Загальні відомості про мінерали та їх внутрішню будову

Земна кора, всі гірські породи, з яких вона складена, корисні копалини – всі вони складаються з мінералів. Мінералами називаються природні хімічні сполуки або окремі хімічні елементи, що перебувають у твердому агрегатному стані, мають кристалічну будову та утворилися в результаті геологічних процесів.

Сьогодні відомо понад 4000 мінеральних видів – від найпростіших, таких, що складаються з одного хімічного елементу (самородне золото, графіт, сірка) до дуже складних за своїм хімічним складом. При цьому лише близько 70 мінералів є найбільш поширеними. Вони входять до складу основної маси гірських порід земної кори і називаються породоутворюючими мінералами.

Частина твердих природних утворень зустрічається в аморфному стані (опал, лімоніт). Такі сполуки часто називають мінералоїдами.

Мінералам властиве суворо впорядковане взаємне розташування атомів і молекул. Така внутрішня структура мінералів (їх кристалічні ґратки) формується в процесі зародження і постійного зростання кристалів. Природно, що різноманітність кристалічних структур визначається особливостями хімічних зв'язків між атомами і їх розмірами.

Якщо зростання мінералу відбувається у вільному просторі, у пустотах тріщин або на поверхні гірських порід, то зовнішня форма кристалів, що утворюються, відображатиме особливості кристалічних ґраток. Так, кубічна форма кристалічної ґратки галіту (кам'яної солі) визначає і кубічну форму його кристалів, а шарувата будова ґратки графіту, слюди, тальку визначає лускату і листувату форму кристалів цих мінералів.

Якщо мінерал в процесі зростання заповнює викривлений простір між раніше утвореними мінеральними зернами, то він відповідно набуває і неправильну форму цього простору, зберігаючи при цьому кристалічну внутрішню будову. З таких мінералів складається більшість гірських порід.

Своєрідність структур кристалічних ґраток у різних мінералів визначає велику різноманітність форм природних кристалів. Поверхня кристалів обмежена площинами – гранями, лінії перетину площин – ребра. Точки перетину ребер утворюють вершини. У загальному вигляді форми кристалів можуть бути охарактеризовані наступними визначеннями (рис. 1):

- видовжені в одному напрямку (призматичні, стовпчасті, голчасті, волокнисті);

- видовжені у двох напрямках (таблитчасті, пластинчасті, листуваті, лускаті);

- однаково розвинуті в основних трьох напрямках (ізометричні у вигляді куба, октаедра та ін.);

- двійники, трійники та ін. – закономірні зростки кристалів.

Однакова будова кристалічних ґраток різних зразків одного й того ж мінералу обумовлює у них і однакові величини кутів між однойменними гранями і ребрами. Ця закономірність названа "законом постійності гранних кутів".

Головна особливість полягає в тому, що будова кристалічних ґраток мінералів, тип і міцність зв'язку між їхніми атомами визначають фізичні параметри і властивості мінералів – їх колір, твердість, ступінь прозорості, електропровідність і т.п. Наприклад, такі мінерали, як алмаз і графіт складаються з вуглецю, але за фізичними властивостями різко відрізняються.

Ще одна важлива особливість полягає в тому, що величина якого-небудь фізичного параметра в кристалі залежить від напряму, уздовж якого він вимірюється. І це природно, оскільки у різних напрямках відстань і міцність зв'язків між атомами у будь-яких кристалічних ґратках будуть різними. Така властивість кристалічних речовин називається анізотропією. Таким чином, всі кристалічні мінерали – анізотропні тіла.

Рис. 1. Деякі кристалічні форми мінералів і типи їх будови: I – ізометричні кристали: 1 – ромбічний додекаедр (гранат), 2 – кубічний (галеніт), 3 – пентагондодекаедр (пірит), 4 – октаедр (алмаз), 5 – тетраедр (сфалерит); II – кристали, видовжені в одному напрямку: 6 – стовпчастий (барит), 7 – короткостовпчастий (корунд), 8 – усічено-діпірамідальний (корунд), 9 – пірамідальний (сірка), 10 – бочкоподібний (корунд); III – кристали, видовжені у двох напрямках: 11 – таблитчастий (графіт),
12 – ромбоедр (кальцит), 13 – таблитчастий (піротин); IV – типи зростання кристалів: 14 – двійник піротину, 15 – трійник арсенопіриту, 16 – двійник ставроліту, 17 – двійник гіпсу, 18 – двійник кальциту.

Будова кристалічних ґраток залежить як від хімічного складу мінералу, так і від умов, в яких він утворився. В першу чергу від температури і тиску. Тому ґратки графіту, алмазу і багатьох інших мінералів з однаковим хімічним складом різні. Таке явище називається поліморфізмом. Наприклад, кварц (SiO₂) може кристалізуватися за різних температур. Відповідно розрізняють низькотемпературний (<575°C) і високотемпературний (575-870°С) кварц, тридиміт (870-1470°С) і кристобаліт (1470-1710°С). В метеоритних кратерах знаходять стішовіт, що має той же хімічний склад (SiO₂), але велику щільність (4,35 г/см³).

Мінералоїди мають не кристалічну, а аморфну – неврегульовану внутрішню будову. Молекули в них розташовуються по відношенню один до одного безладно. Фізичні параметри у таких утворень однакові за всіма напрямками – вони ізотропні (грец. "ізо" – однаковий, "тропос" – властивість). Прикладом аморфної речовини є природне і штучне скло, опал.

Утворення мінералів і форми знаходження їх у природі

Утворення мінералів відбувається усередині земної кори і Землі в результаті прояву ендогенних геологічних процесів, а також у приповерхневих умовах в результаті екзогенних процесів.

Ендогенні мінерали утворюються в результаті:

- кристалізації магми під час її охолоджування (магматичні процеси);

- випадіння в тріщинах і пустотах порід в результаті циркуляції через них мінералізованих гарячих водних розчинів (гідротермальні процеси) і газів (пневматолітові процеси);

- перекристалізації раніше утворених мінералів в інші мінеральні види під впливом високої температури і тиску (метаморфічні процеси);

- обмінних хімічних реакцій між магмою і вміщуючими її породами (метасоматичні процеси).

Екзогенні мінерали утворюються в результаті:

- хімічного і біохімічного розкладання мінералів і гірських порід в результаті дії на них атмосферного кисню, води і водних розчинів (процеси вивітрювання);

- випадання з водних розчинів на дно водоймищ солей та інших сполук (процеси хімічного осадконакопичення);

- заповнення пустот у рихлих осадках мінеральними масами, що виділяються з циркулюючих через пустоти підземних вод (процеси діагенезу).

Найпоширенішими формами знаходження мінералів є зернисті, землисті та оолітові агрегати (скупчення).

Зернисті агрегати – це власне гірські породи, що складаються з кристалічних зерен мінералів одного або декількох видів. Наприклад – граніт, пісковик.

Землисті агрегати – рихлі скупчення порошкоподібних мінералів, що розминаються пальцями рук.

Агрегати ооліту – скупчення оолітів – округлих, розміром до 5 мм частинок з концентрично шкаралупуватою внутрішньою будовою. Ооліти утворюються у мінералізованому водному середовищі водоймищ і можуть бути представлені вапняними, залізистими, марганцевими сполуками.

Менш поширеними мінеральними утвореннями є окремі кристали, друзи, секреції, конкреції, натічні форми, дендрити (рис. 2).

Друзи – це зростки різноорієнтованих кристалів.

Секреції – утворюються в результаті заповнення пустот мінеральною речовиною, що осідає на стінах.

Рис. 2. Деякі форми знаходження мінералів у природі: а – друза, б – секреція, в – конкреція, г – ооліти, д – сталактити, е – натічна брунькоподібна, ж – дендрити

Конкреції – мінеральні агрегати округлої, сплощеної або неправильної форми з концентричною або радіально-променистою будовою. Ці форми поступово формуються усередині осадових порід унаслідок стягування і концентрації мінеральної речовини – залізистих, карбонатних, кременистих та інших сполук.

Натічні форми – виникають на стінках пусток в результаті випаровування або охолоджування розчинів. Ці утворення мають ниркоподібну, гроноподібну, плівкову форму. Натічними формами є сталактити і сталагміти у печерах.

Дендрити утворюються в результаті зростання мінералів уздовж тонких тріщин в породах. Ці форми мають гіллясту будову.

Фізичні властивості мінералів

Кожен мінерал має певні показники фізичних властивостей. Ці показники визначають у лабораторіях із застосуванням спеціальних точних методів (хімічних, мікроскопічних, термічних, рентгеноструктурних та ін.), а також безпосередньо у польових умовах. Польове визначення мінералу проводиться за окремими характерними ознаками або певним їх поєднанням (макроскопічний метод), при цьому оцінюється щільність (питома вага) мінералів та морфологічні, оптичні, механічні і так звані особливі властивості мінералів.

Щільність мінералівоцінюється приблизно. Мінерали поділяються на три групи: легкі (щільність до 3,0 г/см³), середні (відповідно від 3,0 до 4,0 г/см³) і важкі (більше 4,0 г/см³).

Морфологічні властивості – це форма кристалів мінералу, умови знаходження їх у гірських породах, а також загальний вигляд мінеральних агрегатів.

Оптичні властивості мінералів – це їх колір (забарвлення), колір риски, прозорість та блиск.

Забарвлення або колірвизначається декількома чинниками – хімічним складом мінералу, його внутрішньою будовою і домішками.

Забарвлення мінералу може ускладнюватися інтерференцією світла при віддзеркалюванні його від внутрішніх дефектів (тріщин), включень і плівок на поверхні мінералу. Це явище називається іризацією. Прикладом можуть служити сині та блакитні переливи в глибині напівпрозорих кристалів лабрадору, а також строкате веселкове забарвлення непрозорого халькопіриту. У останньому випадку іризація має назву "мінливість" (рос. "побежалость"). Так, жовто-оранжева строката мінливість характерна для халькопіриту.

Прозорість– це здатність мінералу пропускати світло. Вона залежить від кристалічної структури мінералу, його складу і домішок. Виділяють мінерали: прозорі, непрозорі, напівпрозорі (що просвічують),а також ті, що просвічуютьна тонких краях. Дрібнозернисті агрегати, що складаються з прозорих мінералів, втрачають здатність пропускати світло і стають непрозорими або такими, що просвічують.

Блиск залежить від характеру поверхні мінералу, яка відбиває світло. Розрізняють три види блиску: металевий, металоподібний (напівметалевий) і неметалевий. Різновидами неметалевого є блиск алмазний, скляний, жирний, перламутровий, шовковистий, восковий, матовий (блиск відсутній).

Механічні властивості мінералів виявляються при механічній дії на них і включають такі поняття як спайність, зламі твердість.

Спайність – здатність кристалу розколюватися у певних напрямках з утворенням рівних блискучих поверхонь. Спайність може виявлятися в одному, двох, трьох, чотирьох і шести кристалографічних напрямках. Природно, що такі поверхні відповідають тим напрямкам в кристалічній решітці, де зв'язки між її атомами якнайменше міцні.

Таблиця 2 Шкала відносної твердості мінералів за Моосом
Мінерали шкали Мооса	Твердість мінералу за Моосом
Тальк
Гіпс
Кальцит
Флюорит
Апатит
Ортоклаз
Кварц
Топаз
Корунд
Алмаз

Злам – це форма поверхні мінералу, якщо розкол його проходить не по спайності. У кристалів із спайністю злам
характеризуватиметься як рівний за спайністю. У кристалів без спайності злам може бути нерівним, раковистим (як у скла). Мінеральні агрегати можуть мати злам зернистий, волокнистий
(скалкуватий), голчастий, землистий.

Твердість – це здатність мінералу чинити опір руйнуванню при дряпанні його іншим мінералом. Використовується мінеральна десятибальна шкала відносної твердості, запропонована у 1811 р. німецьким мінералогом Фрідріхом
Моосом (табл. 2). Кожен мінерал у цій шкалі має твердість на одиницю більше попереднього, тобто дряпає його.

У техніці і наукових дослідженнях використовуються показники абсолютної твердості, яка вимірюється приладами різних конструкцій.

Класифікація і характеристика мінералів, що вивчаються

Хімічна класифікація мінералів враховує їх хімічний склад і будову кристалічних ґраток. Виділяють близько двадцяти різних класів і підкласів мінералів. Мінерали, що вивчаються на лабораторних заняттях, відносяться до восьми основних класів:

1. Самородні елементи– графіт (С), сірка (S).

2. Сульфіди (сполуки металів з сіркою) – пірит (FeS₂), халькопірит (CuFeS₂), галеніт (PbS), сфалерит (ZnS), кіновар (HgS).

3. Галоїдні сполуки або галогеніди (сполуки металів з Cl, F, Br, I) – галіт (NaCl), флюорит (CaF₂).

4. Оксиди і гідроксиди – кварц (SiO₂), халцедон (SiO₂), магнетит (Fe₃O₄), гематит (Fe₂O₃), лимоніт (Fe₂O₃ nH₂O), піролюзит (MnO₂).

5. Карбонати (солі вугільної кислоти) – кальцит (CaCО₃).

6. Сульфати(солі сірчаної кислоти) – гіпс (CaSO₄×2H₂O).

7. Фосфати (солі ортофосфорної кислоти) – апатит (Ca₅(F,Cl)∙(PO₄)₃).

8. Силікати– гранат, піроксен, рогова обманка, біотит, мусковіт, серпентин, каолініт, тальк, лабрадор, ортоклаз.

Силікати складають 75% маси земної кори і є найскладнішими за хімічним складом і структурою мінералами. У їх складі переважають О, Si, Al, Fe, Mg, Mn, Ca, Na, К. У багатьох мінералах присутні Li, Be, B, Ti, Zn, рідкісні землі, F, OH, H₂O і ін. Із загального числа найменувань мінералів Землі на частку силікатів припадає 34%.

Основа всіх силікатів – комплексні аніони у вигляді кременекисневих тетраедрів [SiO₄]^4-. Складність хімічного складу силікатів обумовлена тим, що у їх будові, завдяки наявності у тетраедрів вільних кисневих валентностей, можуть брати участь метали і інші елементи. Зовнішня форма (вигляд) кристалів силікатів і їх фізичні властивості знаходяться в прямій залежності від внутрішньої структури.

Характеристика мінералів, що вивчаються, наведена у табл. 3.