Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальности 25. 00. 05 «Минералогия, кристаллография»

25.00.05 «Минералогия, кристаллография»

Санкт-Петербург

Настоящая программа охватывает основные разделы минералогии и кристаллографии: исторический период и направления современного развития, методы исследований, связь с другими геологическими науками, научное и практическое значение.
Введение

История зарождения и развития минералогии как науки. Место кристаллографии и минералогии в системе фундаментальных наук и наук о Земле.

Объекты и содержание минералогии и кристаллографии. Понятие о минерале. Общее понятие о природном веществе, объединяющее состав, свойства, структуру.
1. Морфология, кристаллография, кристаллооптика и кристаллохимия минералов

Морфология минералов и минеральных агрегатов. Простые формы кристаллов, их характеристики. Понятия «облик» и «габитус» кристалла. Скрытокристаллические агрегаты, конкреции, секреции и др. Твердые и газово-жидкие включения в минералах. Псевдоморфозы. Понятие об онтогении минералов.

Физические свойства минералов: твердость, цвет, блеск, цвет черты, прозрачность, спайность, излом, удельный вес, магнитность, электропроводность, люминесценция, радиоактивность и др. Связь физических свойств с составом, структурой и условиями образования минералов (типоморфизм). Природа окраски минералов.

Закон Вейса (закон зон) и его использование при определении символов ребер и граней кристаллов. Кристаллографические проекции. Симметрия кристаллов. Элементарная ячейка. Разделение кристаллов на сингонии по форме элементарной ячейки и симметрии. Пространственные (федоровские) группы симметрии, их обозначения. Простые формы кристаллов. Форма минерального зерна, его связь с кристаллической структурой минерала, условиями и скоростью формирования зерен. Окраска кристаллов. Идеальный и реальный кристаллы. Границы минеральных индивидов (структура агрегата). Границы срастаний индивидов (текстура агрегата). Кристаллооптика. Оптические свойства минералов. Параметры индикатрисы, ориентировка границ относительно осей индикатрисы. Основы теоретической кристаллохимии. Классификация кристаллических структур по типам химической связи и структурным группировкам. Принципы теории плотнейшей упаковки. Орбитальные радиусы атомов и ионов. Радиусы ионов в кристаллах. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. Электроотрицательность. Кислотно-основные свойства атомов и ионов. Основной закон кристаллохимии Гольдшмидта. Критерии устойчивости структурного типа. Правила Полинга для ионных кристаллов. Правила устойчивости структурных типов ковалентных и существенно ковалентных кристаллов.

Рост и морфология кристаллов. Кристаллообразование в гомогенных средах. Фазовые равновесия и переходы. Кристаллизация как фазовый переход. Механизм роста совершенных кристаллов. Кристаллизация в гетерогенных средах. Двумерные зародыши. Их размер и форма. Эпитаксия. Анизотропия поверхностной энергии. Структура границы раздела фаз. Адсорбционный слой. Нормальный и послойный рост кристаллов. Условия их реализации. Анизотропия скоростей послойного роста грани. Формы роста. Скелетные формы. Сферолиты. Влияние точечных дефектов на рост и морфологию кристаллов. Физическая и химическая адсорбция примесей. Гомогенный и гетерогенный захват. Методы искусственного получения кристаллов. Сравнительная морфология минералов и их синтетических аналогов. Общие и отличительные признаки минералов и искусственных кристаллов. Включения: твердые, жидкие, однофазные, двухфазные, трехфазные и более сложные. "Минералы-узники". Примеры генетической интерпретации экспериментальных данных. Основы рентгенографии кристаллов. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах. Модель дифракции как отражение рентгеновских лучей от атомных плоскостей. Уравнение Брега-Вульфа. Прецизионное определение параметров элементарных ячеек. Причины небольших изменений параметров элементарной ячейки. Влияние примесей на изменение параметров. Установление связи параметр – состав. Зависимость изменения параметров ячейки от условий кристаллизации. Определение состава и структурных особенностей минералов по рентгенографическим данным. Исследование изоморфизма, полиморфизма и политипии в минералах (на примере глин и полевых шпатов) и его петрогенетическое значение. Применение рентгенографии для решения задач качественного и количественного анализа кристаллов. Базы рентгеновских данных (программа «minerals»). Индицирование рентгеновских спектров (программы XLAT, ind, krist). Структура и свойства кристаллов. Магнитные свойства кристаллов (диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики). Сверхпроводимость кристаллов. Структурные особенности оксидных сверхпроводников нового поколения.
2.Основы минералогии

Формы нахождения минералов в природе. Структурная гомология. Гомологические ряды. Полиморфизм. История открытия полиморфизма как явления. Классификация полиморфизма. Полиморфные переходы первого и второго рода. Структурные аспекты явления полиморфизма.

Химический состав минералов, формулы минералов. Изоморфизм, изоморфные ряды элементов. Типы изоморфных замещений. Твердые растворы и их распад. Парагенезис. Смешанослойные структуры. Метамиктные минералы. Аморфное, стеклообразное и коллоидное состояние вещества. Расчет кристаллохимических формул минералов.

Происхождение минералов в природе. Понятие о процессах минералообразования: магматическом; пегматитовом, пневматолитовом, гидротермальном, метаморфическом (в том числе ударном), метасоматическом, гипергенном. Распространенность минералов в земной коре и мантии. Подразделение минералов на породообразующие, акцессорные, рудные, редкие и вторичные.

Современные методы исследования состава и структуры минералов: методы спектроскопии твердого тела, рентгенофазового, рентгеноспектрального и рентгеноструктурного анализов, электронной микроскопии высокого разрешения и др. Полевые методы диагностики

3. Классификация минералов

Принципы классификаций минералов. Кристаллохимическая систематика минералов. Минеральные виды и разновидности. Общая характеристика и условия образования минералов в природе.

Самородные минералы. Металлы: медь, серебро, золото, элементы платиновой группы, самородное железо. Полуметаллы: мышьяк, сурьма, висмут. Неметаллы: алмаз, графит, сера.

Сульфиды и их аналоги. Простые сульфиды и их аналоги: аргентит, акантит, халькозин, галенит, сфалерит, вюртцит, киноварь, пентландит, троилит, пирротин, никелин, антимонит, висмутин, аурипигмент, молибденит, реальгар, шмальтин. Двойные сульфиды: халькопирит, станнин, борнит, ковеллин. Дисульфиды и их аналоги: пирит, кобальтин, марказит, арсенопирит. Сложные сульфиды и их аналоги: блеклые руды, пираргирит, прустит, буланжерит, джемсонит.

Сульфосоли: блеклые руды.

Оксиды и гидроксиды. Простые оксиды: куприт, периклаз, вюстит, корунд, гематит, рутил, брукит, анатаз, касситерит, пиролюзит, уранинит, минералы группы кремнезема (кварц, тридимит, кристобалит, коэсит, стишовит, опал). Сложные оксиды: хризоберилл, минералы группы шпинели (шпинель, герцинит, ганит, магнетит, магнезиоферрит, якобсит, франклинит, титаномагнетит), ильменит, перовскит, минералы группы танталониобатов (пирохлор, колумбит, танталит, самарскит, эшинит). Гидроксиды: брусит, гидраргиллит, диаспор, бемит, гетит, лепидокрокит, манганит, псиломелан; сложные минеральные смеси: лимониты, бокситы.

Галогениды. Флюорит, криолит, галит, сильвин.

Карбонаты. Карбонаты без дополнительных анионов и кристаллизационной воды: кальцит, родохрозит, сидерит, магнезит, смитсонит, арагонит, стронцианит, витерит, церуссит, доломит, анкерит. Карбонаты с дополнительными анионами: малахит, азурит.

Сульфаты. Сульфаты без дополнительных анионов и кристаллизационной воды: барит, целестин, англезит, ангидрит, тенардит. Сульфаты с дополнительными анионами: алунит, ярозит, брошантит. Сульфаты с кристаллизационной водой: гипс, мирабилит.

Фосфаты, арсенаты и ванадаты. Безводные фосфаты без дополнительных анионов: ксенотим, монацит. Безводные фосфаты, арсенаты и ванадаты с дополнительными анионами: апатит, пироморфит, ванадинит. Водные фосфаты, арсенаты и ванадаты: вивианит, эритрин, аннабергит, скородит, бирюза, минералы группы урановых слюдок (отенит, торбернит, карнотит, тюямунит).

Вольфраматы, молибдаты и хроматы. Шеелит, повеллит, вульфенит, минералы группы вольфрамита (гюбнерит-ферберит), ферримолибдит, крокоит.

Бораты. Островные бораты: ашарит, людвигит, бура. Цепочечные бораты: гидроборацит, улексит, пандермит. Каркасные бораты: борацит.

Силикаты. Классификация силикатов. Особенности состава и структур. Островные силикаты с изолированными кремнекислородными тетраэдрами без добавочных анионов: фенакит, виллемит, минералы группы оливина (изоморфные ряды форстерит-фаялит-тефроит), минералы группы гранатов (пироп, альмандин, спессартин, гроссуляр, андрадит, уваровит), циркон, торит, коффинит. Островные силикаты с изолированными кремнекислородными тетраэдрами и добавочными анионами: кианит, андалузит, силлиманит, ставролит, топаз, титанит, хлоритоид. Островные силикаты со сдвоенными кремнекислородными тетраэдрами (диортосиликаты) и добавочными анионами: ильваит, каламин, лампрофиллит. Островные силикаты с изолированными и сдвоенными кремнекислородными тетраэдрами, содержащими добавочные анионы: цоизит, эпидот, алланит, пьемонтит, везувиан. Островные силикаты кольцевого типа: берилл, кордиерит, диоптаз, турмалин, эвдиалит.

Цепочечные силикаты. Основы классификации пироксенов. Ромбические пироксены: минералы ряда энстатит-ферросилит. Моноклинные пироксены: ряд клиноэнстатит-клиноферросилит, ряд диопсид-геденбергит; авгит, омфацит, эгирин, жадеит, сподумен. Пироксеноиды: волластонит, родонит.

Ленточные силикаты. Ромбические амфиболы: антофиллит, жедрит. Моноклинные амфиболы: ряд тремолит-актинолит, роговые обманки; амфиболовые асбесты.

Слоистые силикаты и алюмосиликаты. Смешанослойные силикаты. Силикаты с двухслойным пакетом: каолинит, диккит, накрит, галлуазит, минералы группы серпентина (антигорит, лизардит, хризотил). Силикаты с трехслойным пакетом: тальк, пирофиллит, слюды (мусковит, парагонит, флогопит, биотит, лепидомелан, лепидолит, циннвальдит), хрупкие слюды (маргарит), гидрослюды (гидромусковит, вермикулит, глауконит), монтмориллонит, нонтронит, сапонит. Силикаты с четырехслойным пакетом: группа хлоритов (пеннин, клинохлор, шамозит).

Каркасные силикаты. Каркасные алюмосиликаты без добавочных анионов: полевые шпаты (калиевые полевые шпаты – ортоклаз, микроклин, адуляр, санидин; плагиоклазы – альбит, олигоклаз, андезин, лабрадор, битовнит, анортит; бариевые полевые шпаты – цельзиан, гиалофан), лейцит, поллуцит, нефелин. Каркасные алюмо- и бериллосиликаты с добавочными анионами: группа скаполита (мейонит – мариалит), канкринит, содалит, лазурит, группа гельвина (гельвин, даналит, гентгельвин). Водосодержащие каркасные алюмосиликаты без добавочных анионов (цеолиты): натролит, анальцим, шабазит, стильбит (=десмин), гейландит, клиноптилолит, морденит.

4. Природные парагенезисы минералов

Магматические минеральные ассоциации. Понятие о магме, ее состав. Дифференциация магмы при ее остывании. Отделение летучих компонентов от магматического расплава. Ликвация и кристаллизационная дифференциация. Последовательность выделения главных силикатных минералов. Общие схемы отделения и концентрации рудных минералов при магматическом процессе. Типичные минеральные ассоциации, связанные с основным и ультраосновным типами магмы. Понятие о карбонатитах, их минеральный состав и различные представления о генезисе.

Минеральные ассоциации пегматитов. Понятие «пегматит» и общая характеристика пегматитового процесса. Развитие учения о генезисе пегматитов в работах А.Е. Ферсмана. Роль температуры и летучих при образовании пегматитов. Изменение состава последовательно кристаллизующихся минералов в пегматитовых образованиях. Роль метасоматических процессов. Минеральный состав гранитных пегматитов. Типы структур и текстур; характеристика главных зон. Общая схема классификации гранитных пегматитов, характерные минеральные ассоциации, структурно-текстурные особенности и отдельные типы. Щелочные пегматиты – сиенитовые и нефелин-сиенитовые.

Минеральные ассоциации скарнов. Характеристика контактово-метасоматических процессов минералообразования. Роль летучих и гидротермальных процессов. Минералы и минеральные ассоциации в скарнах. Известковые и магнезиальные скарны. Типичные для скарнов ассоциации рудных минералов.

Минеральные ассоциации альбититов и грейзенов. Понятия «альбитит» и «грейзен». Физико-химические условия образования. Геохимическая и минералогическая характеристика. Зональность грейзенов, их связь с гидротермальными ассоциациями.

Гидротермальные минеральные ассоциации. Связь гидротермальных растворов с магматическими очагами. Способы переноса и отложения вещества в гидротермальных растворах. Роль коллоидов; признаки, указывающие на отложение минералов из коллоидных систем. Типичные минералы гидротермальных образований, их связь с глубинной образования. Минеральные ассоциации безрудных гидротермальных образований (цеолитный процесс).

Минеральные ассоциации гипергенных процессов. Условия и факторы, гипергенных процессов. Минералы, образующиеся при выветривании сульфидов. Зональность зоны окисления, причины зональности. Минеральный парагенезис окисления свинцово-цинковых и медных руд. Условия образования минералов в коре выветривания пород. Минеральные ассоциации главных зон на примере коры выветривания ультраосновных и глиноземистых пород. Латеритный тип выветривания (бокситизация). Россыпи и их главнейшие минеральные ассоциации.

Минеральные ассоциации метаморфических образований. Физико-химическая характеристика процессов образования минералов при региональном метаморфизме. Понятие о зонах глубинности. Типичные минеральные ассоциации в различных по исходному составу метаморфических породах. Примеры минеральной ассоциации в метаморфических месторождениях: железистые кварциты, силлиманит-дистеновые породы, месторождения наждака, корунда, графита, окисно-силикатных марганцевых руд. «Альпийские» жилы. Ударный (импактный) процесс минералообразования. Фазы высокого давления.