Description:

Часть I ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ Глава 1 О ПРИРОДЕ МИНЕРАЛОВ 1.1 Введение Минералогия — старейшая из наук о Земле. По существу она стоит в одном ряду с земледелием и животноводством, принадлежа к старейшим областям практических знаний. Уже десятки тысяч лет назад люди использовали кремень для производства орудий труда и минералы, содержащие оксид железа — для получения охры, а начало использования медных руд относится, вероятно, к 6000 г. до н. э. Само слово минералогия существует с 1690 г., но современное понятие минерала (гомогенное твердое тело природного происхождения) было сформулировано только в начале XIX в. Тогда минералогия была гораздо теснее связана с химией и физикой, чем с геологией. Можно считать, что среди основателей и неорганической химии и минералогии были такие известные ученые того времени, как швед Йене Якоб Берцелиус (1779-1848) и англичанин Гемфри Дэви (1778-1829). Тесные связи между минералогией и геологией способствовали развитию петрографии начиная примерно с 1840 г. На протяжении последних 150 лет минералогия постоянно развивалась и изменялась, и теперь эксплуатация минеральных ресурсов и открытие новых способов использования минералов в технике происходят быстрее, чем когда-либо прежде. Развитие техники также способствует изучению минералов и позволяет глубже понять их состав и структуру. Сейчас нам стало намного яснее, как изменяются минералы в соответствии с изменением физических и химических свойств окружающей среды. Сегодня исследования состава, структуры и свойств кристаллов в физике и химии твердого тела и в материаловедении тесно связаны с аналогичными исследованиями в минералогии. Многие минералы обладают большой эстетической привлекательностью не только тогда, когда они обработаны как драгоценные камни, но и в натуральном виде. Помимо этого имеются и некоторые другие особенности минералов, от которых зависят и их полезные свойства и интерес к ним. Одной из таких особенностей является ценность минералов как рудного сырья. Это качество минералов заключено в их химическом составе, так как он определяет, какие элементы могут быть извлечены из минерала посредством плавления или разрушения его структуры другим способом. Такой ценностью обладают, например, халькозин, галенит и сфалерит (сульфиды меди, свинца и цинка), касситерит (оксид олова) и многие другие минералы. Другой особенностью минералов является их значимость как кристаллического материала, т. е. наличие у них уникальных свойств, связанных с кристаллической структурой. Алмаз и графит представляют собой различные кристаллические формы чистого углерода, а весьма заметные различия в их физических свойствах обусловлены только способом, по которому атомы углерода расположены в пространстве и объединены в кристаллы. Именно структура алмаза, представляющая собой трехмерную решетку прочно связанных между собой атомов углерода, делает его самым твердым из всех минералов и является причиной широкого использования его как драгоценного камня или абразива. С другой стороны, графит находится в ряду самых мягких минералов, что определяет его применение в качестве смазочного материала или в карандашных грифелях. Особенности минералов, которые используются для получения различных материалов, — это не только их твердость и оптические характеристики, но и пьезоэлектрические и магнитные свойства. Например, кварц, обладающий пьезоэлектрическими свойствами, применяется при изготовлении часов и манометров. Третья особенность минералов заключается в существовании их ассоциаций, которые слагают горные породы и позволяют получать информацию о геологических процессах. Петрография, занимающаяся изучением минеральных агрегатов или пород, неизбежно связана с минералогией, и весьма трудно провести границу, разделяющую описание минералов и оценку петрологических обстановок их образования. Проведя эксперименты и поняв, как меняются структура и состав минералов при изменении температуры и давления, мы получаем основу для построения теорий эволюции земной коры, а также можем судить о строении и составе глубоких недр Земли. Значение пространственного расположения атомов в структуре и их фундаментальной связи с составом минералов стали ясны уже во второй половине XIX в., но у исследователей не было тогда прямого метода для подтверждения этого. Такая возможность появилась в 1912 г., когда Макс фон Лауэ впервые показал, что кристалл может служить трехмерной дифракционной решеткой для пучка рентгеновских лучей. В одной из последующих глав мы вернемся к методам рентгеновского изучения кристаллов. Здесь же достаточно сказать, что по величине углов, под которыми происходит дифракция рентгеновских лучей, можно определять расстояние между плоскостями, содержащими атомы, из которых построен кристалл, а изучая интенсивность рентгеновских лучей, можно делать выводы о положении атомов различных элементов на этих плоскостях. Вооружившись точным знанием химического состава кристаллического соединения, мы оказываемся в состоянии установить приблизительное положение всех элементов в его структуре. В этой книге рассматривается главным образом связь между кристаллической структурой и химическим составом при температурах и давлениях, существующих в земных недрах. Вопросы, связанные с минеральными ассоциациями в породах, оставляем для книг, посвященных различным аспектам петрографии. 1.2 Формальное определение минерала Прежде чем продолжить дальнейшее изложение материала, уместно дать формальное определение минерала. Минерал представляет собой гомогенное твердое тело, образованное природными процессами. Минерал обладает правильным, закономерным расположением атомов, что устанавливает пределы для области изменения его химического состава и придает ему характерные физические свойства. Данное определение исключает все жидкости, газы, искусственные твердые тела и природные аморфные вещества. И все же два аморфных вещества — опал и лешательерит — описаны в этой книге просто потому, что они представляют интерес в связи с другими, кристаллическими формами кремнезема. Янтарь, уголь, битумы и нефтяные масла исключены по той причине, что имеют переменный состав и не обладают правильной атомной структурой. Хотя наше определение минерала не включает некоторые вещества, которые обычно считают минералами, оно является, повидимому, столь же четким и недвусмысленным, как определение любого понятия в естественной истории, и эта книга посвящена описанию минералов, определенных именно таким образом. На сегодняшний день науке известно около 3800 минеральных видов и разновидностей. Это число медленно возрастает по мере того, как открываются и описываются новые минералы (в настоящее время скорость прироста составляет примерно 50 новых минералов в год). В противоположность этому небольшое число минералов (обычно менее пяти в год) дискредитируется после того, как оказывается, что они являются по существу какими-либо из уже известных минералов или же смесью двух или большего числа минералов. Чтобы вещество действительно представляло собой определенный минерал, необходимо иметь единственную в своем роде комбинацию химического состава и структуры. Это не означает, что у минерала должны быть уникальны и структура и состав. Как мы увидим, имеется много минералов с одинаковой структурой и множество химических составов, которые являются общими для нескольких минералов. Именно сочетание этих двух параметров должно быть строго определенным. Минералы, обладающие идентичной структурой, называются изоморфными или изоструктурными. Примерами изоморфных групп или рядов являются минералы группы оливина и группы граната. Минералы с одинаковым химическим составом, но различной кристаллической структурой называют полиморфными. Ярким примером полиморфизма, не считая упомянутых выше алмаза и графита, являются три полиморфные формы Al2SiO5, а именно андалузит, силлиманит и кианит, встречающиеся в метаморфических породах. Более детально понятия изоморфизма и полиморфизма будут рассмотрены в гл. 2. Однако, прежде чем перейти к детальному описанию структуры и химических свойств минералов, нам следует вначале коротко коснуться основных химических понятий, которые определяют, каким образом атомы соединяются в кристаллах, т. е. рассмотреть природу химической связи. Затем мы вкратце обратимся к принципам образования связей, которые встречаются в некоторых наиболее важных минералах. 1.3 Строение атомов В следующих разделах будет дано упрощенное нематематическое описание природы атомов и типов химической связи. Полная и подробная трактовка этого предмета находится за рамками данной книги; более детальное описание этих вопросов можно найти в некоторых книгах, перечисленных в конце главы. С химической и минералогической точки зрения можно считать, что атом состоит из ядра, окруженного оболочкой электронов. Именно электронная оболочка атомов и ее взаимодействие с электронами других атомов определяют их поведение в химическом соединении. Ядра атомов состоят из положительно заряженных частиц (протонов) и нейтральных частиц (нейтронов), которые вместе составляют практически всю массу атома. Вокруг ядра располагается оболочка, или облако, электронов с ничтожной массой, каждый из которых несет единицу отрицательного электрического заряда. Общее число электронов равняется числу протонов (единицы положительного заряда) в ядре; таким образом строится нейтральный атом. Число протонов в ядре определяет атомное число Z. Каждый химический элемент имеет определенное атомное число (атомный номер). Например, для Cu Z = 29, и все атомы меди обладают 29 протонами. Число нейтронов в ядре атома того или иного элемента может варьировать, что приводит к существованию различных изотопов у одного элемента. Изотопы элемента сохраняют общий атомный номер и характеризуются одинаковыми химическими свойствами, но различаются по атомной массе. Различное количество незаряженных нейтронов в изотопах не приводит к изменению электростатического заряда ядра и, следовательно, не меняет число окружающих его электронов. Но именно последние обусловливают химические свойства. Ключевые слова: высший симметрия, острый биссектриса, электронный структура, радиус, шкала мооса, ряд, положение, драгоценный камень, жидкость, точка, массовый процент, электронный облако, орбиталь, круг, решётка, линия, направление, симметрия, обычный, сходящийся света, реконструктивный преобразование, измерение, оболочка, перемещать полюс, излучение, электронный зонд, глубина, слоистый силикат, метод, случай, неотклоненный пучок, осуществление замещение, решетка, процесс, магнитный, образец, часть, волновой движение, отражение, лист бумага, раствор, оптический труба, волновой механик, число, дисперсия света, помощь, показатель преломление, скользящий падение, друг, символ, двойникование, электромагнитный излучение, волна, элементарный, минерал, характеристический энергия, неорганический химия, следующий, показанный, ось, следующий этап, тригональный система, связанный, данный, света, степень, низкотемпературный модификация, слой, группа, параллельный, замещение чермак, плоскость, кристаллографический ось, оптически положительный, тупой биссектриса, тип, чистый металл, преломление, пучок, поверхность, путь, испускание света, система, цвет, кристаллографический, должный, луч, электрон, схема иллюстрирующий, элемент, пространственный группа, дифракция нейтрон, сингония, узел, одинаковый, образ, непосредственный сосед, простой, фазовый диаграмма, результат, отношение, такая образ, грань, длина волна, показатель, угол, интерференционный окраска, энергия, заряд, состав, сетка вульф, определение, цветной кольцо, электронно-зондовый микроанализ, стереографический проекция, длина, ион, центр, клин противодействовать, изучение, полиморфный модификация, проекционный линза, баланс заряд, анион, порошковый дифракция, натриевый лампа, отраженный света, оператор симметрия, размер, электронный детектор, рентгеновский дифракция, последующий смещение, кристаллический решетка, изменение, насыщенный раствор, анизотропный вещество, твердый раствор, приведенный, двойниковый ось, коэффициент поглощение, время, состояние, перпендикулярный, электронный, брэгг, атомный, расстояние, уравнение брэггавульф, явление, изображение, структура, атомный масса, внешний, ячейка, кристаллический, кристалл, поле, конечный член, пластинка, винтовой ось, твёрдый, заряженный облако, вид, свойство, оптический, линза бертран, предметный стечь, рентгеновский, замещение, точечный группа, связь, ускоряющий напряжение, соответствующий, форма, вещество, температура, контрастный изображение, ориентация, металл, пример, плотность, отраженный пучок, оптический ось, отражательный способность, формула, сторона, энергетический уровень, зависимость, величина, известный, пучок света, описание, расположение, пространственный расположение, мокрый химия, решетка браве, колебание, нормальный падение, магнитный железняк, свет, анализ, валентный состояние, элементарный ячейка, низкотемпературный форма, хороший отражатель, атом, химический, количество, деформационный двойникование, рентгеновский луч, поле зрение, возможный, высота, зерно, магнитный поле, кварцевый клин, октаэдрический пустота, тетрагональный система, кислород, микроскоп, значение, определённый, пространственный, поток энергия, катион, электронный пучок, следовательно, кварц