В геологии и минералогии минерал или минеральный вид — это, в общем, твёрдое вещество с довольно определённым химическим составом и определённой кристаллической структурой , которое встречается в природе в чистом виде. [1] [2]
Геологическое определение минерала обычно исключает соединения, которые встречаются только в живых организмах. Однако некоторые минералы часто являются биогенными (например, кальцит ) или органическими соединениями в смысле химии (например, меллит ). Более того, живые организмы часто синтезируют неорганические минералы (например, гидроксилапатит ) , которые также встречаются в горных породах.
Понятие минерал отличается от скалы , которая представляет собой любой сплошной геологический материал, который относительно однороден в достаточно большом масштабе. Скала может состоять из одного типа минерала или может быть совокупностью двух или более различных типов минералов, пространственно разделенных на отдельные фазы . [3]
Некоторые природные твердые вещества без определенной кристаллической структуры, такие как опал или обсидиан , правильнее называть минералоидами . [4] Если химическое соединение встречается в природе с различными кристаллическими структурами, каждая структура считается отдельным минеральным видом. Так, например, кварц и стишовит — это два разных минерала, состоящие из одного и того же соединения, диоксида кремния .
Международная минералогическая ассоциация (IMA) является общепризнанным стандартным органом для определения и номенклатуры минеральных видов. По состоянию на июль 2024 года [обновлять]IMA признает 6062 официальных минеральных вида. [5]
Химический состав названного минерального вида может несколько отличаться из-за включения небольших количеств примесей. Конкретные разновидности вида иногда имеют собственные общепринятые или официальные названия. [6] Например, аметист — это фиолетовая разновидность минерального вида кварц . Некоторые минеральные виды могут иметь переменные пропорции двух или более химических элементов , которые занимают эквивалентные позиции в структуре минерала; например, формула макинавита имеет вид (Fe,Ni)
9С
8, что означает Fe
хНи
9- хС
8, где x — переменное число от 0 до 9. Иногда минерал с переменным составом разделяется на отдельные виды, более или менее произвольно, образуя минеральную группу ; это случай силикатов Ca
хМг
уФе
2- х - уSiO
4, группа оливина .
Помимо основного химического состава и кристаллической структуры, описание минеральных видов обычно включает их общие физические свойства, такие как габитус , твердость , блеск , прозрачность , цвет, черта , прочность , спайность , излом , трещиностойкость, удельный вес , магнетизм , флуоресценция , радиоактивность , а также вкус или запах и реакция на кислоту .
Минералы классифицируются по ключевым химическим компонентам; две доминирующие системы — это классификация Дана и классификация Штрунца. Силикатные минералы составляют приблизительно 90% земной коры . [7] [8] Другие важные группы минералов включают самородные элементы , сульфиды , оксиды , галогениды , карбонаты , сульфаты и фосфаты .
Международная минералогическая ассоциация установила следующие требования к веществу, которое может считаться отдельным минералом: [9] [10]
Детали этих правил несколько спорны. [13] Например, недавно было выдвинуто несколько предложений классифицировать аморфные вещества как минералы, но они не были приняты IMA.
IMA также неохотно принимает минералы, которые встречаются в природе только в форме наночастиц размером в несколько сотен атомов, но не определила минимальный размер кристалла. [9]
Некоторые авторы требуют, чтобы материал был стабильным или метастабильным твердым веществом при комнатной температуре (25 °C). [13] Однако IMA требует, чтобы вещество было достаточно стабильным для того, чтобы его структура и состав были хорошо определены. Например, недавно он признал меридианит (природный гидрат сульфата магния ) минералом, хотя он образуется и стабилен только ниже 2 °C.
По состоянию на июль 2024 года [обновлять]IMA одобрила 6062 вида минералов. [5] Чаще всего они называются в честь человека , а затем по месту открытия; названия, основанные на химическом составе или физических свойствах, являются двумя другими основными группами этимологий названий минералов. [16] [17] Большинство названий заканчиваются на «-ит»; исключениями обычно являются названия, которые были устоявшимися до организации минералогии как дисциплины, например, галенит и алмаз .
Темой разногласий среди геологов и минералогов стало решение IMA исключить биогенные кристаллические вещества. Например, Лоуэнстам (1981) заявил, что «организмы способны образовывать разнообразный набор минералов, некоторые из которых не могут быть образованы неорганическим путем в биосфере». [18]
Скиннер (2005) рассматривает все твердые вещества как потенциальные минералы и включает биоминералы в минеральное царство, которое является тем, что создано метаболической деятельностью организмов. Скиннер расширил предыдущее определение минерала, классифицируя «элемент или соединение, аморфное или кристаллическое, образованное посредством биогеохимических процессов», как минерал. [19]
Недавние достижения в области генетики высокого разрешения и рентгеновской абсорбционной спектроскопии открывают новые возможности для изучения биогеохимических связей между микроорганизмами и минералами, которые могут пролить новый свет на этот вопрос. [10] [19] Например, созданная по заказу IMA «Рабочая группа по экологической минералогии и геохимии» занимается минералами в гидросфере , атмосфере и биосфере . [20] В сферу деятельности группы входят минералообразующие микроорганизмы, которые существуют практически на каждой поверхности горных пород, почв и частиц, охватывая земной шар на глубине не менее 1600 метров под морским дном и на 70 километров в стратосферу (возможно, входя в мезосферу ). [21] [22] [23]
Биогеохимические циклы способствовали образованию минералов в течение миллиардов лет. Микроорганизмы могут осаждать металлы из раствора , способствуя образованию рудных месторождений. Они также могут катализировать растворение минералов. [24] [25] [26]
До включения в список Международной минералогической ассоциации было обнаружено, названо и опубликовано более 60 биоминералов. [27] Эти минералы (подмножество, представленное в таблице Ловенстама (1981) [18] ) считаются минералами в соответствии с определением Скиннера (2005). [19] Эти биоминералы не включены в официальный список названий минералов Международной минералогической ассоциации; [28] однако многие из этих представителей биоминералов распределены по 78 классам минералов, перечисленным в схеме классификации Дана. [19]
Определение минерала Скиннера (2005) учитывает этот вопрос, утверждая, что минерал может быть кристаллическим или аморфным. [19] Хотя биоминералы не являются самой распространенной формой минералов, [29] они помогают определить границы того, что составляет собственно минерал. Формальное определение Никеля (1995) явно упоминает кристалличность как ключ к определению вещества как минерала. Статья 2011 года определила икосаэдрит , сплав алюминия, железа и меди, как минерал; названный за свою уникальную природную икосаэдрическую симметрию , он является квазикристаллом . В отличие от настоящего кристалла, квазикристаллы упорядочены, но не периодически. [30] [31]
Горная порода представляет собой совокупность одного или нескольких минералов [32] или минералоидов. Некоторые горные породы, такие как известняк или кварцит , состоят в основном из одного минерала — кальцита или арагонита в случае известняка и кварца в последнем случае. [33] [34] Другие горные породы могут быть определены по относительному содержанию ключевых (основных) минералов; гранит определяется пропорциями кварца, щелочного полевого шпата и плагиоклазового полевого шпата . [35] Другие минералы в горной породе называются акцессорными минералами и не оказывают значительного влияния на основной состав породы. Горные породы также могут состоять полностью из неминерального материала; уголь — это осадочная порода, состоящая в основном из органически полученного углерода. [32] [36]
В горных породах некоторые виды и группы минералов встречаются гораздо чаще, чем другие; их называют породообразующими минералами. Главными примерами являются кварц, полевые шпаты , слюды , амфиболы , пироксены , оливины и кальцит; за исключением последнего, все эти минералы являются силикатами. [37] В целом, около 150 минералов считаются особенно важными, будь то с точки зрения их распространенности или эстетической ценности с точки зрения коллекционирования. [38]
Коммерчески ценные минералы и горные породы, за исключением драгоценных камней, металлических руд или минерального топлива, называются промышленными минералами . [39] Например, мусковит , белая слюда, может использоваться для окон (иногда называемая рыбьим стеклом), в качестве наполнителя или в качестве изолятора. [40]
Руды — это минералы, которые имеют высокую концентрацию определенного элемента, как правило, металла. Примерами являются киноварь (HgS), руда ртути; сфалерит (ZnS), руда цинка; касситерит (SnO 2 ), руда олова; и колеманит , руда бора .
Драгоценные камни — это минералы с декоративной ценностью, которые отличаются от недрагоценных камней своей красотой, долговечностью и, как правило, редкостью. Существует около 20 видов минералов, которые квалифицируются как драгоценные камни, которые составляют около 35 наиболее распространенных драгоценных камней. Драгоценные камни часто присутствуют в нескольких разновидностях, и поэтому один минерал может отвечать за несколько различных драгоценных камней; например, рубин и сапфир оба являются корундом , Al 2 O 3 . [41]
Первое известное использование слова «минерал» в английском языке ( среднеанглийский ) относится к 15 веку. Слово произошло от средневековой латыни : minerale , от minera , mine, ore. [42]
Слово «вид» происходит от латинского species , «определенный сорт, вид или тип с особым видом или внешностью». [43]
Распространенность и разнообразие минералов напрямую контролируются их химией, в свою очередь зависящей от распространенности элементов в Земле. Большинство наблюдаемых минералов происходят из земной коры . Восемь элементов составляют большинство ключевых компонентов минералов из-за их распространенности в коре. Эти восемь элементов, составляющие в сумме более 98% массы коры, в порядке убывания распространенности: кислород , кремний , алюминий , железо , магний , кальций , натрий и калий . Кислород и кремний являются двумя наиболее важными - кислород составляет 47% массы коры, а кремний составляет 28%. [44]
Образующиеся минералы являются наиболее стабильными при температуре и давлении образования в пределах, налагаемых основной химией родительского тела. [45] Например, в большинстве магматических пород присутствующие алюминий и щелочные металлы (натрий и калий) в основном встречаются в сочетании с кислородом, кремнием и кальцием в виде полевых шпатов. Однако, если порода необычно богата щелочными металлами, алюминия будет недостаточно для соединения со всем натрием в виде полевого шпата, и избыток натрия образует натриевые амфиболы, такие как рибекит . Если содержание алюминия необычно велико, избыток алюминия образует мусковит или другие богатые алюминием минералы. [46] Если кремния недостаточно, часть полевого шпата будет заменена фельдшпатоидными минералами. [47] Точные прогнозы того, какие минералы будут присутствовать в породе определенного состава, образованной при определенной температуре и давлении, требуют сложных термодинамических расчетов. Однако приблизительные оценки можно сделать, используя относительно простые эмпирические правила , такие как норма CIPW , которая дает разумные оценки для вулканических пород, образовавшихся из сухой магмы. [48]
Химический состав может различаться между видами конечных членов ряда твердых растворов . Например, плагиоклазовые полевые шпаты включают непрерывный ряд от богатого натрием конечного члена альбита (NaAlSi 3 O 8 ) до богатого кальцием анортита (CaAl 2 Si 2 O 8 ) с четырьмя признанными промежуточными разновидностями между ними (приведенными в порядке от богатого натрием к богатому кальцием): олигоклаз , андезин , лабрадорит и битовнит . [49] Другие примеры серий включают оливиновую серию богатого магнием форстерита и богатого железом фаялита и вольфрамитовую серию богатого марганцем гюбнерита и богатого железом ферберита . [50]
Химическое замещение и координационные полиэдры объясняют эту общую черту минералов. В природе минералы не являются чистыми веществами и загрязнены любыми другими элементами, присутствующими в данной химической системе. В результате один элемент может быть заменен другим. [51] Химическое замещение будет происходить между ионами схожего размера и заряда; например, K + не будет заменять Si 4+ из-за химической и структурной несовместимости, вызванной большой разницей в размере и заряде. Распространенным примером химического замещения является замещение Si 4+ на Al 3+ , которые близки по заряду, размеру и распространенности в земной коре. В примере с плагиоклазом есть три случая замещения. Все полевые шпаты являются каркасными силикатами, которые имеют соотношение кремния и кислорода 2:1, а пространство для других элементов дается замещением Si 4+ на Al 3+ с получением базовой единицы [AlSi 3 O 8 ] − ; без замены формула была бы сбалансирована по заряду как SiO 2 , давая кварц. [52] Значимость этого структурного свойства будет объяснена далее координационными полиэдрами. Вторая замена происходит между Na + и Ca 2+ ; однако, разница в заряде должна быть учтена путем выполнения второй замены Si 4+ на Al 3+ . [53]
Координационные полиэдры — это геометрические представления того, как катион окружен анионом. В минералогии координационные полиэдры обычно рассматриваются с точки зрения кислорода, из-за его обилия в земной коре. Базовой единицей силикатных минералов является кремниевый тетраэдр — один Si 4+ , окруженный четырьмя O 2− . Альтернативный способ описания координации силиката — число: в случае кремниевого тетраэдра говорят, что кремний имеет координационное число 4. Различные катионы имеют определенный диапазон возможных координационных чисел; для кремния это почти всегда 4, за исключением минералов очень высокого давления, где соединение сжато таким образом, что кремний находится в шестикратной (октаэдрической) координации с кислородом. Более крупные катионы имеют большие координационные числа из-за увеличения относительного размера по сравнению с кислородом (последняя орбитальная подоболочка более тяжелых атомов также отличается). Изменения координационных чисел приводят к физическим и минералогическим различиям; например, при высоком давлении, таком как в мантии , многие минералы, особенно силикаты, такие как оливин и гранат , изменятся в структуру перовскита , где кремний находится в октаэдрической координации. Другими примерами являются алюмосиликаты кианит , андалузит и силлиманит (полиморфы, поскольку они имеют общую формулу Al 2 SiO 5 ), которые отличаются координационным числом Al 3+ ; эти минералы переходят друг из друга в ответ на изменения давления и температуры. [44] В случае силикатных материалов замена Si 4+ на Al 3+ позволяет получить множество минералов из-за необходимости уравновешивать заряды. [54]
Поскольку восемь наиболее распространенных элементов составляют более 98% земной коры, небольшие количества других элементов, которые обычно присутствуют, замещаются в обычных породообразующих минералах. Отличительные минералы большинства элементов довольно редки, их можно найти только там, где эти элементы были сконцентрированы геологическими процессами, такими как гидротермальная циркуляция , до точки, где они больше не могут быть размещены в обычных минералах. [55]
Изменения температуры, давления и состава изменяют минералогию образца породы. Изменения состава могут быть вызваны такими процессами, как выветривание или метасоматоз ( гидротермальное изменение ). Изменения температуры и давления происходят, когда вмещающая порода подвергается тектоническому или магматическому движению в различных физических режимах. Изменения термодинамических условий делают благоприятными для минеральных ассоциаций реагировать друг с другом для производства новых минералов; таким образом, возможно, что две породы имеют идентичную или очень похожую химию основной породы, не имея при этом схожей минералогии. Этот процесс минералогического изменения связан с циклом горных пород . Пример серии минеральных реакций проиллюстрирован следующим образом. [56]
Ортоклазовый полевой шпат (KAlSi 3 O 8 ) — минерал, обычно встречающийся в граните , плутонической магматической породе . Под воздействием выветривания он реагирует с образованием каолинита (Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 , осадочного минерала, и кремниевой кислоты ):
В условиях слабого метаморфизма каолинит реагирует с кварцем, образуя пирофиллит (Al 2 Si 4 O 10 (OH) 2 ):
По мере увеличения степени метаморфизма пирофиллит реагирует с образованием кианита и кварца:
Альтернативно, минерал может изменить свою кристаллическую структуру в результате изменений температуры и давления без реакции. Например, кварц будет изменяться в различные полиморфы SiO 2 , такие как тридимит и кристобалит при высоких температурах, и коэсит при высоких давлениях. [57]
Классификация минералов варьируется от простой до сложной. Минерал можно идентифицировать по нескольким физическим свойствам, некоторые из которых достаточны для полной идентификации без двусмысленности. В других случаях минералы можно классифицировать только с помощью более сложного оптического , химического или рентгеноструктурного анализа; однако эти методы могут быть дорогостоящими и отнимающими много времени. Физические свойства, применяемые для классификации, включают кристаллическую структуру и габитус, твердость, блеск, прозрачность, цвет, штрих, спайность и излом, а также удельный вес. Другие менее общие тесты включают флуоресценцию , фосфоресценцию , магнетизм , радиоактивность , прочность (реакция на механические изменения формы или вида), пьезоэлектричество и реакционную способность к разбавленным кислотам . [58]
Кристаллическая структура является результатом упорядоченного геометрического пространственного расположения атомов во внутренней структуре минерала. Эта кристаллическая структура основана на регулярном внутреннем атомном или ионном расположении, которое часто выражается в геометрической форме, которую принимает кристалл. Даже когда минеральные зерна слишком малы, чтобы их можно было увидеть, или имеют неправильную форму, лежащая в основе кристаллическая структура всегда периодична и может быть определена с помощью рентгеновской дифракции. [13] Минералы обычно описываются по их симметрийному содержанию. Кристаллы ограничены 32 точечными группами , которые различаются по своей симметрии. Эти группы, в свою очередь, классифицируются в более широкие категории, наиболее всеобъемлющими из которых являются шесть семейств кристаллов. [59]
Эти семейства могут быть описаны с помощью относительных длин трех кристаллографических осей и углов между ними; эти отношения соответствуют операциям симметрии, которые определяют более узкие точечные группы. Они суммированы ниже; a, b и c представляют оси, а α, β, γ представляют угол, противоположный соответствующей кристаллографической оси (например, α — это угол, противоположный оси a, а именно угол между осями b и c): [59]
Семейство гексагональных кристаллов также делится на две кристаллические системы — тригональную , имеющую тройную ось симметрии, и гексагональную, имеющую шестеричную ось симметрии.
Химия и кристаллическая структура вместе определяют минерал. С ограничением до 32 точечных групп минералы с разной химией могут иметь одинаковую кристаллическую структуру. Например, галит (NaCl), галенит (PbS) и периклаз (MgO) все принадлежат к гексаоктаэдрической точечной группе (изометрическое семейство), поскольку они имеют схожую стехиометрию между их различными составляющими элементами. Напротив, полиморфы представляют собой группы минералов, которые имеют общую химическую формулу, но имеют разную структуру. Например, пирит и марказит , оба сульфиды железа, имеют формулу FeS2 ; однако первый изометричен, а второй орторомбический. Этот полиморфизм распространяется на другие сульфиды с общей формулой AX2 ; эти две группы вместе известны как группы пирита и марказита. [60]
Полиморфизм может выходить за рамки чистого симметрийного содержания. Алюмосиликаты представляют собой группу из трех минералов — кианита , андалузита и силлиманита , — которые имеют общую химическую формулу Al 2 SiO 5 . Кианит является триклинным, в то время как андалузит и силлиманит являются орторомбическими и принадлежат к дипирамидальной точечной группе. Эти различия возникают в соответствии с тем, как алюминий координируется в кристаллической структуре. Во всех минералах один ион алюминия всегда находится в шестикратной координации с кислородом. Кремний, как правило, находится в четырехкратной координации во всех минералах; исключением является случай, подобный стишовиту (SiO 2 , полиморф кварца сверхвысокого давления со структурой рутила). [61] В кианите второй алюминий находится в шестикратной координации; его химическая формула может быть выражена как Al [6] Al [6] SiO 5 , чтобы отразить его кристаллическую структуру. В андалузите второй алюминий находится в пятикратной координации (Al [6] Al [ 5 ] SiO5 ), а в силлиманите он находится в четырехкратной координации (Al [6] Al [4] SiO5 ). [62]
Различия в кристаллической структуре и химии сильно влияют на другие физические свойства минерала. Аллотропы углерода алмаз и графит имеют совершенно разные свойства; алмаз является самым твердым природным веществом, имеет алмазный блеск и принадлежит к изометрическому семейству кристаллов, тогда как графит очень мягкий, имеет жирный блеск и кристаллизуется в гексагональном семействе. Это различие объясняется различиями в связях. В алмазе углерод находится в гибридных орбиталях sp 3 , что означает, что они образуют каркас, в котором каждый углерод ковалентно связан с четырьмя соседями в тетраэдрической форме; с другой стороны, графит состоит из слоев углерода в гибридных орбиталях sp 2 , где каждый углерод ковалентно связан только с тремя другими. Эти слои удерживаются вместе гораздо более слабыми силами Ван-дер-Ваальса , и это несоответствие приводит к большим макроскопическим различиям. [63]
Двойникование — это срастание двух или более кристаллов одного вида минерала. Геометрия двойникования контролируется симметрией минерала. В результате существует несколько типов двойников, включая контактные двойники, сетчатые двойники, коленчатые двойники, двойники проникновения, циклические двойники и полисинтетические двойники. Контактные, или простые двойники, состоят из двух кристаллов, соединенных в плоскости; этот тип двойникования распространен в шпинели. Сетчатые двойники, распространенные в рутиле, представляют собой взаимосвязанные кристаллы, напоминающие сетку. Коленчатые двойники имеют изгиб посередине, который вызван началом двойника. Двойники проникновения состоят из двух отдельных кристаллов, которые срослись друг с другом; примерами такого двойникования являются крестообразные ставролитовые двойники и карлсбадское двойникование в ортоклазе. Циклические двойники вызваны повторным двойникованием вокруг оси вращения. Этот тип двойникования происходит вокруг трех, четырех, пяти, шести или восьмикратных осей, и соответствующие модели называются threelings, fourlings, fivelings , sixlings и eightlings. Sixlings обычны в арагоните. Полисинтетические двойники похожи на циклические двойники из-за наличия повторяющегося двойникования; однако, вместо того, чтобы происходить вокруг оси вращения, полисинтетическое двойникование происходит вдоль параллельных плоскостей, обычно в микроскопическом масштабе. [64] [65]
Форма кристалла относится к общей форме кристалла. Для описания этого свойства используется несколько терминов. Обычные формы включают игольчатую, которая описывает игольчатые кристаллы, как в натролите , пластинчатую, дендритную (древовидную структуру, обычную для самородной меди ), изометричную, которая типична для граната, призматическую (вытянутую в одном направлении) и таблитчатую, которая отличается от пластинчатой формы тем, что первая является пластинчатой, тогда как вторая имеет определенную удлиненность. Относительно формы кристалла, качество граней кристалла является диагностическим признаком некоторых минералов, особенно с помощью петрографического микроскопа. Эвгедральные кристаллы имеют определенную внешнюю форму, в то время как ксеноморфные кристаллы ее не имеют; эти промежуточные формы называются субгедральными. [66] [67]
Твердость минерала определяет, насколько он может противостоять царапинам или вдавливанию. Это физическое свойство контролируется химическим составом и кристаллической структурой минерала.
Наиболее часто используемая шкала измерения — порядковая шкала твердости Мооса, которая измеряет устойчивость к царапанию. Определяемая десятью показателями, минерал с более высоким индексом царапает те, что ниже. Шкала варьируется от талька, филлосиликата , до алмаза, полиморфа углерода, который является самым твердым природным материалом. Шкала приведена ниже: [68]
Твердость минерала является функцией его структуры. Твердость не обязательно постоянна для всех кристаллографических направлений; кристаллографическая слабость делает некоторые направления мягче других. [68] Примером такой изменчивости твердости является кианит, твердость которого по Моосу составляет 5 1 ⁄ 2 параллельно [001], но 7 параллельно [100] . [69]
Другие шкалы включают эти; [70]
Блеск показывает, как свет отражается от поверхности минерала, в отношении его качества и интенсивности. Существует множество качественных терминов, используемых для описания этого свойства, которые делятся на металлические и неметаллические категории. Металлические и субметаллические минералы имеют высокую отражательную способность, как металл; примерами минералов с таким блеском являются галенит и пирит. Неметаллические блески включают: адамантовый, такой как у алмаза ; стекловидный, который представляет собой стеклянный блеск, очень распространенный в силикатных минералах; перламутровый, такой как у талька и апофиллита ; смолистый, такой как у членов группы граната; шелковистый, который распространен в волокнистых минералах, таких как асбестовый хризотил . [72]
Прозрачность минерала описывает способность света проходить через него. Прозрачные минералы не уменьшают интенсивность проходящего через них света. Примером прозрачного минерала является мусковит (калиевая слюда); некоторые разновидности достаточно прозрачны, чтобы использоваться для окон. Полупрозрачные минералы пропускают некоторое количество света, но меньше, чем прозрачные. Жадеит и нефрит ( минеральные формы жада являются примерами минералов с этим свойством). Минералы, которые не пропускают свет, называются непрозрачными. [73] [74]
Прозрачность минерала зависит от толщины образца. Когда минерал достаточно тонкий (например, в тонком сечении для петрографии ), он может стать прозрачным, даже если это свойство не видно в ручном образце. Напротив, некоторые минералы, такие как гематит или пирит, непрозрачны даже в тонком сечении. [74]
Цвет является наиболее очевидным свойством минерала, но он часто не является диагностическим. [75] Он вызван электромагнитным излучением, взаимодействующим с электронами (за исключением случая накаливания , который не применяется к минералам). [76] Два широких класса элементов (идиохроматические и аллохроматические) определяются в отношении их вклада в цвет минерала: Идиохроматические элементы необходимы для состава минерала; их вклад в цвет минерала является диагностическим. [73] [77] Примерами таких минералов являются малахит (зеленый) и азурит (синий). Напротив, аллохроматические элементы в минералах присутствуют в следовых количествах в качестве примесей. Примером такого минерала могут быть рубиновые и сапфировые разновидности минерала корунда . [77] Цвета псевдохроматических минералов являются результатом интерференции световых волн. Примерами являются лабрадорит и борнит .
Помимо простого цвета тела, минералы могут иметь различные другие отличительные оптические свойства, такие как игра цветов, астеризм , переливчатость , иризация , потускнение и плеохроизм . Некоторые из этих свойств включают изменчивость цвета. Игра цвета, например, в опале , приводит к тому, что образец отражает разные цвета при повороте, в то время как плеохроизм описывает изменение цвета, когда свет проходит через минерал в другой ориентации. Иризация — это разновидность игры цветов, когда свет рассеивается от покрытия на поверхности кристалла, плоскостей спайности или от слоев, имеющих незначительные градации в химии. [78] Напротив, игра цветов в опале вызвана преломлением света от упорядоченных микроскопических кремниевых сфер в его физической структуре. [79] Переливчатость («кошачий глаз») — это волнистая полосчатость цвета, которая наблюдается при повороте образца; астеризм, разновидность переливчатости, придает вид звезды на зерне минерала. Последнее свойство особенно распространено в корунде ювелирного качества. [78] [79]
Полоса минерала относится к цвету минерала в порошкообразной форме, который может быть или не быть идентичным цвету его тела. [77] Наиболее распространенный способ проверки этого свойства осуществляется с помощью пластины для полос, которая сделана из фарфора и окрашена в белый или черный цвет. Полоса минерала не зависит от следовых элементов [73] или любой поверхности выветривания. [77] Обычный пример этого свойства проиллюстрирован гематитом , который окрашен в черный, серебристый или красный цвет в ручном образце, но имеет вишнево-красную [73] или красновато-коричневую полосу. [77] Полоса чаще всего характерна для металлических минералов, в отличие от неметаллических минералов, цвет тела которых создается аллохроматическими элементами. [73] Тестирование полос ограничено твердостью минерала, так как те, чья твердость превышает 7, вместо этого покрывают полосу пластиной . [77]
По определению, минералы имеют характерное атомное расположение. Слабость в этой кристаллической структуре вызывает плоскости слабости, и разрушение минерала вдоль таких плоскостей называется расщеплением. Качество расщепления можно описать на основе того, насколько чисто и легко минерал ломается; общие дескрипторы, в порядке убывания качества, - «идеальный», «хороший», «отчетливый» и «плохой». В особенно прозрачных минералах или в тонком сечении расщепление можно увидеть как ряд параллельных линий, отмечающих плоские поверхности, если смотреть сбоку. Расщепление не является универсальным свойством среди минералов; например, кварц, состоящий из широко взаимосвязанных кремниевых тетраэдров, не имеет кристаллографической слабости, которая позволила бы ему раскалываться. Напротив, слюды, которые имеют идеальную базальную спайность, состоят из листов кремниевых тетраэдров, которые очень слабо удерживаются вместе. [80] [81]
Поскольку спайность является функцией кристаллографии, существует множество типов спайности. Спайность обычно происходит в одном, двух, трех, четырех или шести направлениях. Базальная спайность в одном направлении является отличительным свойством слюд . Двунаправленная спайность описывается как призматическая и встречается в таких минералах, как амфиболы и пироксены. Такие минералы, как галенит или галит, имеют кубическую (или изометрическую) спайность в трех направлениях под углом 90°; когда присутствуют три направления спайности, но не под углом 90°, как в кальците или родохрозите , это называется ромбоэдрической спайностью. Октаэдрическая спайность (четыре направления) присутствует во флюорите и алмазе, а сфалерит имеет шестинаправленную додекаэдрическую спайность. [80] [81]
Минералы со многими спайностями могут не раскалываться одинаково хорошо во всех направлениях; например, кальцит имеет хорошую спайность в трех направлениях, но гипс имеет идеальную спайность в одном направлении и плохую спайность в двух других направлениях. Углы между плоскостями спайности различаются между минералами. Например, поскольку амфиболы являются двухцепочечными силикатами, а пироксены являются одноцепочечными силикатами, угол между их плоскостями спайности различен. Пироксены спайны в двух направлениях примерно под углом 90°, тогда как амфиболы отчетливо спайны в двух направлениях, разделенных примерно на 120° и 60°. Углы спайности можно измерить с помощью контактного гониометра, который похож на транспортир. [80] [81]
Разделение, иногда называемое «ложным расколом», по внешнему виду похоже на раскол, но вместо этого вызвано структурными дефектами минерала, в отличие от систематической слабости. Разделение варьируется от кристалла к кристаллу минерала, тогда как все кристаллы данного минерала будут раскалываться, если атомная структура допускает это свойство. В общем, разделение вызвано некоторым напряжением, приложенным к кристаллу. Источниками напряжений являются деформация (например, увеличение давления), распад или двойникование. Минералы, которые часто демонстрируют разделение, включают пироксены, гематит, магнетит и корунд. [80] [82]
Когда минерал разбивается в направлении, которое не соответствует плоскости спайности, его называют разломанным. Существует несколько типов неровного разлома. Классический пример — раковистый разлом, как у кварца; образуются округлые поверхности, отмеченные плавными изогнутыми линиями. Этот тип разлома встречается только в очень однородных минералах. Другие типы разлома — волокнистый, занозистый и шероховатый. Последний описывает разлом вдоль грубой, неровной поверхности; пример этого свойства обнаружен в самородной меди . [83]
Упорство связано как с раскалыванием, так и с изломом. В то время как излом и раскалывание описывают поверхности, которые создаются при разрушении минерала, упорство описывает, насколько устойчив минерал к такому разрушению. Минералы можно описать как хрупкие, пластичные, ковкие, секционные, гибкие или эластичные. [84]
Удельный вес численно описывает плотность минерала. Размеры плотности — это масса, деленная на объем с единицами: кг/м 3 или г/см 3 . Удельный вес определяется как плотность минерала, деленная на плотность воды при 4 °C, и, таким образом, является безразмерной величиной, одинаковой во всех системах единиц. [85] Его можно измерить как частное от деления массы образца на разницу между весом образца в воздухе и его соответствующим весом в воде. Среди большинства минералов это свойство не является диагностическим. Породообразующие минералы — обычно силикаты или иногда карбонаты — имеют удельный вес 2,5–3,5. [86]
Высокий удельный вес является диагностическим свойством минерала. Изменение химии (и, следовательно, класса минерала) коррелирует с изменением удельного веса. Среди более распространенных минералов оксиды и сульфиды, как правило, имеют более высокий удельный вес, поскольку они включают элементы с более высокой атомной массой. Обобщение заключается в том, что минералы с металлическим или адамантиновым блеском, как правило, имеют более высокий удельный вес, чем те, которые имеют неметаллический или тусклый блеск. Например, гематит , Fe 2 O 3 , имеет удельный вес 5,26 [87] , в то время как галенит , PbS, имеет удельный вес 7,2–7,6 [88], что является результатом их высокого содержания железа и свинца соответственно. Очень высокий удельный вес характерен для самородных металлов ; например, камасит , железо-никелевый сплав, распространенный в железных метеоритах, имеет удельный вес 7,9 [89] , а золото имеет наблюдаемый удельный вес от 15 до 19,3. [86] [90]
Другие свойства могут быть использованы для диагностики минералов. Они менее общие и применяются к конкретным минералам.
Капание разбавленной кислоты (часто 10% HCl ) на минерал помогает отличить карбонаты от других классов минералов. Кислота реагирует с группой карбоната ([CO 3 ] 2− ), что заставляет пораженную область вскипать , выделяя углекислый газ. Этот тест можно расширить, чтобы проверить минерал в его первоначальной кристаллической форме или порошкообразной форме. Пример этого теста проводится при различении кальцита от доломита , особенно внутри пород ( известняка и доломита соответственно). Кальцит немедленно вскипает в кислоте, тогда как кислоту нужно наносить на порошкообразный доломит (часто на поцарапанную поверхность в породе), чтобы он вскипел. [91] Минералы цеолита не будут вскипать в кислоте; вместо этого они замерзают через 5–10 минут, и если их оставить в кислоте на день, они растворяются или становятся силикагелем . [ 92]
Магнетизм является весьма заметным свойством некоторых минералов. Среди распространенных минералов магнетит проявляет это свойство в значительной степени, а магнетизм также присутствует, хотя и не так сильно, в пирротине и ильмените . [91] Некоторые минералы проявляют электрические свойства — например, кварц является пьезоэлектриком — но электрические свойства редко используются в качестве диагностических критериев для минералов из-за неполных данных и естественной изменчивости. [93]
Минералы также можно проверить на вкус или запах. Галит , NaCl, является поваренной солью; его калийсодержащий аналог, сильвин , имеет ярко выраженный горький вкус. Сульфиды имеют характерный запах, особенно когда образцы раздроблены, реагируют или измельчаются в порошок. [91]
Радиоактивность — редкое свойство, обнаруженное в минералах, содержащих радиоактивные элементы. Радиоактивные элементы могут быть определяющим компонентом, например, уран в уранините , аутуните и карнотите , или присутствовать в виде следовых примесей, как в цирконе . Распад радиоактивного элемента повреждает кристаллическую структуру минерала, делая его локально аморфным ( метамиктное состояние ); оптический результат, называемый радиоактивным гало или плеохроичным гало , можно наблюдать с помощью различных методов, например, тонкослойной петрографии . [91]
В 315 г. до н. э . Теофраст представил свою классификацию минералов в трактате «О камнях» . Его классификация была создана под влиянием идей его учителей Платона и Аристотеля . Теофраст классифицировал минералы как камни, земли и металлы. [94]
Классификация минералов Георгиуса Агриколы в его книге «De Natura Fossilium» , опубликованной в 1546 году, разделила минералы на три типа веществ: простые (камни, земли, металлы и застывшие соки), сложные (тесно перемешанные) и составные (разделимые). [94]
Ранняя классификация минералов была дана Карлом Линнеем в его основополагающей книге 1735 года Systema Naturae . Он разделил естественный мир на три царства — растения, животные и минералы — и классифицировал каждое из них с помощью той же иерархии. [95] В порядке убывания это были Тип, Класс, Порядок, Семейство, Триба, Род и Вид. Однако, хотя его система была обоснована теорией образования видов Чарльза Дарвина и была в значительной степени принята и расширена биологами в последующие столетия (которые до сих пор используют его основанную на греческом и латинском языке биномиальную схему наименования), она не имела большого успеха среди минералогов (хотя каждый отдельный минерал по-прежнему формально именуется минеральным видом ).
Минералы классифицируются по разновидностям, видам, сериям и группам в порядке возрастания общности. Базовым уровнем определения является уровень минеральных видов, каждый из которых отличается от других уникальными химическими и физическими свойствами. Например, кварц определяется своей формулой SiO 2 и особой кристаллической структурой , которая отличает его от других минералов с той же химической формулой (называемых полиморфами ). Когда существует диапазон состава между двумя видами минералов, определяется минеральный ряд. Например, ряд биотита представлен переменным количеством конечных членов флогопита , сидерофиллита , аннита и истонита. Напротив, минеральная группа представляет собой группировку минеральных видов с некоторыми общими химическими свойствами, которые разделяют кристаллическую структуру. Группа пироксенов имеет общую формулу XY(Si,Al) 2 O 6 , где X и Y оба являются катионами, причем X обычно больше, чем Y; пироксены — это одноцепочечные силикаты, которые кристаллизуются либо в орторомбической , либо в моноклинной кристаллической системе. Наконец, минеральная разновидность — это особый тип минеральных видов, который отличается некоторыми физическими характеристиками, такими как цвет или форма кристалла. Примером может служить аметист , который является фиолетовой разновидностью кварца. [16]
Для минералов используются две общие классификации, Dana и Strunz; обе основаны на составе, особенно в отношении важных химических групп, и структуре. Джеймс Дуайт Дана , ведущий геолог своего времени, впервые опубликовал свою Систему минералогии в 1837 году; по состоянию на 1997 год она находится в восьмом издании. Классификация Dana присваивает минеральным видам четырехчастный номер. Ее номер класса основан на важных композиционных группах; тип дает соотношение катионов к анионам в минерале, а последние два числа группируют минералы по структурному сходству в пределах данного типа или класса. Менее используемая классификация Strunz , названная в честь немецкого минералога Карла Гуго Штрунца , основана на системе Dana, но объединяет как химические, так и структурные критерии, последний касается распределения химических связей. [96]
Поскольку в составе земной коры преобладают кремний и кислород, силикаты являются самым важным классом минералов с точки зрения формирования горных пород и разнообразия. Однако несиликатные минералы имеют большое экономическое значение, особенно в качестве руд. [97] [98] Несиликатные минералы подразделяются на несколько других классов по их доминирующей химии, которая включает в себя самородные элементы, сульфиды, галогениды, оксиды и гидроксиды, карбонаты и нитраты, бораты, сульфаты, фосфаты и органические соединения. Большинство несиликатных минеральных видов редки (составляя в общей сложности 8% земной коры), хотя некоторые из них относительно распространены, такие как кальцит, пирит , магнетит и гематит . Существует два основных структурных стиля, наблюдаемых в несиликатах: плотноупакованные и силикатные связанные тетраэдры. Плотноупакованные структуры - это способ плотно упаковать атомы при минимизации интерстициального пространства. Гексагональная плотная упаковка включает в себя укладку слоев, где каждый второй слой такой же («ababab»), тогда как кубическая плотная упаковка включает в себя укладку групп из трех слоев («abcabcabc»). Аналоги связанных кремниевых тетраэдров включают SO4−
4( сульфат ), PO4−
4( фосфат ), AsO4−
4( арсенат ) и VO4−
4( ванадатные ) структуры. Несиликатные минералы имеют большое экономическое значение, поскольку они концентрируют элементы больше, чем силикатные минералы. [99]
Самая большая группа минералов на сегодняшний день — это силикаты ; большинство горных пород состоят более чем на 95% из силикатных минералов, и более 90% земной коры состоит из этих минералов. [100] Двумя основными составляющими силикатов являются кремний и кислород, которые являются двумя наиболее распространенными элементами в земной коре. Другие распространенные элементы в силикатных минералах соответствуют другим распространенным элементам в земной коре, таким как алюминий, магний, железо, кальций, натрий и калий. [101] Некоторые важные породообразующие силикаты включают полевые шпаты , кварц, оливины , пироксены , амфиболы , гранаты и слюды .
Базовой единицей силикатного минерала является тетраэдр [SiO 4 ] 4− . В подавляющем большинстве случаев кремний находится в четырехкратной или тетраэдрической координации с кислородом. В ситуациях с очень высоким давлением кремний будет находиться в шестикратной или октаэдрической координации, например, в структуре перовскита или кварцевого полиморфа стишовита (SiO 2 ). В последнем случае минерал больше не имеет силикатной структуры, а имеет структуру рутила (TiO 2 ) и его связанной группы, которые являются простыми оксидами. Эти кремниевые тетраэдры затем полимеризуются в некоторой степени для создания различных структур, таких как одномерные цепи, двумерные листы и трехмерные каркасы. Основной силикатный минерал, в котором не произошла полимеризация тетраэдров, требует других элементов для уравновешивания базового 4-заряда. В других силикатных структурах требуются различные комбинации элементов для уравновешивания результирующего отрицательного заряда. Обычно Si 4+ заменяется Al 3+ из-за сходства ионного радиуса и заряда; в этих случаях тетраэдры [AlO 4 ] 5− образуют те же структуры, что и незамещенные тетраэдры, но их требования к балансировке заряда различны. [102]
Степень полимеризации можно описать как сформированной структурой, так и количеством общих тетраэдрических углов (или координирующих атомов кислорода) (для алюминия и кремния в тетраэдрических узлах): [103] [104]
Подклассы силикатов описаны ниже в порядке убывания полимеризации.
Тектосиликаты, также известные как каркасные силикаты, имеют самую высокую степень полимеризации. При всех общих углах тетраэдров соотношение кремния и кислорода становится 1:2. Примерами являются кварц, полевые шпаты , фельдшпатоиды и цеолиты . Каркасные силикаты, как правило, особенно химически стабильны в результате сильных ковалентных связей. [105]
Составляя 12% земной коры, кварц (SiO 2 ) является наиболее распространенным минеральным видом. Он характеризуется высоким химическим и физическим сопротивлением. Кварц имеет несколько полиморфных модификаций, включая тридимит и кристобалит при высоких температурах, коэсит высокого давления и стишовит сверхвысокого давления . Последний минерал может быть образован на Земле только в результате ударов метеоритов, и его структура была сжата настолько, что она изменилась от силикатной структуры до структуры рутила (TiO 2 ). Полиморфная модификация кремния, которая наиболее устойчива на поверхности Земли, — это α-кварц. Его аналог, β-кварц, присутствует только при высоких температурах и давлениях (изменяется на α-кварц ниже 573 °C при 1 баре). Эти две полиморфные модификации отличаются «изломом» связей; это изменение структуры придает β-кварцу большую симметрию, чем α-кварцу, и поэтому их также называют высоким кварцем (β) и низким кварцем (α). [100] [106]
Полевые шпаты являются наиболее распространенной группой в земной коре, около 50%. В полевых шпатах Al 3+ замещает Si 4+ , что создает дисбаланс заряда, который должен учитываться добавлением катионов. Базовая структура становится либо [AlSi 3 O 8 ] − , либо [Al 2 Si 2 O 8 ] 2− Существует 22 минеральных вида полевых шпатов, подразделяемых на две основные подгруппы — щелочные и плагиоклазовые — и две менее распространенные группы — цельзиановые и банальситовые . Щелочные полевые шпаты чаще всего находятся в ряду между богатым калием ортоклазом и богатым натрием альбитом ; в случае плагиоклаза наиболее распространенный ряд колеблется от альбита до богатого кальцием анортита . Двойникование кристаллов распространено в полевых шпатах, особенно полисинтетические двойники в плагиоклазе и карлсбадские двойники в щелочных полевых шпатах. Если последняя подгруппа медленно остывает из расплава, она образует ламеллы распада, поскольку два компонента – ортоклаз и альбит – нестабильны в твердом растворе. Распад может быть в масштабе от микроскопического до легко наблюдаемого в образце руки; пертитовая текстура образуется, когда богатый натрием полевой шпат распадается в богатом калием хозяине. Противоположная текстура (антипертитовая), когда богатый калием полевой шпат распадается в богатом натрием хозяине, встречается очень редко. [107]
Фельдшпатоиды структурно похожи на полевой шпат, но отличаются тем, что они образуются в условиях дефицита Si, что допускает дальнейшее замещение Al 3+ . В результате фельдшпатоиды почти никогда не встречаются в ассоциации с кварцем. Распространенным примером фельдшпатоида является нефелин ((Na, K)AlSiO 4 ); по сравнению со щелочным полевым шпатом, нефелин имеет соотношение Al 2 O 3 :SiO 2 1:2, в отличие от 1:6 в щелочном полевом шпате. [108] Цеолиты часто имеют отличительные кристаллические привычки, встречающиеся в игольчатых, пластинчатых или блочных массах. Они образуются в присутствии воды при низких температурах и давлениях и имеют каналы и пустоты в своей структуре. Цеолиты имеют несколько промышленных применений, особенно при очистке сточных вод. [109]
Филлосиликаты состоят из слоев полимеризованных тетраэдров. Они связаны в трех кислородных центрах, что дает характерное соотношение кремний: кислород 2:5. Важные примеры включают группы слюды , хлорита и каолинита - серпентина . В дополнение к тетраэдрам, филлосиликаты имеют слой октаэдров (элементы в шестикратной координации кислородом), которые уравновешивают основные тетраэдры, которые имеют отрицательный заряд (например, [Si 4 O 10 ] 4− ). Эти слои тетраэдров (T) и октаэдров (O) укладываются в различных комбинациях, создавая слои филлосиликата. Внутри октаэдрического слоя есть три октаэдрических центра в единичной структуре; однако не все центры могут быть заняты. В этом случае минерал называется диоктаэдрическим, тогда как в другом случае он называется триоктаэдрическим. [110] Слои слабо связаны силами Ван-дер-Ваальса , водородными связями или редкими ионными связями , что вызывает кристаллографическую слабость, в свою очередь приводящую к заметному базальному расщеплению среди филлосиликатов. [111]
Группа каолинита-серпентина состоит из стопок TO (глинистые минералы 1:1); их твердость колеблется от 2 до 4, так как слои удерживаются водородными связями. Глинистые минералы 2:1 (пирофиллит-тальк) состоят из стопок TOT, но они мягче (твердость от 1 до 2), так как вместо этого они удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса. Эти две группы минералов подгруппированы по октаэдрическому занятию; в частности, каолинит и пирофиллит являются диоктаэдрическими, тогда как серпентин и тальк триоктаэдрическими. [112]
Слюды также являются TOT-уложенными филлосиликатами, но отличаются от других членов подкласса TOT и TO-уложенных тем, что они включают алюминий в тетраэдрические листы (глинистые минералы имеют Al 3+ в октаэдрических позициях). Обычными примерами слюд являются мусковит и ряд биотита . Слои TOT слюды связаны вместе ионами металлов, что придает им большую твердость, чем другие филлосиликатные минералы, хотя они сохраняют идеальную базальную спайность. [113] Группа хлорита связана с группой слюды, но между стопками TOT имеется слой, подобный бруситу (Mg(OH) 2 ). [114]
Из-за своей химической структуры филлосиликаты обычно имеют гибкие, эластичные, прозрачные слои, которые являются электрическими изоляторами и могут быть разделены на очень тонкие чешуйки. Слюды могут использоваться в электронике в качестве изоляторов, в строительстве, в качестве оптического наполнителя или даже в косметике. Хризотил, разновидность серпентина, является наиболее распространенным минеральным видом в промышленном асбесте, так как он менее опасен для здоровья, чем амфиболовый асбест. [115]
Иносиликаты состоят из тетраэдров, многократно связанных в цепи. Эти цепи могут быть одинарными, где тетраэдр связан с двумя другими, образуя непрерывную цепь; в качестве альтернативы, две цепи могут быть объединены, чтобы создать двухцепочечные силикаты. Одноцепочечные силикаты имеют соотношение кремния и кислорода 1:3 (например, [Si 2 O 6 ] 4− ), тогда как двухцепочечная разновидность имеет соотношение 4:11, например, [Si 8 O 22 ] 12− . Иносиликаты содержат две важные группы породообразующих минералов; одноцепочечные силикаты чаще всего являются пироксенами , в то время как двухцепочечные силикаты часто являются амфиболами . [116] Существуют цепи более высокого порядка (например, трехчленные, четырехчленные, пятичленные цепи и т. д.), но они редки. [117]
Группа пироксенов состоит из 21 вида минералов. [118] Пироксены имеют общую структурную формулу XY(Si 2 O 6 ), где X — октаэдрический узел, тогда как Y может варьироваться в координационном числе от шести до восьми. Большинство разновидностей пироксенов состоят из перестановок Ca 2+ , Fe 2+ и Mg 2+ для балансировки отрицательного заряда на остове. Пироксены распространены в земной коре (около 10%) и являются ключевым компонентом основных магматических пород. [119]
Амфиболы имеют большую изменчивость в химии, описываемую по-разному как «минералогический мусорный бак» или «минералогическая акула, плавающая в море элементов». Основой амфиболов является [Si 8 O 22 ] 12− ; он уравновешен катионами в трех возможных позициях, хотя третья позиция не всегда используется, и один элемент может занимать обе оставшиеся. Наконец, амфиболы обычно гидратированы, то есть они имеют гидроксильную группу ([OH] − ), хотя она может быть заменена фторидом, хлоридом или оксидным ионом. [120] Из-за изменчивой химии существует более 80 видов амфиболов, хотя вариации, как в пироксенах, чаще всего включают смеси Ca 2+ , Fe 2+ и Mg 2+ . [118] Несколько видов минералов амфиболов могут иметь асбестовую форму кристаллов. Эти асбестовые минералы образуют длинные, тонкие, гибкие и прочные волокна, которые являются электроизоляторами, химически инертны и термостойки; как таковые, они имеют несколько применений, особенно в строительных материалах. Однако асбест известен как канцероген и вызывает различные другие заболевания, такие как асбестоз ; амфиболовый асбест ( антофиллит , тремолит , актинолит , грюнерит и рибекит ) считается более опасным, чем хризотиловый серпентиновый асбест. [121]
Циклосиликаты, или кольцевые силикаты, имеют соотношение кремния к кислороду 1:3. Наиболее распространены шестичленные кольца с базовой структурой [Si 6 O 18 ] 12− ; примеры включают группу турмалина и берилл . Существуют и другие кольцевые структуры, описанные с 3, 4, 8, 9, 12. [122] Циклосиликаты, как правило, прочные, с удлиненными, бороздчатыми кристаллами. [123]
Турмалины имеют очень сложную химию, которую можно описать общей формулой XY 3 Z 6 (BO 3 ) 3 T 6 O 18 V 3 W. T 6 O 18 является основной кольцевой структурой, где T обычно представляет собой Si 4+ , но может быть заменен на Al 3+ или B 3+ . Турмалины можно подразделить по занятости позиции X, а оттуда далее подразделить по химии позиции W. Позиции Y и Z могут вмещать различные катионы, особенно различные переходные металлы; эта изменчивость в структурном содержании переходных металлов дает группе турмалина большую изменчивость цвета. Другие циклосиликаты включают берилл, Al 2 Be 3 Si 6 O 18 , разновидности которого включают драгоценные камни изумруд (зеленый) и аквамарин (голубоватый). Кордиерит структурно похож на берилл и является распространенным метаморфическим минералом. [124]
Соросиликаты, также называемые дисиликатами, имеют тетраэдр-тетраэдрическую связь на одном кислороде, что приводит к соотношению кремния к кислороду 2:7. Результирующий общий структурный элемент - группа [Si 2 O 7 ] 6− . Наиболее распространенные дисиликаты на сегодняшний день являются членами группы эпидота . Эпидоты встречаются в различных геологических обстановках, от срединно-океанического хребта до гранитов и метапелитов . Эпидоты построены вокруг структуры [(SiO 4 )(Si 2 O 7 )] 10− ; например, минеральный вид эпидот имеет кальций, алюминий и трехвалентное железо для баланса заряда: Ca 2 Al 2 (Fe 3+ , Al)(SiO 4 )(Si 2 O 7 )O(OH). Присутствие железа в виде Fe 3+ и Fe 2+ помогает буферизовать летучесть кислорода , что, в свою очередь, является важным фактором в петрогенезисе. [125]
Другие примеры соросиликатов включают лавсонит , метаморфический минерал, образующийся в фации голубого сланца (зона субдукции с низкой температурой и высоким давлением), везувиан , который содержит значительное количество кальция в своей химической структуре. [125] [126]
Ортосиликаты состоят из изолированных тетраэдров, заряд которых уравновешен другими катионами. [127] Также называемые несосиликатами, этот тип силикатов имеет соотношение кремния к кислороду 1:4 (например, SiO 4 ). Типичные ортосиликаты имеют тенденцию образовывать блочные изометричные кристаллы и являются довольно твердыми. [128] Несколько породообразующих минералов являются частью этого подкласса, такие как алюмосиликаты, группа оливина и группа граната.
Алюмосиликаты – бкианит, андалузит и силлиманит, все Al 2 SiO 5 – структурно состоят из одного тетраэдра [SiO 4 ] 4− и одного Al 3+ в октаэдрической координации. Оставшийся Al 3+ может находиться в шестикратной координации (кианит), пятикратной (андалузит) или четырехкратной (силлиманит); то, какие минеральные формы образуются в данной среде, зависит от условий давления и температуры. В структуре оливина основная серия оливина (Mg, Fe) 2 SiO 4 состоит из богатого магнием форстерита и богатого железом фаялита. И железо, и магний находятся в октаэдрической форме по кислороду. Существуют и другие минеральные виды, имеющие эту структуру, такие как тефроит , Mn 2 SiO 4 . [129] Группа граната имеет общую формулу X 3 Y 2 (SiO 4 ) 3 , где X — большой восьмикратно координированный катион, а Y — меньший шестикратно координированный катион. Существует шесть идеальных конечных членов граната, разделенных на две группы. Гранаты пиральспита имеют Al 3+ в позиции Y: пироп (Mg 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 ), альмандин (Fe 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 ) и спессартин (Mn 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 ). Гранаты уграндита имеют Ca 2+ в позиции X: уваровит (Ca 3 Cr 2 (SiO 4 ) 3 ), гроссуляр (Ca 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 ) и андрадит (Ca 3 Fe 2 (SiO 4 ) 3 ). Хотя существует две подгруппы граната, твердые растворы существуют между всеми шестью конечными членами. [127]
Другие ортосиликаты включают циркон , ставролит и топаз . Циркон (ZrSiO 4 ) полезен в геохронологии, поскольку U 6+ может заменять Zr 4+ ; кроме того, из-за его очень устойчивой структуры его трудно переустанавливать как хронометр. Ставролит является распространенным метаморфическим промежуточным индексным минералом. Он имеет особенно сложную кристаллическую структуру, которая была полностью описана только в 1986 году. Топаз (Al 2 SiO 4 (F, OH) 2 , часто встречающийся в гранитных пегматитах, связанных с турмалином , является распространенным минералом-драгоценным камнем. [130]
Самородные элементы — это те, которые химически не связаны с другими элементами. Эта группа минералов включает самородные металлы , полуметаллы и неметаллы, а также различные сплавы и твердые растворы. Металлы удерживаются вместе металлической связью, которая придает им отличительные физические свойства, такие как блестящий металлический блеск, пластичность и ковкость, а также электропроводность. Самородные элементы подразделяются на группы по их структуре или химическим свойствам.
Группа золота с кубической плотноупакованной структурой включает такие металлы, как золото, серебро и медь. Группа платины по структуре похожа на группу золота. Группа железа и никеля характеризуется несколькими видами сплавов железа и никеля. Два примера — камасит и тэнит , которые встречаются в железных метеоритах; эти виды отличаются количеством Ni в сплаве; камасит содержит менее 5–7% никеля и является разновидностью самородного железа , тогда как содержание никеля в тэните колеблется от 7 до 37%. Минералы группы мышьяка состоят из полуметаллов, которые обладают только некоторыми металлическими чертами; например, у них отсутствует ковкость металлов. Самородный углерод встречается в двух аллотропах, графите и алмазе; последний образуется при очень высоком давлении в мантии, что придает ему гораздо более прочную структуру, чем графит. [131]
Сульфидные минералы представляют собой химические соединения одного или нескольких металлов или полуметаллов с халькогеном или пниктогеном , из которых наиболее распространена сера. Теллур, мышьяк или селен могут заменять серу. Сульфиды, как правило, являются мягкими, хрупкими минералами с высоким удельным весом. Многие порошкообразные сульфиды, такие как пирит, имеют сернистый запах в порошкообразном виде. Сульфиды подвержены выветриванию, и многие из них легко растворяются в воде; эти растворенные минералы могут быть позже переотложены, что создает обогащенные вторичные рудные месторождения. [132] Сульфиды классифицируются по соотношению металла или полуметалла к сере, например, M:S равно 2:1 или 1:1. [133] Многие сульфидные минералы имеют экономическое значение как металлические руды ; Примерами являются сфалерит (ZnS), руда цинка, галенит (PbS), руда свинца, киноварь (HgS), руда ртути и молибденит (MoS 2 , руда молибдена. [134] Пирит (FeS 2 ), является наиболее часто встречающимся сульфидом и может быть найден в большинстве геологических сред. Однако он не является рудой железа, но вместо этого может быть окислен с образованием серной кислоты . [135] С сульфидами связаны редкие сульфосоли , в которых металлический элемент связан с серой и полуметаллом, таким как сурьма , мышьяк или висмут . Как и сульфиды, сульфосоли, как правило, являются мягкими, тяжелыми и хрупкими минералами. [136]
Минералы-оксиды делятся на три категории: простые оксиды, гидроксиды и множественные оксиды. Простые оксиды характеризуются O 2− в качестве основного аниона и преимущественно ионной связью. Их можно дополнительно подразделить по соотношению кислорода к катионам. Группа периклаза состоит из минералов с соотношением 1:1. Оксиды с соотношением 2:1 включают куприт (Cu 2 O) и водяной лед. Минералы группы корунда имеют соотношение 2:3 и включают такие минералы, как корунд (Al 2 O 3 ) и гематит (Fe 2 O 3 ). Минералы группы рутила имеют соотношение 1:2; одноименный вид, рутил (TiO 2 ) является главной рудой титана ; другие примеры включают касситерит (SnO 2 ; руда олова ) и пиролюзит (MnO 2 ; руда марганца ). [137] [138] В гидроксидах доминирующим анионом является гидроксил-ион, OH − . Бокситы являются главной алюминиевой рудой и представляют собой гетерогенную смесь гидроксидных минералов диаспора , гиббсита и бёмита ; они образуются в областях с очень высокой скоростью химического выветривания (в основном тропические условия). [139] Наконец, множественные оксиды представляют собой соединения двух металлов с кислородом. Основная группа в этом классе — шпинели с общей формулой X 2+ Y 3+ 2 O 4 . Примерами видов являются шпинель (MgAl 2 O 4 ), хромит (FeCr 2 O 4 ) и магнетит (Fe 3 O 4 ). Последний легко отличить по его сильному магнетизму, который возникает, поскольку в нем есть железо в двух степенях окисления (Fe 2+ Fe 3+ 2 O 4 ), что делает его множественным оксидом вместо одного оксида. [140]
Галогенидные минералы — это соединения, в которых галоген (фтор, хлор, йод или бром) является основным анионом. Эти минералы, как правило, мягкие, слабые, хрупкие и водорастворимые. Обычные примеры галогенидов включают галит (NaCl, поваренная соль), сильвин (KCl) и флюорит (CaF 2 ). Галит и сильвин обычно образуются в виде эвапоритов и могут быть доминирующими минералами в химических осадочных породах. Криолит , Na 3 AlF 6 , является ключевым минералом при извлечении алюминия из бокситов ; однако, поскольку единственное значительное месторождение в Ивиттууте , Гренландия , в гранитном пегматите было истощено, синтетический криолит можно производить из флюорита. [141]
Карбонатные минералы - это те, в которых основной анионной группой является карбонат, [CO 3 ] 2− . Карбонаты, как правило, хрупкие, многие имеют ромбоэдрическую спайность и все реагируют с кислотой. [142] Из-за последней характеристики полевые геологи часто носят с собой разбавленную соляную кислоту, чтобы отличить карбонаты от некарбонатов. Реакция кислоты с карбонатами, чаще всего встречающимися в виде полиморфного кальцита и арагонита (CaCO 3 ), связана с растворением и осаждением минерала, который является ключевым в образовании известняковых пещер, таких особенностей внутри них, как сталактит и сталагмиты, и карстовых форм рельефа. Карбонаты чаще всего образуются как биогенные или химические отложения в морской среде. Карбонатная группа структурно представляет собой треугольник, где центральный катион C 4+ окружен тремя анионами O 2− ; различные группы минералов образуются из различных расположений этих треугольников. [143] Наиболее распространенным карбонатным минералом является кальцит, который является основным компонентом осадочного известняка и метаморфического мрамора. Кальцит, CaCO 3 , может иметь значительный процент магния, заменяющего кальций. В условиях высокого содержания магния вместо него образуется его полиморфный арагонит; морскую геохимию в этом отношении можно описать как арагонитовое или кальцитовое море , в зависимости от того, какой минерал преимущественно образуется. Доломит представляет собой двойной карбонат с формулой CaMg(CO 3 ) 2 . Вторичная доломитизация известняка является обычным явлением, при котором кальцит или арагонит преобразуются в доломит; эта реакция увеличивает поровое пространство (объем элементарной ячейки доломита составляет 88% от объема кальцита), что может создать резервуар для нефти и газа. Эти два вида минералов являются членами одноименных минеральных групп: группа кальцита включает карбонаты с общей формулой XCO 3 , а группа доломита состоит из минералов с общей формулой XY(CO 3 ) 2 . [144]
Все сульфатные минералы содержат сульфатный анион, [SO 4 ] 2− . Они, как правило, прозрачны или полупрозрачны, мягки и многие из них хрупкие. [145] Сульфатные минералы обычно образуются в виде эвапоритов , где они выпадают в осадок из испаряющихся соленых вод. Сульфаты также могут быть обнаружены в гидротермальных жильных системах, связанных с сульфидами, [146] или как продукты окисления сульфидов. [147] Сульфаты можно подразделить на безводные и водные минералы. Наиболее распространенным водным сульфатом на сегодняшний день является гипс , CaSO 4 ⋅2H 2 O. Он образуется в виде эвапорита и связан с другими эвапоритами, такими как кальцит и галит; если он включает песчинки при кристаллизации, гипс может образовывать пустынные розы . Гипс имеет очень низкую теплопроводность и сохраняет низкую температуру при нагревании, поскольку он теряет это тепло при дегидратации; как таковой, гипс используется в качестве изолятора в таких материалах, как штукатурка и гипсокартон. Безводный эквивалент гипса — ангидрит ; он может образовываться непосредственно из морской воды в очень засушливых условиях. Группа барита имеет общую формулу XSO 4 , где X — большой 12-координированный катион. Примеры включают барит (BaSO 4 ), целестин (SrSO 4 ) и англезит (PbSO 4 ); ангидрит не является частью группы барита, так как меньший Ca 2+ находится только в восьмикратной координации. [148]
Фосфатные минералы характеризуются тетраэдрической единицей [PO 4 ] 3− , хотя структура может быть обобщена, и фосфор заменяется сурьмой, мышьяком или ванадием. Наиболее распространенным фосфатом является группа апатита ; распространенными видами в этой группе являются фторапатит (Ca 5 (PO 4 ) 3 F), хлорапатит (Ca 5 (PO 4 ) 3 Cl) и гидроксиапатит (Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH)). Минералы в этой группе являются основными кристаллическими составляющими зубов и костей позвоночных. Относительно распространенная группа монацита имеет общую структуру ATO 4 , где T — фосфор или мышьяк, а A — часто редкоземельный элемент (РЗЭ). Монацит важен двумя способами: во-первых, как «приемник» РЗЭ, он может достаточно концентрировать эти элементы, чтобы стать рудой; во-вторых, элементы группы монацита могут включать относительно большие количества урана и тория, что может быть использовано в геохронологии монацита для датирования породы на основе распада U и Th до свинца. [149]
Классификация Штрунца включает класс органических минералов . Эти редкие соединения содержат органический углерод , но могут быть образованы геологическим процессом. Например, вевеллит , CaC 2 O 4 ⋅H 2 O — это оксалат , который может откладываться в гидротермальных рудных жилах. Хотя гидратированный оксалат кальция можно найти в угольных пластах и других осадочных отложениях, содержащих органическое вещество, гидротермальное возникновение не считается связанным с биологической активностью. [98]
Схемы классификации минералов и их определения развиваются, чтобы соответствовать последним достижениям в области минералогии. Недавние изменения включали добавление органического класса как в новые схемы классификации Dana, так и в схемы Strunz . [150] [151] Органический класс включает очень редкую группу минералов с углеводородами . Комиссия IMA по новым минералам и названиям минералов приняла в 2009 году иерархическую схему для наименования и классификации групп минералов и названий групп и создала семь комиссий и четыре рабочие группы для рассмотрения и классификации минералов в официальном списке их опубликованных названий. [152] [153] Согласно этим новым правилам, «минеральные виды могут быть сгруппированы различными способами, например, на основе химии, кристаллической структуры, распространения, ассоциации, генетической истории или ресурса, в зависимости от цели, которой должна служить классификация». [152]
Было высказано предположение, что биоминералы могут быть важными индикаторами внеземной жизни и, таким образом, могут играть важную роль в поиске прошлой или настоящей жизни на Марсе . Кроме того, считается, что органические компоненты ( биосигнатуры ), которые часто связаны с биоминералами, играют решающую роль как в пребиотических, так и в биотических реакциях. [154]
В январе 2014 года НАСА сообщило, что исследования марсоходов Curiosity и Opportunity на Марсе будут направлены на поиск доказательств древней жизни, включая биосферу, основанную на автотрофных , хемотрофных и/или хемолитоавтотрофных микроорганизмах , а также древней воды, включая флювио-озерные среды ( равнины, связанные с древними реками или озерами ), которые могли быть пригодны для жизни . [155] [156] [157] [158] Поиск доказательств обитаемости , тафономии (связанной с ископаемыми ) и органического углерода на планете Марс стал основной целью НАСА . [155] [156]
