Соревнование «Минералогия»



Дата13.07.2016
өлшемі324.79 Kb.
#197731
түріМатериалы для подготовки
Материалы для подготовки участников к краевому слету юных геологов

Соревнование «Минералогия»


Агрегат (в минералогии и петрографии)

Агрегат в минералогии и петрографии, скопление и сростки обломков одного или нескольких минералов различной формы и строения. Различают: цементированные, рыхлые, землистые, пористые и плотные А.; по форме зёрен — зернистые, кристаллические, игольчатые, шестоватные, волокнистые, спутанно-волокнистые, радиально-лучистые, равномерно-зернистые, скорлуповатые, натёчные и т. д.; по составу — простые, состоящие из одного минерала (например, из кварца — кварцит или кальцита — мрамор), и сложные — из нескольких минералов (например, гранит — А. кварца, полевого шпата и слюды).

Название минерала

— собственные имена даются автором, открывшим или впервые описавшим м-л, почти произвольно. Часто Н. м. даются без достаточного изучения лит. и самого м-ла, вследствие чего накапливается множество ненужных синонимов. В связи с этим Комиссия по новым м лам и названиям м-лов Международной минер. асс. взяла на себя труд по унификации назв. м-лов, регламентации введения названий для новых м-лов, установлению приоритета при наименовании новых м-лов и апробации описаний новых м-лов. Назв. м-лам даются по характерным свойствам, составу и морфологии, по фамилиям и личным именам минералогов, известных ученых, деятелей в областях, связанных с м-лами, вообще известных деятелей, по местностям находок м-лов и т. п., чем до некоторой степени отражается история развития минералогии.



Химическая формула минерала выражает его химический состав в виде последовательности символов химических элементов, снабженных подстрочными стехиометрическими индексами, указывающими относительные количества атомов различных сортов, входящих в его состав. Химизм минерала тесно связан с особенностями его строения с (кристаллической структурой), вместе они составляют особое единство, определяемой как конституция минерала. Формулы минералов по возможности отражают их конституцию, что достигается распределением по определенным группам символов химических элементов, атомы которых находятся в идентичных позициях кристаллической структуры. Такие формулы называются кристаллохимическими. Стехиометрические индексы пропорциональны количеству атомов каждого элемента в элементарной ячейке кристаллической структуры минерала. Спецификой минерального вещества является непостоянство его химического состава и обилие примесей, что сказывается и на характере химических формул, применяемых в минералогии. Так, в частности, стехиометрические индексы могут не быть целочисленными.

Различаются эмпирические и идеализированные (обобщенные, генерализованные, теоретические) формулы минералов. Эмпирические формулы детально характеризуют химический состав отдельных минеральных индивидов, реже их множеств, отобранных в одинаковой обстановке (в одном минеральном агрегате, в определенном участке горной породы или рудного тела). Идеализированные формулы относятся к минеральным видам или группам, они могут различаться степенью абстрагирования от конкретных особенностей химизма данного минерала.

Эмпирическая формула минерала получается в результате интерпретации результатов конкретного химического анализа, сводящейся к некоторой процедуре пересчета. Относится такая формула к конкретному минеральному индивиду или к группе индивидов близкого состава. Содержания примесных элементов, находящихся в минерале в количествах ниже определенного порога (требующих применения в формуле значений стехиометрических коэффициентов, меньших 0,01), в эмпирических формулах минералов обычно не отражаются. Особенностью эмпирических формул минералов, как веществ переменного состава (бертоллидов), отличающих их от химических формул веществ постоянного состава (дальтонидов), является порядок перечисления символов элементов, иногда вынужденно отличающийся от порядка, рекомендованного ИЮПАК (Международный союз по чистой и прикладной химии). Так, в частности, элементы-катионы, атомы которых статистически распределены в данном типе позиций структуры, перечисляются в эмпирической формуле в порядке снижения их содержаний, тогда как ИЮПАК рекомендует перечисление катионов в порядке возрастания их степени окисления или электроотрицательности.

Результатом обобщения эмпирических формул минералов являются идеализированные, обобщенные формулы, называемые также теоретическими. Идеализированная формула минерала относится обычно к минеральному виду, она носит абстрактный характер и отражает главнейшие, повторяющиеся от индивида к индивиду особенности химического состава всех минеральных индивидов, относящихся к данному виду. Такая формула содержит обычно лишь присутствующие во всех без исключения индивидах данного вида элементы, определяющие видовую принадлежность минерала, при этом второстепенные особенности состава часто (но не всегда полностью) игнорируются. Правила, рекомендованные ИЮПАК, в формулах этого типа обычно удается соблюдать, однако, отличительной особенностью многих таких формул является перечисление символов изоморфных атомов через запятую, без стехиометрических индексов. Теоретическая формула собственно минерального вида отражает зачастую состав гипотетического чистого вещества (минала), являющегося крайним членом ряда твердых растворов. Состав реальных минеральных индивидов очень редко отвечает таким идеализированным формулам. Идеализированные формулы могут охватывать и целые группы минералов, отражая особенности изоморфных замещений с помощью переменных величин стехиометрических индексов, а также и путем использования переменных, заменяющих символы химических элементов.

Рассмотрим в качестве иллюстрации варианты формул минералов, относящихся к минеральным видам, объединенным в группу оливина. Эмпирические формулы некоторых минеральных индивидов группы оливина (отнесенных к определенным видам этой группы) выглядят следующим образом:

ФОРМУЛА

МИНЕРАЛЬНЫЙ ВИД

(Mg1,34Fe2+0,56Ca0,06Mn0,04)2,00[SiO4]

форстерит

(Fe2+1.48Mg0.32Mn0.17Fe3+0.03)2.00[(Si0.97Al0.03)O4]

фаялит

(Mn1,25Fe2+0,65Mg0,06Ca0,02)1,98[SiO4]

тефроит

Идеализированные формулы минеральных видов этой группы таковы:

ФОРМУЛА

МИНЕРАЛЬНЫЙ ВИД

Mg2[SiO4]

форстерит

Fe2[SiO4]

фаялит

Mn2[SiO4]

тефроит

С учетом обычных изоморфных компонентов этой группы эти же формулы можно несколько уточнить:

ФОРМУЛА

МИНЕРАЛЬНЫЙ ВИД

(Mg,Fe,Mn)2[SiO4]

форстерит

(Fe,Mg,Mn)2[SiO4]

фаялит

(Mn,Fe,Mg)2[SiO4]

тефроит

Количественные связи между содержаниями главных изоморфных компонентов этой группы можно выразить, с использованием переменных индексов, так:

(Mg2-x-yFexMny)2[SiO4]

Обобщенная формула минералов группы оливина, с использованием переменных символов, выражается следующим образом: A2[SiO4], где А=Mg,Fe2+.

Важным является следующий момент. Стехиометрические индексы, завершающие собой скобки, содержащие символы изоморфных элементов, представляют собой не множители, а суммы индексов в скобках.

Проведение химического анализа минерала представляет собой экспериментальное исследование, которое имеет целью определение химического состава минерала, как вещества. Химический состав минералов сильно варьирует от одного минерального индивида к другому, даже если эти индивиды относятся к одному минеральному виду, что сказывается и на различиях в результатах анализа, помимо ошибок элементоопределения. В процессе химического анализа по возможности проводится испытание конкретного минерального индивида, более того, современные локальные методы анализа (электронно-зондовый, например) позволяют определять состав весьма малых участков вещества (объемом порядка 1-10 мкм3). Составы таких участков в пределах даже одного минерального индивида могут существенно различаться, что определяется его зональностью. Химическая и фазовая неоднородность минералов нередко проявляется в таких тонких масштабах (порядка 1-10 нм), при которых даже наиболее локальные методы анализа доставляют минералогу сведения о химическом составе, усредненном по объему опробования. Именно к таким объемам относятся эмпирические формулы минералов.

Пересчет результатов химических анализов на кристаллохимическую формулу представляет собой не простую задачу. Для разных минералов используются различные методы пересчета, применимость которых зависит от полноты анализа, возможного наличия примесей других фаз, что определяется методом анализа. Результаты химического анализа, как и результаты всякого другого измерения, не свободны от погрешностей, которые переходят и в эмпирические формулы минералов. В теоретических формулах такие ошибки, в большинстве случаев, устраняются, благодаря обобщению множества эмпирических формул.



Генезис минералов

Учение о Г. минералов занимается процессами образования минералов. Минералы представляют из себя определенные химические соединения или изоморфные смеси таких соединений (см. Изоморфизм), образовавшиеся естественным путем на Земле. Это почти все твердые соединения. Каждый минерал является памятником физического или химического процесса, шедшего на Земле, иногда в весьма отдаленное от нас время. Изучив минералы какого-нибудь определенного места на земном шаре и определив Г. их, мы можем восстановить картину химических процессов, один за другим шедших в этой местности. От этих частных проявлений химической жизни Земли мы можем подняться до более общего представления о генетических условиях различных частей земного шара, как по отношению к поверхности, так и об изменении этих условий Г. минералов в слоях различной глубины, наконец, изменение генетических явлений с течением времени. В этом заключается научный и практический интерес изучения Г. минералов. Зная условия Г. минерала, его устойчивость при природных условиях (т. е. Г. других минералов, которые могут из него произойти) — мы в состоянии бываем решать, при каких условиях и в каких местностях можно ждать тех или иных руд важных металлов. Эти и тому подобные вопросы могут быть решены только при возможно широком развитии и распространении учения о Г. минералов, которые отчасти и сложились под влиянием практических потребностей. Научный интерес, конечно, не зависит от того, уменьшится ли потребность знать Г., напр., минералов кобальта или увеличится практическое значение Г. минералов марганца, как мы видим в наше время. Впервые интерес к Г. минералов проявился в горных странах. Брейтгаупт в первой половине нашего столетия соединил в единое целое опыт рудокопов и наблюдения ученых (напр. Фурнэ и др.), создав учение о парагенезисе (см. ниже; его соч. "Die Paragenesis d. Mineralien" появилось в 1849); позже многочисленные исследования позволили сперва Котте, Гримму, позже Филлипсу и Гроддеку изложить все учение о рудных месторождениях в более полном виде. Одновременно шло накопление знаний с другой, более отвлеченной точки зрения. Работы Блюма, Бишофа и др. в Германии, Сен-Клер-Девилля, Добрэ, Эбельмена и пр. во Франции открыли перед нами многочисленные законности среди редких и практически не важных минералов. Интерес несколько ослаб к 60-80 гг. нашего столетия; теперь мы присутствуем при новом возбуждении интереса к тем же вопросам.



Все наши знания получаются здесь путем прямого наблюдения процесса образования минерала, идущего в природе у нас на глазах, и, во-вторых, путем логического вывода о том или другом возможном происхождении данного минерала. Достоверность этих обоих способов познания неодинаковая. Мы должны проверять выводы, полученные вторым путем, прямым наблюдением в природе. Пример такого прямого наблюдения представляют процессы образования некоторых простых солей в природе. В целом ряде мест земного шара, преимущественно в низменностях или в котловинах, не имеющих истока, находятся большие и малые соленые и горькие озера. У нас в Астраханской губернии, на недалеком расстоянии от Волги, лежит более тысячи таких озер, из которых иные, напр. Эльтонское или Баскунчакское, занимают обширную площадь (Эльтонское около 180 кв. верст). В этих озерах количество соли и самый состав ее различен; в одних раствор очень слаб, в других он почти насыщен при обычной температуре. В них заключаются хлористые, сернокислые и др. соли натрия, магния, калия и проч. При незначительном понижении температуры или при значительном испарении воды часть бывших в растворе веществ не может больше в нем удерживаться, и они оседают в виде твердых кристаллических масс или отдельных кристаллов, или плавают по поверхности озера. Во всех этих озерах перед нашими глазами идет Г. различных минералов, отлагаемых в десятках миллионах пудов. Мы в состоянии применить здесь самые полные, точные способы наблюдения. Этим путем образуются каменная соль (NaCl — хлористый натрий), тенардит (Na2SO4 — сернокислый натрий), глауберова соль (Na2SO4∙10Н2О), трона (Na3H[CO3]2H2O), бура (Na2B4O7∙10H2O), гипс (CaSO4∙2Н2О) и т. п. — по крайней мере десятка два-три различных минералов. Состав образуемых продуктов меняется: 1) в зависимости от тех или иных изменений в составе самого раствора и 2) от тех или иных условий самого их отложения. Например: борнокислых соединений нет в наших озерах Астраханской губернии, но их много в некоторых озерах Тибета или Северной Америки, а соответственно и минералы, из них образовавшиеся, являются иными, чем у них. В Неваде из таких озер оседает боронатрокальцит (двойная борнокислая соль натрия и кальция), в других случаях оседает бура, калеманит (известковая соль борной кислоты — Са2В2О11∙5Н2О) и пр. Сильно влияют на состав образуемых минералов внешние условия среды. Например, в озерах, содержащих одновременно хлористый натрий и сернокислый натрий, идет отложение сернокислой соли в виде минерала тенардита (Na2SO4), тогда как в присутствии малого количества хлористого натрия образуется мирабилит (Na2SO4∙10Н2О). Еще интереснее опыты Ван-Гоффа и Девентера, подтверждаемые прямым наблюдением в природе. Из одного и того же раствора в природных озерах (напр. в астраханских), заключающего Na2SO4, MgSO4, могут образоваться различные минералы. Иногда идет образование тенардита, или глауберовой соли, и одновременно оседают магнезиальные соединения в виде кизерита (Mg SO4∙Н2О) или горькой соли (MgSO4∙7На2О). Нередко, однако, происходит образование двойной соли в виде минерала астраханита Na2Mg(SO4)2∙4H2О. Ван-Гоффу и Девентеру удалось доказать, что процесс идет в том или ином направлении в зависимости от температуры окружающего пространства. При температуре выше 21,5° Ц. происходит всегда отложение астраханита; при иной отдельно выделяются глауберова и горькая соль. Подобных случаев можно привести много. Изучая в какой-нибудь местности одни оставшиеся от когда-то бывших там озер твердые осадки — минералы, — мы по сравнению с теперь наблюдаемыми можем легко судить о генезисе этих осадков.

Другой значительный класс существенно иных соединений приходится наблюдать нам на месте их генезиса во время каждого вулканического извержения. Здесь процессы идут в расплавленных массах разнообразных силикатов или среди парообразных продуктов, выделяемых под влиянием высокой температуры из недр Земли, попав в нашу более холодную атмосферу, эти пары превращаются в твердое состояние и нередко на многие годы остаются памятником бывшего извержения. После каждого извержения стенки кратеров и местность на значительное от них расстояние покрывается налетами разных солей — хлористого натрия нашатыря, серы и пр. Нередко мы можем проследить и химические реакции между этими парами; так, почти каждое извержение всех вулканов сопровождается выделением паров летучего около 400° соединения хлорного железа — Fe2Cl6, — одновременно выделяются огромные количества паров воды. Пары хлорного железа и воды быстро соединяются и дают очень устойчивое, нелетучее при самых высоких доступных нам температурах, соединение, так называемый железный блеск, окись железа — Fe2О3. Она оседает тут же в виде блестящих пластинчатых кристаллов темно-серого цвета с сильным металлическим блеском. Эти кристаллы проникают во все трещины, покрывают стенки кратера и более холодные части лавы и остаются памятниками извержения и выделения хлорного железа на долгое время. Форма кристаллов железного блеска, происшедшего этим путем, отличает их очень ясно от железного блеска, произошедшего иными путями. В то же самое время в расплавленной лаве идут свои химические процессы во время ее застывания, выделяется целый ряд характерных соединений — минералов, как оливин (Mg,Fe)2SiO4, авгит (см.), полевые шпаты и т. п. Состав выделяемых минералов меняется в зависимости от состава лавы и от изменения внешних условий еще в большей степени, чем то, что мы видели в озерах. При одном и том же составе могут образоваться разные минералы в зависимости от различных внешних условий.



Наконец, третий случай прямого наблюдения генезиса минералов представляет образование их деятельностью организмов. Кораллы отлагают целые острова, состоящие из кальцита — углекислой извести; с ними вместе ту же роль играют некоторые водоросли, в горячих источниках выделяется сера, как продукт жизни серных бактерий. В озерах умеренного пояса, в местах выхода железных ключей, в болотах идет непрерывно образование железной руды. Растворы двууглекислого железа, образовавшиеся при иных условиях, попадая на земную поверхность, разлагаются деятельностью низших животных и, может быть, особой бактерии. Они дают начало отложениям дерновой, бобовой и др. руд железа, состоящих главным образом из гидрата окиси железа — 2Fe2О3∙3H2O. В почвах деятельностью особого грибка идет постоянно образование селитры, что может быть прослежено на месте. Таким образом, путем прямого научного наблюдения Г. минералов, идущего у нас на глазах, мы можем собрать значительное число фактов для разъяснения этого Г. в тех случаях, когда проследить процесс своими глазами мы не можем. Всегда можно отличить минералы между собой, происходящие от неодинаковых процессов. Сравнение дает нам признаки их одинакового или различного Г. Этим путем мы знаем, что многочисленные железные руды Средней Германии или наших среднерусских губерний произошли тем же путем, как и те, какие теперь образуются в болотах и озерах; что значительная часть минералов Центральной Франции или многих других местностей обязана своим происхождением когда-то бывшим там вулканам, от которых нередко остались едва заметные следы. В очень многих случаях, однако, когда такое сравнение дает неясные указания, мы должны идти другим путем, пользуясь рядом наблюдений над теми или иными явлениями минерального царства. Во-первых, нам важно знать залегание минералов. Иногда минерал лежит толстым слоем, в виде гнезда, или штока (см.), иной раз находится в виде кристаллов, заполняющих пустоты в породе, тонким налетом покрывает трещины или стенки породы или же находится в могучих трещинах горных пород, в так называемых жилах (см.). Все это различные случаи образования минералов: в жилах он не образуется из расплавленного состояния; в трещину породы нередко должен проникнуть в парах; очень ясно можно убедиться в выделении его из раствора, например, в пустотах породы, куда иначе он проникнуть не мог. Еще важнее бывает знать происхождение самой породы. Например, фосфориты нередко встречаются в осадочных породах, где кости погребенных в этих слоях животных превратились в фосфорит. Здесь ясно их происхождение — медленным путем выделения из раствора, — причем материалом им послужили содержащие фосфор вещества исчезнувших организмов. Не менее важны явления парагенезиса. Парагенезисом называется нахождение в природе определенных различных минералов вместе в одном куске или месторождении. Очевидно, это указывает на существование известной зависимости их друг от друга. Так, всюду и везде на поверхностных частях различных никелевых и кобальтовых соединений мышьяка, например купферникеля (NiAs — одномышьяковистый никель), шпейсового кобальта [Со(As,S)2] и проч., мы находим зеленые никелевые цветы (NiAsO4∙6H2O) или розовые кобальтовые цветы (CoAsO4∙6Н2О). Очевидно, это продукты окисления никелевых и кобальтовых соединений. При изучении парагенезиса мы в состоянии различить минералы, раньше или позже образовавшиеся, так как последние всегда находятся на ранее образованных продуктах. Это различают, говоря о первой, второй, третьей генерации минералов какой-нибудь местности. Каждая генерация указывает на особый химический процесс. Явления парагенезиса определяют, главным образом, такую последовательность минералов или указывают на постоянное совместное нахождение в природе различных минералов, что заставляет исключать из числа возможных реакций те, которые не дадут этого объяснения. Так, самородный висмут встречается в жилах вместе с кобальтовыми и никелевыми сернистыми и мышьяковистыми соединениями, а оловянный камень (SnO2), находящийся также в жилах, никогда не встречается вместе с никелевыми или кобальтовыми соединениями — его сопровождают кварц (SiO2), соединения вольфрама (напр. шеелит CaWO4), богатые фтором (напр. плавиковый шпат CaF2, топаз Al2Si(О,F2)5 и пр.] и т. п. Очевидно, условия образования висмута и оловянного камня существенно иные. Парагенезис больше ставит вопросы, — решать приходится другими приемами.

Не менее важно с точки зрения Г. минералов изучение так называемых псевдоморфоз (см.). В очень многих случаях химический процесс изменения или отложения какого-нибудь соединения идет чрезвычайно медленно и правильно; одно из соединений, принимающих участие в реакции, может быть в твердом состоянии и иметь определенную форму. Если его изменение идет очень медленно и полученные из него продукты мало отличаются от него объемом, то наружная форма соединений при этом не изменится. Так, мы часто находим окаменелые деревья, их наружная форма и даже внутреннее строение их клеток, насколько оно доступно нам путем исследования микроскопических разрезов, ничем не отличается от настоящего дерева, но вместо органических соединений вещество такого дерева состоит из кремнезема. Такие случаи псевдоморфоз очень часты и дают нам ясное понятие о процессах изменения, идущих в природе. Например, серебряный блеск (Ag2S) нередко дает псевдоморфозы, состоящие из самородного серебра, полевой шпат — ортоклаз — K2Al2Si6O16, переходя в каолин Н2Al2Si2О8, сохраняет свою форму — получаются псевдоморфозы каолина по полевому шпату. В этих случаях легко понять те химические процессы, которые дали начало серебру или каолину. Среди огромного материала о псевдоморфозах многие случаи могут быть поняты с большими оговорками, но в общем они дают ясную картину химической жизни Земли. Наконец, последнее указание представляет определение состава химического соединения и знание его химических свойств. Например минералы, содержащие воду, легко удаляемую при высокой температуре (напр. цеолиты и т. п.), не могли образоваться при этой высокой температуре, не могли при ней вообще образоваться все соединения, которые при этой температуре легко разлагаются и т. п. В последнее время очень много для познания химических свойств минералов дало их искусственное получение, так называемый синтез минералов (см.). Все происходящие на Земле реакции могут быть сведены в немногие группы. Минералы образуются на Земле следующими способами.

1) Выделением из растворов. Огромное большинство минералов образовалось этим путем. Мы видели пример такого образования в рассмотренном раньше случае солей. В природе действует не чистая вода, а вода, насыщенная углекислотой. Нередко растворы находятся при высокой температуре или же богаты угольной кислотой и находятся под давлением. Этим путем выделяются из растворов многочисленные кремнеземистые соединения. Из горячих источников (гейзеров) оседает свободная кремнекислота (так называемый гейзерит и пр.), нерастворимая при обыкновенных условиях, углекислая закись железа выделяется в виде сидерита, представляющего из себя одну из богатейших и важнейших руд на железо. Нередко кристаллизация происходит в глубинах Земли под давлением, иногда идет в присутствии различных солей, позволяющих переводить в раствор при обычных условиях нерастворимые соединения; так, в присутствии в воде сернистых щелочей переходят в раствор и из него выделяются киноварь (HgS), золото и пр. (горячие источники в Калифорнии). В природе вообще могучим деятелем является время: слаборастворимые вещества в течение тысячелетий могут оставить заметные следы своей растворимости (ср. Метаморфизм).

2) Не столь часты, но весьма характерны разнообразные молекулярные перемещения, происходящие в минералах, когда один минерал получается из другого путем молекулярной перегруппировки в твердом состоянии. Так, нередки кристаллы рутила (TiO2), образовавшиеся из анатаза или брукита — полиморфных разновидностей той же TiO2. Под давлением эти реакции идут очень часто.

3) Самым важным случаем генезиса являются, однако, химические реакции. Мы можем различать несколько классов химических реакций, идущих в природе: а) реакции присоединения, когда одно соединение образуется из другого путем присоединения ко второму некоторых элементов; таково образование куприта (Cu2O) из самородной меди под влиянием воздуха, также англезита (PbSO4) из свинцового блеска (PbS) и пр. б) Реакции двойных разложений — наиболее чистая и обычная форма Г. минералов. Здесь два тела, входя в реакцию, меняют свои составные части. Примером подобного происхождения может служить волластонит (CaSiO2), образующийся из СаСО3 — под влиянием действия кремнеземистых солей и т. п. в) Реакции распадения — когда соединение распадается на свои составные части и эти части являются нам в виде самостоятельных минералов. В природе это нередкая форма образования для некоторых сложных соединений, которые являются неустойчивыми при изменившихся внешних условиях из среды; так, например, блеклые руды распадаются на составные части и дают начало сурьмяному блеску (Sb2S3), аурипигменту (As2S3), медному блеску (Cu2S) и пр. г) Наконец, реакции восстановления и целый ряд процессов диссоциации (см.).

Этими тремя путями объясняется Г. большинства минералов; редко приходится допускать иные процессы, как электролиз (для некоторых самородных элементов) или малоизученные изменения в твердой среде.



Важно изучить распределение всех этих способов Г. на земной поверхности, в земных глубинах и их изменяемость во времени. Распространение различных минералов, а следовательно, и Г. в пространстве не имеет большого значения в современном учении о Г. минералов. Гораздо больше имеет значения изменение условий образования с глубиной. Для всего земного мира внешние условия химических реакций на земной поверхности и на большей или меньшей глубине резко различны. Окружающая всякое соединение очень подвижная атмосфера постоянно действует на всякий минерал; это — среда по преимуществу окисляющая благодаря присутствию свободного кислорода. Поэтому здесь весьма часты реакции окисления, металлы дают окислы или кислородные соли и т. п. На всей земной поверхности всюду идет этот процесс. Уже иную среду представляет из себя часть земной поверхности более удаленная от земной атмосферы: в ней нет избытка кислорода, а потому возможны и идут различные реакции, имеющие характер восстановительных процессов. Например сернистые соединения на земной поверхности переходят в сернокислые (напр. марказит FeS2 в железный купорос, свинцовый блеск PbS в англезит и т. п.), на некотором расстоянии от поверхности они образуются свободно. Соответственно всюду на поверхности Земли идет другой процесс: из безводных или средних солей образуются водные соли или кислые соли; так, авгиты и роговые обманки (в наиболее простом случае соли: MgSiO3, FeSiO3) превращаются в тальки (Mg3H2(SiO3)4), оливин (Mg2SiO4) в серпентин и т.д.; образуются цеолиты и т. п. Вода поглощается и переводится в твердые соединения. На этой же поверхн. части земного шара сосредоточено образование различных углекислых соединений, сернокислых, фосфорнокислых, мышьяковокислых и т. п. Как на некоторой глубине Земли, так и на дне моря процессы иные. Чем дальше спускаемся в глубь Земли, тем сильнее меняется характер происходящих реакций. Среда становится все менее и менее богатой кислородом, вследствие чего возможно образование иногда очень сложных сернистых, мышьяковистых и других схожих соединений металлов; температура все увеличивается; входит важный новый элемент — давление, нередко вполне изменяющее ход всех реакций. Можно различать очень резко различные области в Г. минералов, образующихся не на земной поверхности; так, на дне моря идет образование различных водных гидратов марганца — на поверхности окислы марганца чаще являются в виде безводных соединений; образуются цеолиты и т. п.; вода под давлением огромного водяного столба океанов обладает способностью растворять в большем количестве минералы, обычно в ней малорастворимые; так на больших глубинах океанов углекислая известь переходит в раствор и невозможны отложения кальцита. Вторую область будут представлять такие части земли, не очень удаленные от поверхности, где давление и температура играют малую роль, а главным образом изменяет ход действия небогатая кислородом среда. Всюду в поверхностных слоях, в глинах и т. п. происходит образование сернистых соединений, нередко восстановление их до серы и пр. Наконец, частью в глубоких жилах, частью в более глубоких частях сплошных пород Г. минералов идет в связи с сильным давлением и довольно высокой температурой. Водяные соединения переходят мало-помалу в безводные, сернистые дают сложные соединения — сульфосоли и т. п. В каждой области ход реакций стремится в конце концов дать определенную группу соединений, которые являлись бы наиболее устойчивыми для данных условий среды. Если эти условия исчезнут, соединения должны переходить в новые формы, устойчивые для новой среды. В жизни Земли постоянно минералы, образовавшиеся под давлением, с течением времени оказываются на поверхности: наложенные на них слои мало-помалу смываются и счищаются; отложившиеся из растворов или газов под высоким давлением минералы оказываются находящимися при обыкновенном давлении по удалении этих газов или жидкостей и т. п. В свою очередь, и соединения, образовавшиеся на поверхности, мало-помалу оказываются через тысячи лет подверженными давлению. Благодаря этому, часто вследствие геологических процессов, ставящих минералы в условия иные, чем бывшие при их образовании, должны идти новые изменения. Так, в указанном раньше примере — образование озерной или болотной руды 2Fe2O3∙3Н2О. Через тысячи лет озера или болота, на дне которых происходило образование минерала, перестают существовать, на них отлагается целый ряд новых слоев — нередко в течение огромного промежутка времени; давление вышележащих слоев достигает большой силы, и бурый железняк начинает медленно терять воду, переходя в пределе в красный железняк (Fe2O3). То же происходит в очень многих случаях. Здесь ясно влияние времени в генезисе минералов. Процесс идет очень медленно и прекращается лишь через тысячи лет. В разные времена мы найдем комбинацию различных минералов. Во многих природных процессах мы имеем круговые или циклические процессы, как еще это заметили в свое время Либих и Дюма. Проходя в течение определенного времени через ряд различных соединений, минерал в конце концов возвращается к своему первоначальному виду с тем, чтобы вскоре опять начать прежний круговой процесс. Мы имеем здесь как простые, так и сложные случаи. Такой круговой процесс иногда состоит из двух соединений; так, например, серебряный блеск Ag2S переходит всегда в соприкосновении с атмосферой в самородное серебро. Доказано, что этот процесс вызывается действием паров воды, которая дает с Ag2S — Ag и сероводород H2S. Однако Н2S вскоре начинает действовать на Ag и снова дает прежнее соединение — серебряный блеск. Другой пример могут представить фосфорнокислые соединения. В природе фосфор главным образом находится в виде апатита (3Са2Р2О3∙Ca[Cl,Fe]2), который является относительно устойчивым соединением. На земной поверхности он разлагается под влиянием атмосферных деятелей и переходит в растения. Через растения и животных фосфор при гниении тела животного переходит в ряд очень разнообразных практически важных соединений, так называемых фосфоритов. Все эти фосфориты мало-помалу с течением веков дают нам тот же самый апатит. Тот же самый процесс мы видим всюду — для соединений меди, железа, азота, кремния и пр. Эти процессы еще мало известны нам; они служат лишь указателем того равновесия, которое устанавливалось в течение веков в огромной химической лаборатории, какой является земной шар. Все эти процессы идут за счет или внешней энергии, получаемой Землей от Солнца, или они идут за счет той энергии, какая еще свойственна Земле, когда влияет давление или теплота внутренности земного шара. Связного учения о генезисе не имеется. Ср. Гроддек, "Рудные месторождения" (пер. с нем. изд. 1879 г., СПб. 1888); Roth, "Allgemeine u. chem. Geologie" (I, 1879); Daelter, "Allgemeine chem. Mineralogie" (1891).

В. И. Вернадский.

Генезис минералов

- Учение о Г. минералов занимается процессами образования минералов. Минералы представляют из себя определенные химические соединения или изоморфные смеси таких соединений (см. Изоморфизм), образовавшиеся естественным путем на Земле. Это почти все твердые соединения. Каждый минерал является памятником физического или химического процесса, шедшего на Земле, иногда в весьма отдаленное от нас время. Изучив минералы какого-нибудь определенного места на земном шаре и определив Г. их, мы можем восстановить картину химических процессов, один за другим шедших в этой местности. От этих частных проявлений химической жизни Земли мы можем подняться до более общего представления о генетических условиях различных частей земного шара, как по отношению к поверхности, так и об изменении этих условий Г. минералов в слоях различной глубины, наконец, изменение генетических явлений с течением времени. В этом заключается научный и практический интерес изучения Г. минералов. Зная условия Г. минерала, его устойчивость при природных условиях (т. е. Г. других минералов, которые могут из него произойти) - мы в состоянии бываем решать, при каких условиях и в каких местностях можно ждать тех или иных руд важных металлов. Эти и тому подобные вопросы могут быть решены только при возможно широком развитии и распространении учения о Г. минералов, которые отчасти и сложились под влиянием практических потребностей. Научный интерес, конечно, не зависит от того, уменьшится ли потребность знать Г., напр., минералов кобальта или увеличится практическое значение Г. минералов марганца, как мы видим в наше время. Впервые интерес к Г. минералов проявился в горных странах. Брейтгаупт в первой половине нашего столетия соединил в единое целое опыт рудокопов и наблюдения ученых (напр. Фурнэ и др.), создав учение о парагенезисе (см. ниже; его соч. "Die Paragenesis d. Mineralien" появилось в 1849); позже многочисленные исследования позволили сперва Котте, Гримму, позже Филлипсу и Гроддеку изложить все учение о рудных месторождениях в более полном виде. Одновременно шло накопление знаний с другой, более отвлеченной точки зрения. Работы Блюма, Бишофа и др. в Германии, Сен-Клер-Девилля, Добрэ, Эбельмена и пр. во Франции открыли перед нами многочисленные законности среди редких и практически не важных минералов. Интерес несколько ослаб к 60-80 гг. нашего столетия; теперь мы присутствуем при новом возбуждении интереса к тем же вопросам.



Минералы-спутники

МИНЕРАЛЫ-СПУТНИКИ - м-лы россыпей, сопутствующие россыпеобразующему м-лу при данном типе источника россыпи, а также на определенных стадиях процесса осадочной дифференциации. Принято различать парагенетические М.-с. россыпеобразующего м-ла (напр., в алмазоносных россыпях - пироп, пикроильменит, оливин, апатит, циркон, хромшпинелиды, из которых наиболее ярко выраженными индикаторными свойствами обладает пироп - см. минералы-индикаторы россыпей) и М.-с. в осадочном процессе, отражающие в обобщенном виде состав пород области питания и условия осадочной дифференциации обломочного материала, а также М.-с., характеризующие определенный уровень преобразования россыпей в процессе выветривания, диагенеза или метаморфизма.



Осадочные горные породы (ОГП) — горные породы, существующие в термодинамических условиях, характерных для поверхностной части земной коры, и образующиеся в результате переотложения продуктов выветривания и разрушения различных горных пород, химического и механического выпадения осадка из воды, жизнедеятельности организмов или всех трёх процессов одновременно.

Определение не совсем точное и строгое. Так, например, в «осадочные горные породы» не входит большая группа горных пород, образованная действием на сульфидные горные породы (называемые «рудами») специфической формы выветривания — окисление, и слагающих так называемые зоны окисления. С другой стороны петрография осадочных пород занимается изучением железистых кварцитов (джеспилитов), образованных в процессе высоко температурного метаморфизма, или различных туфов, являющихся прерогативой специального раздела геологии Вулканологии. Наконец, петрография осадочных пород изучает так называемые «аллиты» (бокситы), являющиеся продуктами метасоматоза, протекающего при низких Р-Т- параметрах. Кроме того оно не соответствует понятию «определение», существующему в теории познания (гносеологии).

Более трёх четвертей площади материков покрыто ОГП, поэтому с ними наиболее часто приходится иметь дело при геологических работах. Кроме того, с ОГП генетически или пространственно связана подавляющая часть месторождений полезных ископаемых.

В ОГП хорошо сохранились остатки вымерших организмов, по которым можно проследить историю развития различных уголков Земли.

Исходным материалом при формировании ОГП являются минеральные вещества, образовавшиеся за счёт разрушения существовавших ранее минералов и горных пород магматического, метаморфического или осадочного происхождения и перенесённые в виде твёрдых частиц или растворенного вещества.

Изучением осадочных горных пород занимается наука Литология.



Алгоритмы определения глинистых пород.

Сложены они частицами размером менее 0,01 мм, поэтому признак размера частиц, как и форма для них неприемлем. Остается только признак взаимосвязи частиц. Если глинистая порода пластичная, следовательно, частицы ее не связаны между собой, то это рыхлая порода. Если порода гладкая на ощупь и не пластичная, сжать ее нельзя, порода - сцементированная. Все исходные данные для определения глинистых пород получены.

Сообщаю правило, по которому алгоритмический процесс определения глинистых пород признается завершенным. Глинистая рыхлая порода называется глина, сцементированная - аргиллит.



Алгоритмы определения кристаллических пород.

Разделяются по количеству слагающих кристаллов (минералов). Если порода состоит из одного минерала (является агрегатом одного минерала), то это мономинеральная порода. Если в породе присутствуют кристаллы двух и более разных минералов, то порода полиминеральная.

Из мономинеральных рассмотрим породы белого цвета. Определяются они по диагностическим свойствам минералов белого цвета. Сначала оценим растворяется минерал в воде или нет. Растворимые в воде минералы определяются по вкусу. Если вкус минерала соленый, это галит, а жгуче-горько-соленый - сильвин.

Нерастворимые в воде минералы белого цвета определяются по твердости. Если минерал мягкий (ноготь на нем оставляет бороздку), это гипс (CaSO4•2H2O), средней твердости (не царапается ногтем, но царапается стеклом или лезвием ножа) - кальцит (CaCO3), твердый (сам царапает стекло) - кварц (SiO2).

Сообщаю правило, по которому алгоритмический процесс определения мономинеральной кристаллической породы белого цвета признается закончившимся.

Порода, состоящая из кристаллов галита, называется каменная соль, а сильвина - калийная соль. Последняя обычно имеет участки красного или синего цвета. Породу, сложенную кристаллами гипса, называют также гипсом (часто содержит примесь глины, отчего цвет породы серый). Породу, сложенную кристаллами кварца, именуют кварцитом. Породы из кристаллов кальцита разделяются по плотности и размерам кристаллов. Если кристаллы не видны и порода пористая, то это известняк. Если кристаллы видны, расположены хаотично и порода плотная, то это мрамор.

Беру в руку образец горной породы. Вижу, что у нее блестят гладкие поверхности, грани. Порода состоит из частиц правильных ограничений - кристаллов. Порода кристаллическая. Цвет минералов белый, порода мономинеральная. Проверяю, растворима она в воде или нет, определяю ее вкус. Безвкусная. Для выяснения названия слагающего ее минерала определяю его твердость. Ногтем он не царапается, не мягкий. Стеклом царапается, средней твердости. Кальцит. Кристаллы крупные, расположены хаотично, порода плотная. Мрамор. Ответ принимается, так как не противоречит правилу.

Полиминеральные кристаллические породы различаются по расположению минералов или текстуре. Если минералы расположены упорядоченно (ориентированы в одном направлении), то порода имеет ориентированную текстуру. Если минералы распределены беспорядочно или хаотично, у породы беспорядоченная текстура.

В породах с упорядоченной текстурой характер расположения может быть разным: равномерно по всей породе, причем порода имеет сплющенный, сдавленный (сланцеватый) облик, или группироваться параллельными полосами (линзочками) из минералов разного цвета.

Сообщаю правило, по которому алгоритмический процесс определения полиминеральной породы ориентированной текстуры признается закончившимся. Кристаллическую породу с ориентированным расположением минералов, равномерно распределенных по всей породе сплющенного или сланцевого облика определяют кристаллическим сланцем. Обычно это полиминеральная порода: кварцево-слюдистый и другие сланцы, но бывает и мономинеральной: слюдистый сланец. Если порода сплющена, а кристаллики мельчайшие (серицита) - это филлит. Если порода по внешнему облику (на ощупь) похожа на глинистую, но сплющена (сдавлена), то называется глинистым сланцем.

Название кристаллической полиминеральной породы, сложенной параллельными полосами из минералов разного цвета, гнейс.

Обычно размер кристаллов в кристаллических сланцах меньше размера минералов гнейса. Кристаллические сланцы, как правило, мелкокристаллические породы, гнейсы - среднекристаллические.

Полиминеральные кристаллические породы хаотичной текстуры различаются по минеральному составу.

Сообщаю правило, по которому алгоритмический процесс определения кристаллической полиминеральной породы с беспорядочным расположением кристаллов признается завершившимся. Если такая порода сложена белым кварцем, светло-серым плагиоклазом, белым, розовым до красного калиевым полевым шпатом, черной (биотит) или белой (мусковит) слюдой, то ее называют гранитом. Слюды в граните, как правило, не более 5-10%. Обычно у гранита крупнокристаллическая структура.

Кристаллическая полиминеральная порода хаотичной текстуры из 50% серого полевого шпата и из 50% (конечно, имеются отклонения в ту или иную сторону) темно-зеленого или черного минерала вытянутой формы - амфибола, принято называть диоритом. Если все то же самое, только вместо амфибола присутствует пироксен - темно-зеленый или черный минерал короткостолбчатого облика, то порода именуется габбро. Кристаллическую полиминеральную породу только из черных и (или) темно-зеленых минералов - пироксена и оливина называют перидотитом. Структура его обычно мелкокристаллическая. Если порода сложена одним пироксеном, это пироксенит, оливином - дунит.

В руке у меня образец горной породы. Вижу, что порода состоит из частиц с гранями (при повороте блестят), правильных ограничений - кристаллов - кристаллическая. Кристаллы белого (кварц), светло-серого (плагиоклаз), красного (калиевый полевой шпат) и черного (слюда) цветов - полиминеральная. Расположение минералов беспорядочное. Кристаллическая полиминеральная порода из кварца, плагиоклаза, калиевого полевого шпата и слюды, расположенных хаотично, определяется гранитом. Ответ принят как не противоречащий правилу.

Кристаллических полиминеральных пород значительно больше, чем приведенных в качестве примера построения алгоритма их определения. Не затронуты щелочные породы и многие другие. Целью данной монографии не было создание всеобъемлющего алгоритма кристаллические и других пород. Показан лишь принцип построения алгоритма определения наиболее распространенных горных пород, которые будут использоваться далее в построении схемы естественно-научной модели геологии. Вероятностный мир литосферы, как и всей Природы, свидетельствует о громадном разнообразии любых типов горных пород, отсутствии в реальности среднестатистического песчаника или гранита, алгоритмы определения которых и приведены. Это как бы “идеальный газ” или “идеальная жидкость” в физике. Если такие понятия не использовать, законы газовой динамики и гидродинамики сформулировать нельзя.

Алгоритмы определения аморфных пород.

Визуально, по внешнему виду обосновать отнесение образцов горных пород к аморфным часто затруднено, а порой и невозможно. Необходимо изучение их под микроскопом. Исключение составляет вулканическое стекло, потому что стекло - это твердое аморфное вещество.

Аморфные породы состоят из аморфного вещества. Учитывая, что горные породы - это твердые вещества (ими сложена твердая, каменная оболочка земного шара - литосфера, как газами - атмосфера, водой - гидросфера), аморфные породы должны быть сложены твердыми аморфными веществами. К аморфным веществам относятся все газы, жидкости, а из твердых - стекла, смолы, гели и минерал опал. Из этого следует, что аморфные породы, как твердые вещества, могут слагаться стеклами и опалом.

Опал в аморфных, т.е. полностью или большей частью состоящих из опала, породах бывает в виде микроскопических панцирей диатомовых водорослей или в виде мельчайших шариков - глобулей. В обоих случаях панцири и глобули не могут плотно прилегать друг к другу, поэтому гладкая на ощупь порода из них микропористая (прилипает к языку; аргиллит хотя и гладкий на ощупь, плотный, к языку не прилипает, потому что глинистые частички имеют листоватую форму и плотно прилегают друг к другу). Цвет породы белый, как и опала, хотя часто пропитка гидроокислами железа придает ей желтоватый оттенок.

Учитывая, что стекло - это переохлажденная жидкость (быстроохлажденная жидкость, которая поэтому не смогла освободиться от излишней энергии - выделить тепло, и перейти в кристаллическое состояние с меньшим расстоянием между слагающими ее атомами), то стекловатые породы возникли из высоконагретой жидкости - лавы. Лава, с позиции физической химии, представляет собой высокоминерализованный нагретый водно-силикатный раствор, насыщенный газами. Расплавом лаву называть нельзя, ибо расплав - это индивидуальное, т.е. химически чистое, стехиометрическое вещество в жидком состоянии, кристаллизующееся при температуре перехода в жидкое состояние. Нагретая до жидкого состояния каменная соль (NaCI) при условии, что количество катионов натрия полностью соответствует количеству анионов хлора, - это расплав. Но стоит в него попасть незначительное количество воды, как расплав хлористого натрия перейдет в раствор хлорида натрия в воде. Чистое железо в жидком состоянии - расплав. При добавлении в него углерода становится жидким раствором углерода в железе, называемым жидким чугуном или жидкой сталью, в зависимости от содержания углерода. При охлаждении и кристаллизации они переходят в твердые растворы углерода в железе - чугун или сталь. В природе чистых веществ нет.

Если в лаве растворено мало газов, и она быстро остынет без образования кристаллов, в этом случае получается плотное вулканическое стекло.

Если в лаве растворено много газов и при остывании они не успевают ее покинуть, образуя пустоты различного размера, то возникает пористая или ноздреватая стекловатая порода (пористой текстуры до пемзовидной или шлаковидной).

Обычно еще при подъеме на поверхность в разогретом водно-силикатном растворе начинается частичная кристаллизация. При быстром охлаждении на поверхности литосферы такой лавы стекловатая масса породы будет содержать то или иное количество кристаллов разных размеров.

Поэтому по внешнему виду аморфные породы часто пористые: от микропористых до ноздреватых. Они (если не состоят из опала) или полностью стекловатые, или в их основной стекловатой массе находятся отдельные кристаллы. Стекловатые породы с отдельными (иногда многочисленными и крупными) кристаллами называются порфировыми (порфировой структуры).

Последовательность рассуждения при взятии в руки образца ноздреватой неполностью кристаллической породы может быть следующей (при прямом доказательстве). Порода ноздреватая, значит, ранее содержала в большом количестве пузырьки газов. Они были растворены в веществе породы, следовательно, вещество было в жидком нагретом (расплавленном) состоянии, а это аморфное состояние. Если бы оно медленно остывало, то закристаллизовалось бы, перешло в кристаллическое состояние. Но кристаллов нет или не все из кристаллов. Расплавленное вещество быстро остывало и приобрело стекловатую структуру, сохранив аморфное строение. Отсюда в руке образец аморфной стекловатой породы.

Дальнейшее разделение стекловатых пород в настоящее время ведется по их химическому составу, по содержанию в них кремнезема - SiO2. Если содержание его 70% и более, то порода называется кислой (в ней много оксида кремния - аниона силикатов - солей кремнистых кислот), т.е. составной части кислоты. Поэтому и кислая порода, а не от рН менее 7 (концентрации ионов водорода, о которой в твердых веществах говорить бессмысленно). При содержании SiO2 в породе порядка 60% она определяется средней, а при 50% - основной (в ней мало кремнезема, но много оксидов железа, магния и кальция - составных частей оснований). Исходя из химического состава, по такому же принципу разделяются и кристаллические полиминеральные породы хаотичной текстуры: кислая (SiO2 70% и выше) - гранит; средняя (60%) - диорит; основная (50%) - габбро; ультраосновная (40% и менее) - перидотит.

Определить химический состав, в том числе и количество оксида кремния, можно в химической лаборатории. Но это долго и дорого. Проще и быстрее (не для точных петрохимических исследований) определять химический состав стекловатых пород по цвету. Чем больше в них оксида кремния, тем они белее (минерал состава SiO2 - кварц белого цвета), и чем меньше, тем чернее (термин “темнее” - употреблять нельзя, потому что он характеризует оттенок, а не цвет). Цвет кислой стекловатой породы белый или светло-серый цвет, средней - серый, а основной - темно-серый или черный. Исключение: состав плотного вулканического стекла любого цвета: белого, черного, коричневого всегда кислый.

Сообщаю правило, по которому алгоритмический процесс определения аморфной породы признается закончившимся. Белую гладкую на ощупь легкую микропористую породу, прилипающую к языку, называют диатомитом, если под микроскопом в ней различимы остатки панцирей диатомовых водорослей, или опокой, когда панцирей нет (сильнопористая разновидность опоки - трепел).

Стекловатую или порфировую (в стекловатой массе находятся кристаллы) плотную или пористую породу белого или светло-серого цвета называют липаритом, серого - андезитом, темно-серого или черного - базальтом. Плотная, а потому тяжелая, скрытокристаллическая или мелкокристаллическая порода черного цвета, внешне похожая на базальт, но не стекловатая и не пористая - долерит.

В самых общих чертах составление алгоритмов определения наиболее распространенных в литосфере горных пород закончили. Необходимо отметить, что в природе каких-либо границ, разделяющих породы по тому или иному признаку, нет. Границы условно выделяются людьми. Очень редко, например, встречается просто песок. Обычно он содержит в том или ином количестве глину и алеврит. Выделяют глинистый песок, песчанисто-глинистый алеврит. Широко в природе распространены андезито-базальты (с содержанием оксида кремния 55%), гранодиориты (с содержанием SiO2 ?65%) и многие другие. Кристаллические сланцы с глубиной постепенно переходят в гнейсы, те, через гранито-гнейсы, в граниты. Если в сцементированной породе 50% глинистого материала и 50% тонкокристаллического карбонатного (СаСО3), то порода носит название мергель. Если глинистого материала меньше - это глинистый известняк, если больше - известковистый аргиллит.

Далее, например, песчаник по минеральному составу бывает кварцевым (из обломков кварца), олигомиктовым (из обломков кварца и полевого шпата) и т.д. Цемент обломков в песчанике по составу может быть глинистым, карбонатным и др.



Определение названия горных пород не является самоцелью в геологии. Это подготовительное (пропедевтическое) звено для понимания геологических процессов, модели функционирования литосферы.

Достарыңызбен бөлісу:




©dereksiz.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет