние в оптическом отношении изотропны. Естественный свет, поступающий в кристалл, распадается на две световые волны, распространяющиеся с различными скоростями. Обе волны становятся поляризованными, причём плоскости их колебаний взаимно перпендикулярны. Это явление называется двупреломлением, или двойным светопреломлением. Двупреломление было открыто Бартолином в 1669 г. и в дальнейшем было изучено Х. Гюйгенсом. 
В кристаллах тригональной, тетрагональной и гексагональной сингоний имеется только одно направление, по которому не происходит двойного светопреломления. Это направление называется оптической осью, оно совпадает с осью симметрии высшего порядка. Поэтому кристаллы средних сингоний называются оптически одноосными. В кристаллах триклинной, моноклинной и ромбической сингоний имеются два направления, по которым не происходит двойного светопреломления; они в оптическом отношении двуосны. 
В кристаллах средних сингоний скорость распространения световых волн различна. Световая волна, распространяющаяся с одинаковой скоростью во всех направлениях, называется обыкновенной, а распространяющаяся в различных направлениях с различной скоростью - необыкновенной. Поверхностью первой световой волны является шар, а второй - эллипсоид вращения. 
Цвет. Минералы могут иметь самые различные цвета и оттенки. Цвет минералов зависит от их внутренней структуры, от механических примесей и главным образом от присутствия элементов-хромофоров, т.е. носителей окраски. Известны многие элементы-хромофоры, таковы Cr, V, Ti, Mn, Fe, Ni, Co, Cu, U, Mo и некоторые другие. Эти элементы могут быть в минерале главными, или могут быть в виде примесей. 
Побежалость - пёстрая или радужная окраска приповерхностного слоя. Она объясняется появлением тонких поверхностных плёнок за счёт изменения, например окисления, минералов. 
Цвет черты. Минералы, твёрдость которых невелика, оставляют черту на неглазурованной фарфоровой пластинке. Цвет черты, или цвет минерала в порошке может отличатся от цвета самого минерала. 
Блеск. Различают минералы с металлическим и неметаллическим блеском. Металлический блеск имеют те минералы (не зависимо от их окраски), которые дают чёрную черту. Неметаллический блеск характерен для минералов, дающих цветную или белую черту. Исключением являются только самородные элементы. 
Магнитность. Это свойство характерно для немногих минералов. Наиболее сильными магнитными свойствами обладает магнетит. Минералы обладающие сильным полярным магнетизмом, называются ферромагнитными. 
Существуют ещё: люминесценция, пироэлектричество, радиоактивность и др.

Эндогенные  процессы минералообразования.  
Эндогенные процессы всегда так или иначе связаны с деятельностью магмы.  
Среди них выделяют: 
Магматические процессы. К собственно магматическим процессам минералообразования относятся те, при которых минералы образуются непосредственно при кристаллизации магмы. Именно так возникли все минералы, слагающие магматические горные породы. 
Как известно из курса общей геологии, магматические горные породы делятся на две большие группы: интрузивные, закристаллизовавшиеся на глубине, и эффузивные, образовавшиеся вблизи или на поверхности земли. Магматические процессы минералообразования могут быть связаны и с интрузиями и с эффузиями 
Пегматитовый процесс. При кристаллизации гранитной магмы, образуется остаточный силикатный расплав, богатый соединениями редких и редкоземельных элементов и летучими веществами - минерализаторами. Этот силикатный расплав внедряется во вмещающие породы, заполняет в них трещины и полости и, кристаллизуясь, образует жильные крупнокристаллические тела - пегматиты. 
Пегматиты богаты различными минералами. Кроме главных породообразующих минералов - микроклина, плагиоклазов и биотита - часто встречаются турмалины, для некоторых пегматитов характерны берилл, сподумен и многие другие. 
Пегматитовые жилы могут достигать нескольких километров в длину и нескольких десятков метров мощности. Минералы пегматитов также достигают больших размеров. 
Пегматиты часто имеют зональное строение, причём разные минералы приурочены к разным зонам. 
Пневматолитовый процесс. Пневматолиз - процесс образования минералов из газовой фазы. На некоторых этапах кристаллизации магмы возможно отделение газов. По мере движения вверх по трещинам эти газы охлаждаются, реагируют друг с другом и с вмещающими породами, в результате чего образуются минералы. Пневматолиты (продукты пневматолиза) делятся на вулканические и глубинные. 
Вулканические пневматолиты образуются в вулканических областях за счёт газов, отделяющихся от магмы вблизи или на поверхности земли. Вулканические газы в огромных количествах уходят в атмосферу через жерла вулканов, фумаролы и трещины. 
В процессе возгона газа в трещинах лавовых покровов и кратерах вулканов происходит образование минералов. Преимущественно это хлориды и сульфаты - минералы, легко растворимые и поэтому не наблюдаемые в больших количествах. Обычно все минералы, образующиеся при вулканической деятельности, имеют вид налётов, мелкокристаллических корочек или землистых агрегатов. 
К вулканическим возгонам, связанным с базальтовой магмой, можно отнести скопления сульфидов на дне Восточно-Тихоокеанского поднятия (на глубине около 2.5 км). В зоне спрединга обнаружены активно действующие вулканические жерла, извергающие твёрдые частицы и флюиды с температурой 350-400?С. На "жерловых площадях" образуются сульфидные холмы высотой до 10 м. 
Скопления сульфидов по всей вероятности образованны благодаря редукции сульфата океанской воды во время её циркуляции, а также благодаря мобилизации вещества из базальтов. 
Глубинные пневматолиты образуются в том случае, когда газы отделяются от магматического очага в недрах земной коры. Они просачиваются сквозь горные породы, реагируют с ними, преобразуя их химический и минеральный состав. Степень химических преобразований пород под действием газов зависит от их химической активности, состава пород, тектонического строения и длительности процесса. 
Гидротермальный процесс. Гидротермы - горячие водные растворы, отделяющиеся от магмы или образующиеся в результате сжижения газов. 
Причина движения гидротерм - разность давлений. Когда внутренне давление растворов больше внешнего, растворы движутся в сторону наименьшего давления, обычно вверх, к поверхности земли. При своём движении они используют различные тектонические нарушения, трещины, зоны контактов. По мере удаления растворов от магматического очага температура их падает. В результате падения температуры и реакций с вмещающими породами гидротермы отлагают свой груз в виде минералов. Выделение минералов из водных растворов и представляет собой сущность гидротермального процесса. 
Поскольку гидротермы обычно движутся по трещинам, форма большинства гидротермальных минеральных тел жильная. Главнейшим жильным минералом является кварц.

Экзогенные  процессы минералообразования. 
В поверхностной зоне земной коры происходит мощный процесс разрушения минералов и горных пород. Совокупность явлений химического и физического разрушения носит общее название выветривания. 
Процессы выветривания. Процессы выветривания приводят к механическому разрушению и химическому разложению пород и минералов. 
Агентами выветривания являются вода и ветер, колебания температуры вблизи поверхности, кислород и углекислота воздуха, жизнедеятельность организмов. Интенсивность выветривания также зависит от климата, рельефа местности, химического состава пород и минералов. 
В результате физического выветривания происходит механическое разрушение пород и минералов - их дезинтеграция. Обломочный материал либо остаётся на месте, либо переносится водными потоками. Новых минералов при этом не образуется, но в результате механического разрушения, переноса и отложения образуются россыпи - важный источник многих ценных минералов. 
При химическом выветривании происходит химическое разложение минералов и образуются новые минералы, устойчивые в поверхностных условиях. 
Большое значение имеют процессы выветривания в рудных месторождениях. Во вскрытых эрозией рудных жилах первичные рудные минералы, в особенности сульфиды, легко разрушаются и переходят во вторичные, окисленные минералы - сульфаты, окислы, карбонаты и другие соединения. 
В результате образуются зоны окисления сульфидных месторождений, или зоны "железной шляпы". 
Главным минералом зоны окисления является лимонит. 
Ниже уровня грунтовых вод следует зона цементации, или вторичного сульфидного обогащения, за которой находятся первичные не окисленные руды. В зоне цементации воды содержат сероводород и серную кислоту; в них отсутствует свободный кислород. Сульфаты металлов реагируют с первичными рудами, в результате чего образуются вторичные руды. 
Осадочный процесс. Разрушенные в результате выветривания огромные массы горных пород и минералов перемещаются текучими водами. При этом происходит сортировка материала и его отложение. Так образуются механические остатки, имеющие очень широкое распространение. 
Химическое осаждение минералов может происходить как из истинных так и из коллоидных растворов. Из пересыщенных растворов вещества выпадали в осадок. Таково происхождение различных солей: гипса, галита, карналлита и др. Это - химические остатки. 
Большую роль в разрушении минералов и горных пород и в их новообразовании играют живые организмы, главным образом различные бактерии. Поэтому можно выделить биогенный или точнее биохимический процесс. Установлено участие организмов в образовании фосфоритов, самородной серы, руд железа и марганца. Минералы, образовавшиеся при участии организмов предложили называть биолитами. К биолитам можно отнести и породы, например, карбонатные (известняки, мел), которые образовались в результате скопления организмов с известковым скелетом, а также каменный уголь, торф и др.

Метаморфические горные породы. Осадочные горные породы благодаря движениям земной коры могут попасть в более глубокие зоны литосферы, где существуют иные термодинамические условия, чем на поверхности. При этом они будут испытывать изменения - метаморфизм, главными факторами которого являются температура и давление. Механизм метаморфических процессов заключается в обезвоживании, перекристаллизации и метасоматических явлениях. Так, известняк, подвергаясь метаморфизму, переходит в кристаллическую зернистую породу - мрамор, песчаник - в кварцит. Метаморфизму могут подвергаться не только осадочные, но и магматические породы. 
Выделяют контактовый, дислокационный и региональный метаморфизм. 
Контактовый метаморфизм проявляется на контакте двух пород, обычно магматической и осадочной. Если магматический расплав, имеющий температуру около 1000? и богатый различными газами, под большим давлением внедряется в вышележащие породы, то, естественно, последние должны с ним реагировать, особенно, если это химически активные породы, такие, например, как известняки. 
Дислокационный метаморфизм обычно выражается в дроблении и перетирании горных пород и в образовании тектонических брекчий. 
Региональный метаморфизм протекает на больших глубинах и захватывает огромные площади. При региональном метаморфизме, например в результате перекристаллизации при одностороннем давлении, могут образовываться минералы, которые в других условиях не возникают. 
С региональным метаморфизмом связывают также образование так называемых сухих трещин. Эти жильные тела, развитые в метаморфических породах, образуются благодаря тектоническим напряжениям в местах разрыва.

Типоморфные признаки, генерации  и парагенезис  минералов.  
Признаки по которым с известным приближением можно установить состав, температуру образования или происхождение минералов, носят названия типоморфных. 
Минералы образуются в природе при определённых физико-химических условиях среды. Изменение этих условий, например состава среды, приводит до известной степени к изменеию состава минералов, что отражается на их цвете. 
Минералы, обладающие типоморфными признаками, называются типоморфными минералами. 
Каждый минерал образуется в определённом температурном интервале. Иногда этот интервал составляет сотни градусов, в других случаях температура образования более или менее определена. Это позволяет условно градуировать процессы минералообразования. Так, например, низкотемпературный кварц образуется при температуре ниже 575?С. Следовательно, и другие минералы, образовавшиеся одновременно с ним или после него, также имеют температуру образования ниже 575?С. 
По взаимоотношениям минералов между собой, т.е. по пересечению одних минералов другими, в ряде случаев удаётся установить порядок их выделения. Нередко один и тот же минерал выделяется несколько раз в процессе минералообразования, т.е. имеет несколько генераций. 
Минералы различных генераций нередко отличаются друг от друга по химическому составу и внешним признакам - цвету, величине зерна, огранке и т. д. Так, кварц более ранних генераций часто имеет серый цвет, а более поздних - белый. 
Парагенезис - совместное образование минералов в природных процессах. Парагенетические ассоциации минералов - это группы минералов, образовавшиеся благодаря одному и тому же процессу.