Минералогия [n 1] — предмет геологии , специализирующийся на научном изучении химии , кристаллической структуры и физических (в том числе оптических ) свойств минералов и минерализованных артефактов . Конкретные исследования в области минералогии включают процессы происхождения и образования минералов, классификацию минералов, их географическое распространение, а также использование.
Ранние сочинения по минералогии, особенно о драгоценных камнях , происходят из древней Вавилонии , древнего греко-римского мира, древнего и средневекового Китая , а санскритские тексты - из древней Индии и древнего исламского мира. [4] Книги по этой теме включали « Естественную историю » Плиния Старшего , в которой не только описывались многие различные минералы, но и объяснялись многие их свойства, а также «Китаб аль-Джавахир» («Книга драгоценных камней») персидского ученого Аль-Бируни . Немецкий специалист по эпохе Возрождения Георгиус Агрикола написал такие работы, как «De re Metallica» ( «О металлах» , 1556 г.) и «De Natura Fossilium» ( «О природе горных пород» , 1546 г.), которые положили начало научному подходу к этому предмету. Систематические научные исследования минералов и горных пород развивались в постренессансной Европе . [4] Современное изучение минералогии было основано на принципах кристаллографии ( истоки самой геометрической кристаллографии можно проследить до минералогии, практиковавшейся в восемнадцатом и девятнадцатом веках) и микроскопического изучения разрезов горных пород с изобретением микроскопа в 17 веке . [4]
Николас Стено впервые наблюдал закон постоянства межфазных углов (также известный как первый закон кристаллографии) в кристаллах кварца в 1669 году . в 1783 году. [6] Рене Жюст Аюи , «отец современной кристаллографии», показал, что кристаллы являются периодическими, и установил, что ориентации граней кристаллов могут быть выражены через рациональные числа, как позже закодировано в индексах Миллера. [5] : 4 В 1814 году Йёнс Якоб Берцелиус представил классификацию минералов, основанную на их химическом составе, а не на кристаллической структуре. [7] Уильям Никол разработал призму Николя , которая поляризует свет, в 1827–1828 годах во время изучения окаменелой древесины; Генри Клифтон Сорби показал, что тонкие срезы минералов можно идентифицировать по их оптическим свойствам с помощью поляризационного микроскопа . [5] : 4 [7] : 15 Джеймс Д. Дана опубликовал свое первое издание «Системы минералогии» в 1837 году, а в более позднем издании представил химическую классификацию, которая до сих пор является стандартом. [5] : 4 [7] : 15 Рентгеновская дифракция была продемонстрирована Максом фон Лауэ в 1912 году и превратилась в инструмент для анализа кристаллической структуры минералов командой отца и сына Уильяма Генри Брэгга и Уильяма Лоуренса Брэгга . [5] : 4
Совсем недавно, благодаря достижениям в экспериментальной технике (например, дифракции нейтронов ) и имеющимся вычислительным мощностям, последняя из которых позволила чрезвычайно точно моделировать поведение кристаллов в атомном масштабе, наука расширилась, чтобы рассмотреть более общие проблемы в области области неорганической химии и физики твердого тела . Однако основное внимание уделяется кристаллическим структурам, обычно встречающимся в породообразующих минералах (таких как перовскиты , глинистые минералы и каркасные силикаты ). В частности, в этой области достигнуты большие успехи в понимании взаимосвязи между атомной структурой минералов и их функциями; В природе яркими примерами могут быть точные измерения и прогнозирование упругих свойств минералов, что привело к новому пониманию сейсмологического поведения горных пород и связанных с глубиной разрывов в сейсмограммах мантии Земли . С этой целью, в своем фокусе на связи между явлениями атомного масштаба и макроскопическими свойствами, науки о минералах (как они сейчас широко известны), возможно, больше пересекаются с наукой о материалах, чем любая другая дисциплина.
Первым шагом в идентификации минерала является изучение его физических свойств, многие из которых можно измерить с помощью ручного образца. Их можно классифицировать по плотности (часто обозначаемой как удельный вес ); меры механического сцепления ( твердость , прочность , раскол , излом , расслоение ); макроскопические визуальные свойства ( блеск , цвет, штриховка , люминесценция , прозрачность ); магнитные и электрические свойства; радиоактивность и растворимость в хлористом водороде ( HCl ). [5] : 97–113 [8] : 39–53
Твердость определяется сравнением с другими минералами. В шкале Мооса стандартный набор минералов нумеруется в порядке возрастания твердости от 1 (тальк) до 10 (алмаз). Более твердый минерал поцарапает более мягкий, поэтому в эту шкалу можно поместить неизвестный минерал, по которому минералы; оно царапается и которое его царапает. Некоторые минералы, такие как кальцит и кианит, имеют твердость, которая существенно зависит от направления. [9] : 254–255 Твердость также можно измерить по абсолютной шкале с помощью склерометра ; по сравнению с абсолютной шкалой шкала Мооса нелинейна. [8] : 52
Под прочностью понимается поведение минерала, когда он ломается, раздавливается, сгибается или рвется. Минерал может быть хрупким , ковким , сектильным , пластичным , гибким или эластичным . Важное влияние на прочность оказывает тип химической связи ( например, ионная или металлическая ). [9] : 255–256.
Из других мер механического сцепления расщепление — это тенденция к разрыву в определенных кристаллографических плоскостях. Оно описывается качеством ( например , идеальное или удовлетворительное) и ориентацией плоскости в кристаллографической номенклатуре.
Расставание — это тенденция к разрыву по плоскостям слабости из-за давления, спаривания или распада . Там, где эти два типа разрыва не встречаются, перелом представляет собой менее упорядоченную форму, которая может быть раковистой (имеющей плавные кривые, напоминающие внутреннюю часть раковины), волокнистой , осколочной , зазубренной (зазубренной с острыми краями) или неровной . [9] : 253–254.
Если минерал хорошо кристаллизован, он также будет иметь характерную кристаллическую форму (например, шестиугольную, столбчатую, ботриоидную ), которая отражает кристаллическую структуру или внутреннее расположение атомов. [8] : 40–41 На него также влияют дефекты кристалла и двойникование . Многие кристаллы полиморфны и имеют более одной возможной кристаллической структуры в зависимости от таких факторов, как давление и температура. [5] : 66–68 [8] : 126
Кристаллическая структура – это расположение атомов в кристалле. Она представлена решеткой точек , повторяющей базовый узор, называемый элементарной ячейкой , в трех измерениях. Решетку можно охарактеризовать ее симметрией и размерами элементарной ячейки. Эти измерения представлены тремя индексами Миллера . [11] : 91–92 Решетка остается неизменной благодаря определенным операциям симметрии относительно любой данной точки решетки: отражению , вращению , инверсии и вращательной инверсии , комбинации вращения и отражения. Вместе они составляют математический объект, называемый кристаллографической точечной группой или кристаллическим классом . Существует 32 возможных класса кристаллов. Кроме того, есть операции, смещающие все точки: трансляция , винтовая ось и плоскость скольжения . В сочетании с точечными симметриями они образуют 230 возможных пространственных групп . [11] : 125–126
Большинство геологических отделов имеют порошковое рентгеновское оборудование для анализа кристаллической структуры минералов. [8] : 54–55 Рентгеновские лучи имеют длину волны того же порядка, что и расстояния между атомами. Дифракция , конструктивная и деструктивная интерференция между волнами, рассеянными на разных атомах, приводит к появлению характерных узоров высокой и низкой интенсивности, которые зависят от геометрии кристалла. В образце, измельченном в порошок, рентгеновские лучи определяют случайное распределение всех ориентаций кристаллов. [12] Порошковая дифракция позволяет различить минералы, которые могут выглядеть одинаково в ручном образце, например, кварц и его полиморфные модификации тридимит и кристобалит . [8] : 54
Изоморфные минералы различного состава имеют схожие порошковые дифрактограммы, основное различие заключается в расстоянии и интенсивности линий. Например, кристаллическая структура NaCl ( галита ) имеет пространственную группу Fm3m ; эту структуру разделяют сильвинит ( KCl ) , периклаз ( MgO ), бунсенит ( NiO ), галенит ( PbS ) , алабандит ( MnS ) , хлораргирит ( AgCl ) и осборнит ( TiN ) . [9] : 150–151
Некоторые минералы являются химическими элементами , включая серу , медь , серебро и золото , но подавляющее большинство из них являются соединениями . Классическим методом определения состава является мокрый химический анализ , который включает растворение минерала в кислоте, такой как соляная кислота (HCl). Затем элементы в растворе идентифицируются с помощью колориметрии , объемного анализа или гравиметрического анализа . [9] : 224–225.
С 1960 года большая часть химического анализа проводится с использованием приборов. Один из них, атомно-абсорбционная спектроскопия , похож на «мокрую химию» тем, что образец все равно необходимо растворить, но это намного быстрее и дешевле. Раствор испаряют и измеряют его спектр поглощения в видимом и ультрафиолетовом диапазоне. [9] : 225–226 Другими методами являются рентгеновская флуоресценция , электронно-микрозондовый анализ , атомно-зондовая томография и оптическая эмиссионная спектрография . [9] : 227–232.
Помимо макроскопических свойств, таких как цвет или блеск, минералы обладают свойствами, для наблюдения за которыми требуется поляризационный микроскоп.
Когда свет проходит из воздуха или вакуума в прозрачный кристалл, часть его отражается от поверхности, а часть преломляется . Последнее представляет собой искривление светового пути, происходящее из-за изменения скорости света по мере его попадания в кристалл; Закон Снелла связывает угол изгиба с показателем преломления , отношением скорости в вакууме к скорости в кристалле. Кристаллы, точечная группа симметрии которых попадает в кубическую систему , изотропны : индекс не зависит от направления. Все остальные кристаллы анизотропны : свет, проходящий через них, распадается на два плоскополяризованных луча , которые движутся с разной скоростью и преломляются под разными углами. [9] : 289–291.
Поляризационный микроскоп похож на обычный микроскоп, но имеет два плоскополяризованных фильтра: поляризатор под образцом и анализатор над ним, поляризованные перпендикулярно друг другу. Свет последовательно проходит через поляризатор, образец и анализатор. Если образца нет, анализатор блокирует весь свет от поляризатора. Однако анизотропный образец обычно меняет поляризацию, поэтому часть света может пройти. В качестве образцов можно использовать срезы и порошки. [9] : 293–294.
Когда рассматривают изотропный кристалл, он кажется темным, поскольку не меняет поляризацию света. Однако, когда его погружают в калиброванную жидкость с меньшим показателем преломления и микроскоп выходит из фокуса, по периметру кристалла появляется яркая линия, называемая линией Бекке . Наблюдая за наличием или отсутствием таких линий в жидкостях с разными индексами, можно оценить индекс кристалла обычно с точностью ±0,003 . [9] : 294–295.
Систематическая минералогия – это выявление и классификация минералов по их свойствам. Исторически минералогия в значительной степени занималась систематикой породообразующих минералов. В 1959 году Международная минералогическая ассоциация сформировала Комиссию по новым минералам и названиям минералов для рационализации номенклатуры и регулирования введения новых названий. В июле 2006 года она была объединена с Комиссией по классификации полезных ископаемых и образовала Комиссию по новым минералам, номенклатуре и классификации. [13] Существует более 6000 названных и безымянных минералов, и каждый год открывается около 100. [14] В «Руководстве по минералогии» минералы отнесены к следующим классам: самородные элементы , сульфиды , сульфосоли , оксиды и гидроксиды , галогениды , карбонаты, нитраты и бораты , сульфаты, хроматы, молибдаты и вольфраматы , фосфаты, арсенаты и ванадаты , силикаты . [9]
Среды образования и роста минералов весьма разнообразны: от медленной кристаллизации при высоких температурах и давлениях магматических расплавов глубоко в земной коре до низкотемпературных осадков из соленой воды на поверхности Земли.
Различные возможные методы формирования включают: [15]
Биоминералогия – это область, пересекающая минералогию, палеонтологию и биологию . Это исследование того, как растения и животные стабилизируют минералы под биологическим контролем, а также последовательность замены этих минералов после осаждения. [16] Он использует методы химической минералогии, особенно изотопных исследований, для определения таких вещей, как формы роста живых растений и животных [17] [18] , а также таких вещей, как исходный минеральный состав окаменелостей. [19]
Новый подход к минералогии, называемый эволюцией минералов , исследует совместную эволюцию геосферы и биосферы, включая роль минералов в зарождении жизни и таких процессах, как органический синтез, катализируемый минералами, и селективная адсорбция органических молекул на минеральных поверхностях. [20] [21]
В 2011 году несколько исследователей начали разрабатывать базу данных по эволюции минералов. [22] Эта база данных объединяет краудсорсинговый сайт Mindat.org , на котором имеется более 690 000 пар минерал-местоположение, с официальным списком одобренных минералов IMA и данными о возрасте из геологических публикаций. [23]
Эта база данных позволяет применять статистику для ответа на новые вопросы - подход, получивший название экологии минералов . Один из таких вопросов заключается в том, насколько эволюция минералов детерминирована и насколько результат случайности . Некоторые факторы являются детерминированными, например химическая природа минерала и условия его стабильности ; но на минералогию также могут влиять процессы, определяющие состав планеты. В статье 2015 года Роберт Хейзен и другие проанализировали количество минералов, включающих каждый элемент, в зависимости от его содержания. Они обнаружили, что Земля, с более чем 4800 известными минералами и 72 элементами, имеет степенную зависимость. Луна, содержащая всего 63 минерала и 24 элемента (на основе гораздо меньшей выборки), имеет по сути такое же соотношение. Это означает, что, учитывая химический состав планеты, можно предсказать более распространенные минералы. Однако распределение имеет длинный хвост : 34% минералов были обнаружены только в одном или двух местах. Модель предсказывает, что еще тысячи минеральных видов могут ожидать открытия или сформировались, а затем были потеряны в результате эрозии, захоронения или других процессов. Это предполагает роль случая в образовании редких минералов. [24] [25] [26] [27]
В другом случае использования больших наборов данных сетевая теория была применена к набору данных об углеродистых минералах, выявив новые закономерности в их разнообразии и распределении. Анализ может показать, какие минералы имеют тенденцию сосуществовать и какие условия (геологические, физические, химические и биологические) с ними связаны. Эту информацию можно использовать для прогнозирования, где искать новые месторождения и даже новые виды полезных ископаемых. [28] [29] [30]
Минералы необходимы для удовлетворения различных потребностей человеческого общества, например, минералы, используемые в качестве руд для основных компонентов металлических изделий, используемых в различных товарах и машинах , необходимые компоненты строительных материалов, таких как известняк , мрамор , гранит , гравий , стекло , штукатурка , цемент , и т. д. [15] Минералы также используются в удобрениях для улучшения роста сельскохозяйственных культур.
Коллекционирование минералов также является развлекательным хобби, связанным с изучением и коллекционированием , и эту область представляют клубы и общества. [32] [33] Музеи, такие как Смитсоновский национальный музей естественной истории, зал геологии, драгоценных камней и минералов , Музей естественной истории округа Лос-Анджелес , Музей естественной истории Карнеги , Музей естественной истории в Лондоне и Частный музей минералов Мим в Бейруте , Ливан , [34] [35] имеет популярные коллекции образцов минералов в постоянной экспозиции. [36]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )