Минералогия [n 1] — это предмет геологии, специализирующийся на научном изучении химии , кристаллической структуры и физических (включая оптические ) свойств минералов и минерализованных артефактов . Конкретные исследования в рамках минералогии включают процессы возникновения и образования минералов, классификацию минералов, их географическое распространение, а также их использование.
Ранние труды по минералогии, особенно по драгоценным камням , происходят из древней Вавилонии , древнего греко-римского мира, древнего и средневекового Китая , а также санскритских текстов из древней Индии и древнего исламского мира. [4] Книги по этой теме включали « Естественную историю » Плиния Старшего , в которой не только описывалось множество различных минералов, но и объяснялись многие их свойства, и «Китаб аль-Джавахир» (Книга о драгоценных камнях) персидского ученого Аль-Бируни . Немецкий специалист по эпохе Возрождения Георгиус Агрикола написал такие работы, как «De re metallica» ( О металлах , 1556) и «De Natura Fossilium» ( О природе горных пород , 1546), которые положили начало научному подходу к предмету. Систематические научные исследования минералов и горных пород развивались в Европе после эпохи Возрождения . [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 сечений горных пород с изобретением микроскопа в 17 веке. [4]
Николас Стено впервые наблюдал закон постоянства углов раздела фаз (также известный как первый закон кристаллографии) в кристаллах кварца в 1669 году. [5] : 4 Позднее это было обобщено и экспериментально установлено Жаном-Батистом Л. Роме де Лиле в 1783 году. [6] Рене Жюст Гаюи , «отец современной кристаллографии», показал, что кристаллы являются периодическими, и установил, что ориентация граней кристаллов может быть выражена в терминах рациональных чисел, как позже закодировано в индексах Миллера. [5] : 4 В 1814 году Йенс Якоб Берцелиус ввел классификацию минералов, основанную на их химии, а не на их кристаллической структуре. [7] Уильям Николь разработал призму Николя , которая поляризует свет, в 1827–1828 годах, изучая окаменевшую древесину; 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 развита в инструмент для анализа кристаллической структуры минералов командой отца и сына Уильяма Генри Брэгга и Уильяма Лоуренса Брэгга . [5] : 4
Совсем недавно, под влиянием достижений в экспериментальной технике (например, нейтронной дифракции ) и доступной вычислительной мощности, последняя из которых позволила проводить чрезвычайно точное моделирование поведения кристаллов в атомном масштабе, наука разветвилась, чтобы рассмотреть более общие проблемы в областях неорганической химии и физики твердого тела . Однако она сохраняет фокус на кристаллических структурах, обычно встречающихся в породообразующих минералах (таких как перовскиты , глинистые минералы и каркасные силикаты ). В частности, эта область достигла больших успехов в понимании взаимосвязи между атомной структурой минералов и их функцией; в природе яркими примерами могут служить точное измерение и прогнозирование упругих свойств минералов, что привело к новому пониманию сейсмологического поведения горных пород и разрывов, связанных с глубиной, в сейсмограммах мантии Земли . В связи с этим минералогия (как ее теперь обычно называют) в своем фокусе на связи между явлениями атомного масштаба и макроскопическими свойствами, пожалуй, больше пересекается с материаловедением, чем с любой другой дисциплиной.
Первым шагом в идентификации минерала является изучение его физических свойств, многие из которых можно измерить на ручном образце. Их можно классифицировать по плотности (часто даваемой как удельный вес ); мерам механического сцепления ( твердость , прочность , раскалывание , излом , расщепление ); макроскопическим визуальным свойствам ( блеск , цвет, штрих , люминесценция , прозрачность ); магнитным и электрическим свойствам; радиоактивности и растворимости в хлористом водороде ( HCl ). [5] : 97–113 [8] : 39–53
Твердость определяется путем сравнения с другими минералами. В шкале Мооса стандартный набор минералов пронумерован в порядке увеличения твердости от 1 (тальк) до 10 (алмаз). Более твердый минерал будет царапать более мягкий, поэтому неизвестный минерал может быть помещен в эту шкалу, по тому, какие минералы; он царапает и какие царапают его. Несколько минералов, таких 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
Упорность относится к поведению минерала, когда он ломается, раздавливается, сгибается или рвется. Минерал может быть хрупким , ковким , сективным , пластичным , гибким или эластичным . Важное влияние на упорность оказывает тип химической связи ( например, ионная или металлическая ). [9] : 255–256
Из других мер механической когезии, спайность - это тенденция к разрыву вдоль определенных кристаллографических плоскостей. Она описывается качеством ( например , совершенный или ровный) и ориентацией плоскости в кристаллографической номенклатуре.
Разделение — это тенденция к разрыву вдоль плоскостей слабости из-за давления, двойникования или распада . Если эти два вида разрыва не происходят, излом имеет менее упорядоченную форму, которая может быть раковистой (имеющей плавные изгибы, напоминающие внутреннюю часть раковины), волокнистой , занозной , рваной (зазубренной с острыми краями) или неровной . [9] : 253–254
Если минерал хорошо кристаллизован, он также будет иметь характерную кристаллическую форму (например, гексагональную, столбчатую, гроздевидную ), которая отражает кристаллическую структуру или внутреннее расположение атомов. [8] : 40–41 На него также влияют дефекты кристаллов и двойникование . Многие кристаллы являются полиморфными , имеющими 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 , которая повторяет базовый рисунок, называемый элементарной ячейкой , в трех измерениях. Решетка может быть охарактеризована ее симметриями и размерами элементарной ячейки. Эти размеры представлены тремя индексами Миллера . [11] : 91–92 Решетка остается неизменной при определенных операциях симметрии относительно любой заданной точки решетки: отражение , вращение , инверсия и поворотная инверсия , комбинация вращения и отражения. Вместе они составляют математический объект, называемый кристаллографической точечной группой или классом кристалла . Существует 32 возможных класса кристалла. Кроме того, существуют операции, которые смещают все точки: трансляция , винтовая ось и плоскость скольжения . В сочетании с точечными симметриями они образуют 230 возможных пространственных групп . [11] : 125–126
Большинство геологических отделений имеют рентгеновское порошковое дифракционное оборудование для анализа кристаллических структур минералов. [8] : 54–55 Рентгеновские лучи имеют длины волн того же порядка, что и расстояния между атомами. Дифракция , конструктивная и деструктивная интерференция между волнами, рассеянными на разных атомах, приводит к отличительным узорам высокой и низкой интенсивности, которые зависят от геометрии кристалла. В образце, измельченном в порошок, рентгеновские лучи создают случайное распределение всех ориентаций кристаллов. [12] Порошковая дифракция может различать минералы, которые могут выглядеть одинаково в ручном образце, например, кварц и его полиморфы тридимит и кристобалит . [8] : 54
Изоморфные минералы разного состава имеют схожие картины порошковой дифракции, основное различие заключается в интервале и интенсивности линий. Например, кристаллическая структура NaCl ( галита ) имеет пространственную группу Fm3m ; эта структура характерна для сильвина ( KCl ), периклаза ( MgO ) , бунзенита ( NiO ) , галенита ( PbS ) , алабандита ( MnS ), хлораргирита ( AgCl ) и осборнита ( TiN ) . [ 9 ] : 150–151
Несколько минералов являются химическими элементами , включая серу , медь , серебро и золото , но подавляющее большинство являются соединениями . Классический метод определения состава — 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 большинство химических анализов проводится с использованием инструментов. Один из них, атомно-абсорбционная спектроскопия , похожа на мокрую химию в том, что образец все еще должен быть растворен, но это намного быстрее и дешевле. Раствор испаряется, и его спектр поглощения измеряется в видимом и ультрафиолетовом диапазоне. [9] : 225–226 Другие методы - рентгеновская флуоресценция , электронный 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 изгиб пути света, который происходит из-за того, что скорость света изменяется по мере его прохождения в кристалл; закон Снеллиуса связывает угол изгиба с показателем преломления , отношением скорости в вакууме к скорости в кристалле. Кристаллы, точечная группа симметрии которых попадает в кубическую систему, являются изотропными : показатель не зависит от направления. Все остальные кристаллы являются анизотропными : проходящий через них свет разбивается на два плоских поляризованных луча , которые движутся с разной скоростью и преломляются под разными углами. [9] : 289–291
Поляризационный микроскоп похож на обычный микроскоп, но у него есть 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, как правило, изменяет поляризацию, так что часть света может пройти. Тонкие срезы и порошки могут использоваться в качестве образцов. [9] : 293–294
При наблюдении изотропного кристалла он кажется темным, поскольку не изменяет поляризацию света. Однако, когда он погружен в калиброванную жидкость с более низким показателем преломления и микроскоп выведен из фокуса, по периметру кристалла появляется яркая линия, называемая линией Бекке . Наблюдая наличие или отсутствие таких линий в жидкостях с различными показателями, можно оценить показатель кристалла, обычно с точностью ± 0,003 . [9] : 294–295
Систематическая минералогия — это идентификация и классификация минералов по их свойствам. Исторически минералогия была в значительной степени связана с таксономией 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 минералов, образовав Комиссию по новым минералам, номенклатуре и классификации. [13] Существует более 6000 названных и неназванных минералов, и около 100 из них открываются каждый год. [14] В « Руководстве по минералогии» минералы делятся на следующие классы: самородные элементы , сульфиды , сульфосоли , оксиды и гидроксиды , галогениды , карбонаты, нитраты и бораты , сульфаты, хроматы, молибдаты и вольфраматы , фосфаты, арсенаты и ванадаты , а также силикаты . [9]
Условия образования и роста минералов весьма разнообразны: от медленной кристаллизации при высоких температурах и давлениях магматических расплавов глубоко в недрах земной коры до низкотемпературного осаждения из соляного раствора на поверхности Земли.
Различные возможные методы формирования включают в себя: [15]
Биоминералогия — это перекрестная область между минералогией, палеонтологией и биологией . Это изучение того, как растения и животные стабилизируют минералы под биологическим контролем, и последовательность замены минералов этих минералов после отложения. [16] Она использует методы из химической минералогии, особенно изотопные исследования, для определения таких вещей, как формы роста у живых растений и животных [17] [18] , а также таких вещей, как исходное минеральное содержание ископаемых. [19]
Новый подход к минералогии, называемый эволюцией минералов , исследует совместную эволюцию геосферы и биосферы, включая роль минералов в происхождении жизни и таких процессов, как катализируемый минералами органический синтез и избирательная 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 размещено более 690 000 пар минерал-местонахождение, 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, который был назван минеральной экологией . Один из таких вопросов заключается в том, насколько эволюция минералов является детерминированной , а насколько результатом случая . 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 Хазен и другие проанализировали количество минералов, включающих каждый элемент, в зависимости от его распространенности. Они обнаружили, что Земля, с более чем 4800 известными минералами и 72 элементами, имеет степенную зависимость. Луна, с всего лишь 63 минералами и 24 элементами (на основе гораздо меньшей выборки), имеет по сути ту же зависимость. Это означает, что, учитывая химический состав планеты, можно предсказать более распространенные минералы. Однако распределение имеет длинный хвост , при этом 34% минералов были обнаружены только в одном или двух местах. Модель предсказывает, что еще тысячи видов минералов могут ожидать открытия или образоваться, а затем быть потерянными из-за эрозии, захоронения или других процессов. Это подразумевает роль случая в образовании редких минералов. [24] [25] [26] [27]
В другом использовании больших наборов данных теория сетей была применена к набору данных углеродных минералов, что выявило новые закономерности в их разнообразии и распределении. Анализ может показать, какие минералы имеют тенденцию сосуществовать и какие условия (геологические, физические, химические и биологические) связаны с ними. Эта информация может быть использована для прогнозирования того, где искать новые месторождения и даже новые минеральные виды. [28] [29] [30]
Минералы необходимы для удовлетворения различных потребностей человеческого общества, например, минералы используются в качестве руд для основных компонентов металлических изделий, используемых в различных товарах и машинах , основные компоненты строительных материалов, таких как известняк , мрамор , гранит , гравий , стекло , гипс , цемент и т. д. [15] Минералы также используются в удобрениях для улучшения роста сельскохозяйственных культур.
Коллекционирование минералов также является хобби для изучения и коллекционирования , в котором участвуют клубы и общества, представляющие эту область. [32] [33] Музеи, такие как Зал геологии, драгоценных камней и минералов Смитсоновского национального музея естественной истории , 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] имеют популярные коллекции образцов минералов в постоянной экспозиции. [36]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )