Минеральная

Кристаллы серандита , натролита , анальцима и эгирина из Мон-Сен-Илер, Квебек, Канада

В геологии и минералогии , в минеральном или минеральных видах является, вообще говоря, твердым химическим соединение с достаточно хорошо определенным химической композицией и конкретные кристаллической структурой , которая встречается в природе в чистом виде. ^{[1] [2]}

Геологическое определение минерала обычно исключает соединения, которые встречаются только в живых существах. Однако некоторые минералы часто являются биогенными (например, кальцит ) или являются органическими соединениями в химическом смысле (например, меллит ). Более того, живые существа часто синтезируют неорганические минералы (например, гидроксилапатит ), которые также встречаются в горных породах.

Понятие минерала отличается от горной породы , любого объемного твердого геологического материала, который является относительно однородным в достаточно большом масштабе. Порода может состоять из одного типа минерала или может быть агрегатом из двух или более различных типов минералов, пространственно разделенных на отдельные фазы . ^[3]

Некоторые природные твердые вещества без определенной кристаллической структуры, такие как опал или обсидиан , правильнее называть минералоидами . ^[4] Если химическое соединение встречается в природе с разными кристаллическими структурами, каждая структура считается отдельным минеральным видом. Так, например, кварц и стишовит - два разных минерала, состоящих из одного и того же соединения - диоксида кремния .

Международная ассоциация Минералогической (ИМА) является общепризнанным стандартом органа для определения и номенклатур минеральных видов. По состоянию на декабрь 2020 ^{[Обновить]}года IMA признает 5650 официальных минеральных видов ^[5] из 5862 предложенных или традиционных. ^[6]

Химический состав названного минерального вида может несколько отличаться за счет включения небольшого количества примесей. Определенные разновидности вида иногда имеют собственные общепринятые или официальные названия. ^[7] Например, аметист - это пурпурная разновидность минерального кварца . Некоторые виды минералов могут иметь различные пропорции двух или более химических элементов, которые занимают эквивалентные позиции в структуре минерала; например, формула макинавита представлена ​​как (Fe, Ni)
₉S
₈, что означает Fe
_ИксNi
_{9- х}S
₈, где x - переменное число от 0 до 9. Иногда минерал с переменным составом более или менее произвольно разделяется на отдельные виды, образуя группу минералов ; это в случае силикатов Ca
_ИксMg
_уFe
_{2- х - у}SiO
₄, группа оливина .

Помимо основного химического состава и кристаллической структуры, описание минерального вида обычно включает его общие физические свойства, такие как габитус , твердость , блеск , прозрачность , цвет, полоса , прочность , расщепление , излом , расслоение, удельный вес , магнетизм , флуоресценция , радиоактивность , а также его вкус или запах и его реакция на кислоту .

Минералы классифицируются по ключевым химическим компонентам; две доминирующие системы - это классификация Дана и классификация Штрунца. Силикатные минералы составляют примерно 90% земной коры . ^[8] Другие важные минеральные группы включают природные элементы , сульфиды , оксиды , галогениды , карбонаты , сульфаты и фосфаты .

Определение

Определение IMA

Международная минералогическая ассоциация установила следующие требования к веществу следует рассматривать отчетливый минерал: ^{[9] [10]}

1. Это должно быть вещество природного происхождения, образованное естественными геологическими процессами на Земле или других внеземных телах. Это исключает соединения, непосредственно и исключительно производимые в результате деятельности человека ( антропогенные ) или в живых существах ( биогенные ), такие как карбид вольфрама , мочевые камни , кристаллы оксалата кальция в тканях растений и морские ракушки . Однако вещества с таким происхождением могут быть квалифицированы, если в их происхождении участвовали геологические процессы (как в случае эвенкита , полученного из растительного материала; или таранакита из гуано летучих мышей ; или альперсита, из хвостов шахты). ^[10] Гипотетические вещества также исключаются, даже если предполагается, что они встречаются в недоступных в настоящее время природных средах, таких как ядро ​​Земли или другие планеты.
2. Это должно быть твердое вещество в своем естественном происхождении. Основным исключением из этого правила является самородная ртуть : она по-прежнему классифицируется IMA как минерал, хотя кристаллизуется только при температуре ниже -39 ° C, поскольку она была включена до того, как были установлены действующие правила. ^[11] Вода и диоксид углерода , которые не считаются минералы, несмотря на то, что они часто встречается в качестве включений в других минералах; но водяной лед считается минералом. ^[12]
3. Он должен иметь четко выраженную кристаллографическую структуру ; или, в более общем смысле, упорядоченное атомное расположение. ^[13] Это свойство подразумевает несколько макроскопических физических свойств, таких как форма кристалла, твердость и спайность. ^[14] Он исключает озокерит , лимонит , обсидиан и многие другие аморфные (некристаллические) материалы, встречающиеся в геологических условиях.
4. Он должен иметь достаточно четко определенный химический состав . Однако некоторые кристаллические вещества с фиксированной структурой, но переменным составом могут считаться отдельными минеральными видами. Обычным классом примеров являются твердые растворы, такие как макинавит , (Fe, Ni) ₉ S ₈ , который в основном представляет собой сульфид железа, в котором значительная часть атомов железа заменена атомами никеля . ^{[13] [15]}Другие примеры включают слоистые кристаллы с переменной укладкой слоев или кристаллы, которые отличаются только регулярным расположением вакансий и замещений. С другой стороны, некоторые вещества, имеющие непрерывный ряд составов, можно произвольно разделить на несколько минералов. Типичным примером является группа оливина (Mg, Fe) ₂ SiO ₄ , конечные члены которой, богатые магнием и железом, считаются отдельными минералами ( форстерит и фаялит ).

Детали этих правил несколько противоречивы. ^[13] Например, недавно было несколько предложений отнести аморфные вещества к минералам, но они не были приняты IMA.

IMA также неохотно принимает минералы, которые встречаются в природе только в виде наночастиц размером в несколько сотен атомов в поперечнике, но не определили минимальный размер кристаллов. ^[9]

Некоторые авторы требуют, чтобы материал был стабильным или метастабильным твердым телом при комнатной температуре (25 ° C). ^[13] Однако IMA требует только того, чтобы вещество было достаточно стабильным, чтобы его структура и состав были точно определены. Например, недавно был признан меридианиит (встречающийся в природе гидрат сульфата магния ) как минерал, хотя он образуется и стабилен только при температуре ниже 2 ° C.

Название минералов

По состоянию на декабрь 2020 ^[update]года IMA одобрило 5650 видов минералов. ^[5] Чаще всего они названы в честь человека, за которым следует место обнаружения; названия, основанные на химическом составе или физических свойствах, являются двумя другими основными группами этимологий названий минералов. ^{[16] [17]} Большинство имен оканчиваются на «-ite»; Исключение составляют обычно имена, которые были хорошо известны до образования минералогии как дисциплины, например, галенит и алмаз .

Споры о биогенных минералах

Темой разногласий среди геологов и минералогов было решение IMA исключить биогенные кристаллические вещества. Например, Ловенштам (1981) заявил, что «организмы способны образовывать разнообразный массив минералов, некоторые из которых не могут быть образованы неорганическим путем в биосфере». ^[18]

Скиннер (2005) рассматривает все твердые вещества как потенциальные минералы и включает биоминералы в минеральное царство, то есть те, которые создаются в результате метаболической активности организмов. Скиннер расширил предыдущее определение минерала, чтобы классифицировать «элемент или соединение, аморфное или кристаллическое, образованное в результате биогеохимических процессов», как минерал. ^[19]

Последние достижения в области генетики высокого разрешения и рентгеновской абсорбционной спектроскопии открывают биогеохимические связи между микроорганизмами и минералами, которые могут пролить новый свет на этот вопрос. ^{[10] [19]} Например, уполномоченная IMA «Рабочая группа по экологической минералогии и геохимии» занимается минералами в гидросфере , атмосфере и биосфере . ^[20] В сферу деятельности группы входят микроорганизмы, образующие минералы, которые существуют почти на всех скалах, почвах и поверхностях частиц на земном шаре на глубине не менее 1600 метров ниже морского днаи 70 километров в стратосферу (возможно, войдя в мезосферу ). ^{[21] [22] [23]}

Биогеохимические циклы способствовали образованию минералов на протяжении миллиардов лет. Микроорганизмы могут осаждать металлы из раствора , способствуя образованию рудных отложений. Они также могут катализировать на растворение минералов. ^{[24] [25] [26]}

До включения в список Международной минералогической ассоциации было обнаружено, названо и опубликовано более 60 биоминералов. ^[27] Эти минералы (подмножество, приведенное в таблице в Lowenstam (1981) ^[18] ) считаются собственно минералами согласно определению Скиннера (2005). ^[19] Эти биоминералы не перечислены в официальном списке названий минералов Международной ассоциации минералов, ^[28] однако многие из этих биоминеральных представителей относятся к 78 классам минералов, перечисленным в схеме классификации Дана. ^[19]

Определение минерала Скиннера (2005) учитывает этот вопрос, заявляя, что минерал может быть кристаллическим или аморфным. ^[19] Хотя биоминералы не являются самой распространенной формой минералов, ^[29] они помогают определить пределы того, что составляет собственно минерал. В формальном определении Никеля (1995) кристалличность прямо упоминается как ключ к определению вещества как минерала. В статье 2011 года икосаэдрит , сплав алюминия, железа и меди, определен как минерал; названный в честь своей уникальной природной симметрии икосаэдра , это квазикристалл . В отличие от настоящего кристалла, квазикристаллы упорядочены, но не периодичны. ^{[30] [31]}

Камни, руды и драгоценные камни

Порода представляет собой совокупность одного или нескольких минералов ^[32] или минералоид. Некоторые породы, такие как известняк или кварцит , состоят в основном из одного минерала - кальцита или арагонита в случае известняка и кварца в последнем случае. ^{[33] [34]} Другие породы могут быть определены по относительному содержанию ключевых (основных) минералов; гранит определяется долей кварца, щелочного полевого шпата и плагиоклаза полевого шпата . ^[35] Другие минералы в породе называются акцессорными минералами., и не сильно влияют на объемный состав породы. Камни также могут состоять полностью из неминерального материала; уголь - это осадочная порода, состоящая в основном из углерода органического происхождения. ^{[32] [36]}

В горных породах одних видов и групп минералов гораздо больше, чем других; их называют породообразующими минералами. Основными их примерами являются кварц, полевые шпаты , слюды , амфиболы , пироксены , оливины и кальцит; За исключением последнего, все эти минералы силикаты. ^[37] В целом, около 150 минералов считаются особенно важными, будь то с точки зрения их обилия или эстетической ценности с точки зрения коллекционирования. ^[38]

Промышленно ценные минералы и горные породы относятся к промышленным минералам . Например, мусковит , белая слюда, может использоваться для окон (иногда ее называют изингласом), как наполнитель или изолятор. ^[39]

Руды - это минералы с высокой концентрацией определенного элемента, обычно металла. Примеры - киноварь (HgS), руда ртути; сфалерит (ZnS), руда цинка; касситерит (SnO ₂ ), оловянная руда; и колеманит , руда бора .

Драгоценные камни - это минералы с декоративной ценностью, которые отличаются от не драгоценных камней своей красотой, долговечностью и, как правило, редкостью. Существует около 20 видов минералов, которые квалифицируются как драгоценные минералы, которые составляют около 35 самых распространенных драгоценных камней. Драгоценные минералы часто присутствуют в нескольких разновидностях, поэтому один минерал может составлять несколько разных драгоценных камней; например, рубин и сапфир - это корунд , Al ₂ O ₃ . ^[40]

Этимология

Первое известное использование слова «минерал» в английском языке ( среднеанглийском ) было в 15 веке. Слово произошло из средневековой латыни : минерал , от минерала , руда. ^[41]

Слово «вид» происходит от латинского вида , «особого рода, вида, или типа с отличным видом, или внешнего вида». ^[42]

Химия

Обилие и разнообразие минералов напрямую контролируется их химическим составом, в свою очередь, зависит от содержания элементов на Земле. Большинство наблюдаемых минералов происходит из земной коры . Восемь элементов составляют большинство ключевых компонентов минералов из-за их большого количества в коре. Эти восемь элементов, в сумме составляющие более 98% корки по весу, в порядке уменьшения содержания: кислород , кремний , алюминий , железо , магний , кальций , натрий и калий.. Кислород и кремний на сегодняшний день являются двумя наиболее важными: кислород составляет 47% корки по весу, а кремний составляет 28%. ^[43]

Образующиеся минералы напрямую контролируются химическим составом основного тела. Например, магма, богатая железом и магнием, образует основные минералы, такие как оливин и пироксены; Напротив, более богатая кремнеземом магма будет кристаллизоваться с образованием минералов, содержащих больше SiO ₂ , таких как полевые шпаты и кварц. В известняк , кальцит или арагонит (как СаСО ₃ ) формы , потому что горная порода богата кальцием и карбонатом. Следствием этого является то, что минерал не будет обнаружен в породе, объемная химия которой не похожа на объемную химию данного минерала, за исключением микроэлементов. Например, кианит , Al₂ SiO ₅ образуется в результате метаморфизма богатых алюминием сланцев ; это вряд ли произойдет в бедных алюминием породах, таких как кварцит .

Химический состав может варьироваться в зависимости от вида конечного члена ряда твердого раствора . Например, полевые шпаты плагиоклаза включают непрерывный ряд от богатого натрием конечного альбита (NaAlSi ₃ O ₈ ) до богатого кальцием анортита (CaAl ₂ Si ₂ O ₈ ) с четырьмя признанными промежуточными разновидностями между ними (даны в порядке от натриевого до богатого кальцием анортита ). к богатым кальцием): олигоклаз , андезин , лабрадорит и битовнит . ^[44]Другие примеры серий включают оливиновую серию богатого магнием форстерита и богатого железом фаялита, а также вольфрамитовую серию богатого марганцем гюбнерита и богатого железом ферберита .

Химическое замещение и координационные полиэдры объясняют эту общую черту минералов. В природе минералы не являются чистыми веществами и загрязнены любыми другими элементами, присутствующими в данной химической системе. В результате можно заменить один элемент другим. ^[45] Химическое замещение будет происходить между ионами аналогичного размера и заряда; например, K ⁺ не заменит Si ⁴⁺ из-за химической и структурной несовместимости, вызванной большой разницей в размере и заряде. Типичным примером химического замещения является Si ⁴⁺ на Al ^3+., близких по заряду, размеру и содержанию в коре. В примере плагиоклаза есть три случая замещения. Все полевые шпаты представляют собой каркасные силикаты с соотношением кремний-кислород 2: 1, а пространство для других элементов обеспечивается замещением Si ⁴⁺ на Al ³⁺ с получением основной единицы [AlSi ₃ O ₈ ] ^- ; без замены, формула будет сбалансирована по заряду как SiO ₂ , давая кварц. ^[46] Значение этого структурного свойства будет объяснено далее с помощью координационных полиэдров. Вторая замена происходит между Na ⁺ и Ca ^2+.; однако разницу в заряде необходимо учитывать путем второй замены Si ⁴⁺ на Al ³⁺ . ^[47]

Координационные многогранники - это геометрические представления того, как катион окружен анионом. В минералогии координационные полиэдры обычно рассматриваются с точки зрения кислорода из-за его большого количества в коре. Основной единицей силикатных минералов является тетраэдр кремнезема - один Si ^4+, окруженный четырьмя O ²⁻. Альтернативный способ описания координации силиката - это число: в случае кремнеземного тетраэдра кремний, как говорят, имеет координационное число 4. Различные катионы имеют определенный диапазон возможных координационных чисел; для кремния оно почти всегда равно 4, за исключением минералов под очень высоким давлением, где соединение сжато так, что кремний находится в шестикратной (октаэдрической) координации с кислородом. Катионы большего размера имеют большее координационное число из-за увеличения относительного размера по сравнению с кислородом (последняя орбитальная подоболочка более тяжелых атомов также отличается). Изменение координационных чисел приводит к физическим и минералогическим различиям; например, при высоком давлении, например в мантии , многие минералы, особенно силикаты, такие каколивин и гранат изменятся на структуру перовскита , где кремний находится в октаэдрической координации. Другими примерами являются алюмосиликаты кианит , андалузит и силлиманит (полиморфы, поскольку они имеют общую формулу Al ₂ SiO ₅ ), которые различаются координационным числом Al ³⁺ ; эти минералы переходят друг из друга в ответ на изменения давления и температуры. ^[43] В случае силикатных материалов замена Si ⁴⁺ на Al ³⁺ позволяет получить множество минералов из-за необходимости сбалансировать заряды. ^[48]

Изменения температуры, давления и состава изменяют минералогию образца породы. Изменения в составе могут быть вызваны такими процессами, как выветривание или метасоматоз ( гидротермальные изменения ). Изменения температуры и давления происходят, когда вмещающая порода подвергается тектоническому или магматическому движению в различных физических режимах. Изменения термодинамических условий позволяют минеральным ассоциациям реагировать друг с другом с образованием новых минералов; как таковые, две породы могут иметь идентичный или очень похожий химический состав валовой породы, не имея схожих минералогических свойств. Этот процесс минералогического изменения связан с циклом горных пород.. Пример серии минеральных реакций проиллюстрирован следующим образом. ^[49]

Ортоклаз полевой шпат (KAlSi ₃ O ₈ ) - это минерал, обычно встречающийся в граните , плутонической вулканической породе . Под воздействием выветривания он реагирует с образованием каолинита (Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ , осадочный минерал и кремниевая кислота ):

2 KAlSi ₃ O ₈ + 5 H ₂ O + 2 H ⁺ → Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ + 4 H ₂ SiO ₃ + 2 K ⁺

В условиях низкосортного метаморфизма каолинит реагирует с кварцем с образованием пирофиллита (Al ₂ Si ₄ O ₁₀ (OH) ₂ ):

Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ + SiO ₂ → Al ₂ Si ₄ O ₁₀ (OH) ₂ + H ₂ O

По мере увеличения степени метаморфизма пирофиллит реагирует с образованием кианита и кварца:

Al ₂ Si ₄ O ₁₀ (OH) ₂ → Al ₂ SiO ₅ + 3 SiO ₂ + H ₂ O

В качестве альтернативы минерал может изменить свою кристаллическую структуру в результате изменений температуры и давления, не вступая в реакцию. Например, кварц при высоких температурах превращается в различные полиморфы SiO ₂ , такие как тридимит и кристобалит , а при высоких давлениях - коэсит . ^[50]

Физические свойства

Классификация минералов варьируется от простой до сложной. Минерал можно идентифицировать по нескольким физическим свойствам, некоторые из которых достаточны для полной идентификации без двусмысленности. В других случаях минералы можно классифицировать только с помощью более сложного оптического , химического или рентгеноструктурного анализа; Однако эти методы могут быть дорогостоящими и трудоемкими. Физические свойства, применяемые для классификации, включают кристаллическую структуру и габитус, твердость, блеск, прозрачность, цвет, полосу, трещины и трещины, а также удельный вес. Другие менее общие тесты включают флуоресценцию , фосфоресценцию , магнетизм , радиоактивность., прочность (реакция на механические изменения формы или формы), пьезоэлектричество и реакционная способность по отношению к разбавленным кислотам . ^[51]

Кристаллическая структура и привычка

Кристаллическая структура является результатом упорядоченного геометрического пространственного расположения атомов во внутренней структуре минерала. Эта кристаллическая структура основана на регулярном внутреннем расположении атомов или ионов , которое часто выражается в геометрической форме, которую принимает кристалл. Даже когда минеральные зерна слишком малы, чтобы их можно было увидеть, или имеют неправильную форму, основная кристаллическая структура всегда периодична и может быть определена с помощью дифракции рентгеновских лучей. ^[13] Минералы обычно характеризуются их симметричным содержанием. Кристаллы ограничены до 32 точечных групп, которые отличаются своей симметрией. Эти группы, в свою очередь, подразделяются на более широкие категории, наиболее всеобъемлющими из которых являются шесть семейств кристаллов. ^[52]

Эти семейства можно описать относительными длинами трех кристаллографических осей и углами между ними; эти отношения соответствуют операциям симметрии, которые определяют более узкие точечные группы. Они кратко изложены ниже; a, b и c представляют оси, а α, β, γ представляют собой угол, противоположный соответствующей кристаллографической оси (например, α - угол, противоположный оси a, то есть угол между осями b и c): ^{[52 ]}

Семейство гексагональных кристаллов также разделено на две кристаллические системы  - тригональную , которая имеет ось симметрии третьего порядка, и гексагональную, которая имеет ось симметрии шестого порядка.

Химия и кристаллическая структура вместе определяют минерал. При ограничении до 32 точечных групп минералы разного химического состава могут иметь идентичную кристаллическую структуру. Например, галит (NaCl), галенит (PbS) и периклаз (MgO) принадлежат к гексаоктаэдрической точечной группе (изометрическому семейству), поскольку они имеют схожую стехиометрию между их различными составляющими элементами. Напротив, полиморфы - это группы минералов, которые имеют общую химическую формулу, но имеют различную структуру. Например, пирит и марказит , оба сульфида железа, имеют формулу FeS _2.; однако первый изометричен, а второй ромбический. Этот полиморфизм распространяется на другие сульфиды с общей формулой AX ₂ ; эти две группы вместе известны как группы пирита и марказита. ^[53]

Полиморфизм может выходить за рамки чистой симметрии. Алюмосиликаты представляют собой группу из трех минералов - кианита , андалузита и силлиманита,  которые имеют химическую формулу Al ₂ SiO ₅ . Кианит имеет триклинную структуру, а андалузит и силлиманит - ромбические и принадлежат к группе дипирамидальных точек. Эти различия возникают в зависимости от того, как алюминий координируется в кристаллической структуре. Во всех минералах один ион алюминия всегда находится в шестикратной координации с кислородом. Кремний, как правило, имеет четырехкратную координацию во всех минералах; исключение составляет случай, подобный стишовиту (SiO ₂полиморф кварца сверхвысокого давления со структурой рутила). ^[54] В кианите второй алюминий находится в шестикратной координации; его химическая формула может быть выражена как Al ^[6] Al ^[6] SiO ₅ , чтобы отразить его кристаллическую структуру. Андалузит имеет второй алюминий в пятикратной координации (Al ^[6] Al ^[5] SiO ₅ ), а силлиманит - в четырехкратной координации (Al ^[6] Al ^[4] SiO ₅ ). ^[55]

Различия в кристаллической структуре и химическом составе сильно влияют на другие физические свойства минерала. Углеродные аллотропы, алмаз и графит имеют совершенно разные свойства; алмаз - самое твердое природное вещество, имеет адамантиновый блеск и принадлежит к семейству изометрических кристаллов, тогда как графит очень мягкий, имеет жирный блеск и кристаллизуется в семействе шестиугольников. Эта разница объясняется различиями в склеивании. В алмазе атомы углерода находятся на гибридных орбиталях sp ³ , что означает, что они образуют каркас, в котором каждый углерод ковалентно связан с четырьмя соседями тетраэдрическим образом; с другой стороны, графит состоит из листов углерода в sp ²гибридные орбитали, где каждый углерод ковалентно связан только с тремя другими. Эти слои удерживаются вместе гораздо более слабыми силами Ван-дер-Ваальса , и это несоответствие приводит к большим макроскопическим различиям. ^[56]

Двойникование - это срастание двух или более кристаллов одного минерального вида. Геометрия двойникования контролируется симметрией минерала. В результате есть несколько типов близнецов, включая контактных близнецов, сетчатых близнецов, коленчатых близнецов, проникающих близнецов, циклических близнецов и полисинтетических близнецов. Контакт, или простые двойники, состоят из двух кристаллов, соединенных в плоскости; этот тип двойникования обычен для шпинели. Сетчатые близнецы, часто встречающиеся в рутиле, представляют собой переплетенные кристаллы, напоминающие сетку. У коленчатых близнецов есть изгиб посередине, вызванный рождением близнеца. Двойники проникновения состоят из двух вросших друг в друга монокристаллов; примеры этого двойникования включают крестообразный ставролитблизнецы и карловарское двойникование в ортоклазе. Циклические двойники вызываются повторным двойникованием вокруг оси вращения. Этот тип двойникования происходит вокруг трех, четырех, пяти, шести или восьми осей, и соответствующие паттерны называются тройками, четверками, пятерками, шестигранниками и восьмерками. В арагоните распространены шестигранники. Полисинтетические близнецы похожи на циклических близнецов наличием повторяющегося двойникования; однако вместо того, чтобы происходить вокруг оси вращения, полисинтетическое двойникование происходит вдоль параллельных плоскостей, обычно в микроскопическом масштабе. ^{[57] [58]}

Хрустальный габитус относится к общей форме кристалла. Для описания этого свойства используются несколько терминов. Общие привычки включают игольчатые, которые описывают игольчатые кристаллы, как в натролите , пластинчатые, дендритные (древовидный узор, распространенный в самородной меди ), равные, что типично для граната, призматические (вытянутые в одном направлении) и пластинчатые, которые отличаются от пластинчатых. привычка в том, что первый пластинчатый, тогда как второй имеет определенную удлиненность. Относительно формы кристаллов качество граней кристаллов является диагностическим для некоторых минералов, особенно с помощью петрографического микроскопа. Евэдральные кристаллы имеют определенную внешнюю форму, в то время как анэдральные кристаллы нет; эти промежуточные формы называются субэдральными. ^{[59] [60]}

Твердость

Твердость минерала определяет, насколько он устойчив к царапинам. Это физическое свойство контролируется химическим составом и кристаллической структурой минерала. Твердость минерала не обязательно постоянна для всех сторон, что является функцией его структуры; кристаллографическая слабость делает одни направления более мягкими, чем другие. ^[61] Пример этого свойства существует в кианите, который имеет твердость по Моосу 5½, параллельную [001], но 7, параллельную [100]. ^[62]

Наиболее распространенной шкалой измерения является порядковая шкала твердости Мооса. Определенный десятью индикаторами, минерал с более высоким индексом царапает те, что ниже. Шкала варьируется от талька, филлосиликата , до алмаза, углеродного полиморфа, который является самым твердым природным материалом. Шкала представлена ​​ниже: ^[61]

Блеск и прозрачность

Блеск показывает, как свет отражается от поверхности минерала в зависимости от его качества и интенсивности. Для описания этого свойства используется множество качественных терминов, которые подразделяются на металлические и неметаллические категории. Металлические и субметаллические минералы имеют высокую отражательную способность, как и металл; примерами минералов с таким блеском являются галенит и пирит. Неметаллические люстры включают: адамантин, например алмаз ; стекловидный, который представляет собой стеклянный блеск, очень часто встречающийся в силикатных минералах; жемчужный, такой как тальк и апофиллит ; смолистые, такие как представители гранатовой группы; шелковистый, который часто встречается в волокнистых минералах, таких как асбестоформный хризотил . ^[63]

Diaphaneity минерала характеризует способность света , чтобы пройти через него. Прозрачные минералы не уменьшают интенсивность проходящего через них света. Пример прозрачного минерала - мусковит (слюда калия); некоторые разновидности достаточно прозрачны, чтобы их можно было использовать для окон. Полупрозрачные минералы пропускают немного света, но меньше, чем прозрачные. Жадеит и нефрит (минеральные формы нефрита являются примерами минералов с этим свойством). Минералы, не пропускающие свет, называются непрозрачными. ^{[64] [65]}

Прозрачность минерала зависит от толщины образца. Когда минерал достаточно тонкий (например, в шлифе для петрографии ), он может стать прозрачным, даже если это свойство не проявляется в ручном образце. Напротив, некоторые минералы, такие как гематит или пирит, непрозрачны даже в шлифах. ^[65]

Цвет и полосы

Цвет - наиболее очевидное свойство минерала, но часто не является диагностическим. ^[66] Это вызвано электромагнитным излучением, взаимодействующим с электронами (за исключением случая накала , который не относится к минералам). ^[67] Два широких класса элементов (идиохроматические и аллохроматические) определены в зависимости от их вклада в цвет минерала: идиохроматические элементы необходимы для состава минерала; их вклад в цвет минерала является диагностическим. ^{[64] [68]} Примеры таких минералов: малахит (зеленый) и азурит.(синий). Напротив, аллохромные элементы в минералах присутствуют в следовых количествах в виде примесей. Примером такого минерала могут быть рубиновые и сапфировые разновидности минерального корунда . ^[68] Цвета псевдохроматических минералов являются результатом интерференции световых волн. Примеры включают лабрадорит и борнит .

Помимо простого цвета тела, минералы могут обладать различными другими отличительными оптическими свойствами, такими как игра цветов, астеризм , изменчивость , радужность , потускнение и плеохроизм . Некоторые из этих свойств связаны с изменчивостью цвета. Игра цвета, например, в опале , приводит к тому, что образец отражает разные цвета при его повороте, в то время как плеохроизм описывает изменение цвета, когда свет проходит через минерал в другой ориентации. Радужность - это разновидность игры цветов, при которой свет рассеивается от покрытия на поверхности кристалла, плоскостях спайности или слоях, имеющих незначительные химические градации. ^[69]Напротив, игра цветов в опале вызвана преломлением света от упорядоченных микроскопических сфер кремнезема в пределах его физической структуры. ^[70] Chatoyancy («кошачий глаз») - это волнистая полоса цвета, которая наблюдается при вращении образца; астеризм, разновидность волнистости, дает вид звезды на зерне минерала. Последнее свойство особенно характерно для корунда ювелирного качества. ^{[69] [70]}

Полоса минерала относится к цвету минерала в порошкообразной форме, который может совпадать или не совпадать с цветом его тела. ^[68] Чаще всего это свойство проверяется с помощью полосовой пластины, которая сделана из фарфора и окрашена в белый или черный цвет. Полоса минерала не зависит от микроэлементов ^[64] или какой-либо поверхности выветривания. ^[68] Типичный пример этого свойства иллюстрируется гематитом , который окрашен в черный, серебристый или красный цвет в ручном образце, но имеет полосу от вишнево-красного ^[64] до красновато-коричневого цвета. ^[68] Полоса чаще характерна для металлических минералов, в отличие от неметаллических минералов, цвет тела которых создается аллохроматическими элементами.^[64] Тестирование штрихов ограничено твердостью минерала, так как те, что тверже 7, присыпают полосовую пластину . ^[68]

Расщепление, расщепление, перелом и упорство

По определению, минералы имеют характерное атомное расположение. Слабость этой кристаллической структуры вызывает плоскости слабости, и разрушение минерала вдоль таких плоскостей называется спайностью. Качество спайности можно охарактеризовать по тому, насколько чисто и легко минерал разрушается; общие дескрипторы в порядке убывания качества: «идеальный», «хороший», «отличный» и «плохой». В особенно прозрачных минералах или в шлифах раскол можно увидеть как серию параллельных линий, обозначающих плоские поверхности, если смотреть сбоку. Раскол - не универсальное свойство минералов; например, кварц, состоящий из широко связанных тетраэдров кремнезема, не имеет кристаллографической слабости, которая позволила бы ему расколоться. Напротив, слюды, которые имеют идеальное базальное декольте,состоят из листов тетраэдров кремнезема, которые очень слабо скреплены.^{[71] [72]}

Поскольку расщепление является функцией кристаллографии, существует множество типов расщепления. Расщепление обычно происходит в одном, двух, трех, четырех или шести направлениях. Базальный кливаж в одну сторону - отличительное свойство слюд . Двунаправленное расщепление описывается как призматическое и происходит в минералах, таких как амфиболы и пироксены. Минералы, такие как галенит или галит, имеют кубический (или изометрический) раскол в трех направлениях под углом 90 °; когда присутствует раскол в трех направлениях, но не под углом 90 °, как в кальците или родохрозите , это называется ромбоэдрическим расколом. Октаэдрический раскол (четыре направления) присутствует во флюорите и алмазе, а сфалерит имеет шестигранный додекаэдрический раскол. ^[71][72]

Минералы с множеством расщеплений могут не разрушаться одинаково хорошо во всех направлениях; например, кальцит имеет хорошее расщепление в трех направлениях, но гипс имеет идеальное расщепление в одном направлении и плохое расщепление в двух других направлениях. Углы между плоскостями спайности у разных минералов различаются. Например, поскольку амфиболы представляют собой двухцепочечные силикаты, а пироксены - одноцепочечные силикаты, угол между их плоскостями спайности различен. Пироксены раскалываются в двух направлениях примерно под 90 °, тогда как амфиболы отчетливо раскалываются в двух направлениях, разделенных примерно 120 ° и 60 °. Углы скола можно измерить контактным гониометром, который похож на транспортир. ^{[71] [72]}

Расщепление, иногда называемое «ложным расщеплением», по внешнему виду похоже на расщепление, но вместо этого происходит из-за структурных дефектов в минерале, а не из-за систематической слабости. Разделение варьируется от кристалла к кристаллу минерала, в то время как все кристаллы данного минерала раскалываются, если атомная структура допускает это свойство. Обычно расщепление вызывается некоторым напряжением, приложенным к кристаллу. Источники напряжений включают деформацию (например, повышение давления), распад или двойникование. Минералы, которые часто проявляют расслоение, включают пироксены, гематит, магнетит и корунд. ^{[71] [73]}

Когда минерал разрушается в направлении, которое не соответствует плоскости спайности, это называется разломом. Существует несколько видов неравномерного перелома. Классический пример - раковистая трещина, как у кварца; создаются скругленные поверхности, которые обозначаются плавными изогнутыми линиями. Этот тип разрушения встречается только в очень однородных минералах. Другие типы переломов - фиброзные, осколочные и рубчатые. Последний описывает излом по шероховатой неровной поверхности; Примером этого свойства является самородная медь . ^[74]

Упорство связано как с расщеплением, так и с переломом. В то время как трещина и раскол описывает поверхности, которые образуются при разрушении минерала, прочность описывает, насколько минерал устойчив к такому разрушению. Минералы можно охарактеризовать как хрупкие, пластичные, податливые, сектильные, гибкие или эластичные. ^[75]

Удельный вес

Удельный вес численно описывает плотность минерала. Плотность определяется как масса, разделенная на объем в единицах: кг / м ³ или г / см ³ . Удельный вес показывает, сколько воды вытесняет образец минерала. Определенный как отношение массы образца к разнице между весом образца в воздухе и его соответствующим весом в воде, удельный вес является безразмерным соотношением. Среди большинства минералов это свойство не является диагностическим. Породообразующие минералы - обычно силикаты или иногда карбонаты - имеют удельный вес 2,5–3,5. ^[76]

Высокий удельный вес - диагностическое свойство минерала. Изменение химического состава (и, следовательно, класса минералов) коррелирует с изменением удельного веса. Среди более распространенных минералов оксиды и сульфиды, как правило, имеют более высокий удельный вес, поскольку они включают элементы с более высокой атомной массой. Обобщение состоит в том, что минералы с металлическим или адамантиновым блеском обычно имеют более высокий удельный вес, чем минералы с неметаллическим или тусклым блеском. Например, гематит , Fe ₂ O ₃ , имеет удельный вес 5,26 ^[77], а галенит , PbS, имеет удельный вес 7,2–7,6, ^[78]что является результатом высокого содержания в них железа и свинца соответственно. У самородных металлов очень высокий удельный вес ; камасит , железо-никелевый сплав, распространенный в железных метеоритах, имеет удельный вес 7,9 ^[79], а золото имеет наблюдаемый удельный вес от 15 до 19,3. ^{[76] [80]}

Другие свойства

Другие свойства могут быть использованы для диагностики минералов. Они менее общие и относятся к конкретным минералам.

Капание разбавленной кислоты (часто 10% HCl ) на минерал помогает отличить карбонаты от других классов минералов. Кислота вступает в реакцию с карбонатной ([CO ₃ ] ^2- ) группой, в результате чего пораженный участок начинает шипеть , выделяя углекислый газ. Этот тест можно расширить, чтобы проверить минерал в его исходной кристаллической форме или порошкообразной форме. Пример этого теста проводится при различении кальцита от доломита , особенно в породах ( известняк и доломит).соответственно). Кальцит немедленно вскипает в кислоте, тогда как кислоту необходимо наносить на измельченный доломит (часто на поцарапанную поверхность в камне), чтобы он вскипел. ^[81] Цеолитные минералы не вскипают в кислоте; вместо этого они становятся матовыми через 5–10 минут, а если оставить их в кислоте на день, они растворяются или превращаются в силикагель . ^[82]

При проверке, магнетизм - очень заметное свойство минералов. Среди обычных минералов магнетит сильно проявляет это свойство, и магнетизм также присутствует, хотя и не так сильно, в пирротине и ильмените . ^[81] Некоторые минералы проявляют электрические свойства, например кварц пьезоэлектрический, но электрические свойства редко используются в качестве диагностических критериев для минералов из-за неполных данных и естественных вариаций. ^[83]

Минералы также можно проверить на вкус или запах. Галит , NaCl, поваренная соль; его калийсодержащий аналог сильвит имеет ярко выраженную горечь. Сульфиды имеют характерный запах, особенно если образцы растрескиваются, вступают в реакцию или превращаются в порошок. ^[81]

Радиоактивность - редкое свойство; минералы могут состоять из радиоактивных элементов. Они могут быть определяющими составляющими, такими как уран в уранините , аутуните и карнотите , или как следовые примеси. В последнем случае распад радиоактивного элемента повреждает кристаллическую структуру минерала, делая ее локально аморфной ( метамиктное состояние ); оптический результат, называемый радиоактивным гало или плеохроическим гало , можно наблюдать с помощью различных методов, таких как петрография тонких срезов . ^[81]

Классификация

Самые ранние классификации

В 315 году до н.э. , Теофраст представил свою классификацию минералов в своем трактате О камнях . На его классификацию повлияли идеи его учителей Платона и Аристотеля . Теофраст классифицировал минералы как камни, землю или металлы. ^[84]

Классификация минералов Георгиуса Агриколы в его книге De Natura Fossilium , опубликованной в 1546 году, разделила минералы на три типа веществ: простые (камни, земля, металлы и застывшие соки), сложные (тщательно перемешанные) и сложные (разделяемые). ^[84]

Линней

Ранняя классификация минералов была дана Карлом Линнеем в его основополагающей книге 1735 года Systema Naturae . Он разделил мир природы на три царства - растений, животных и минералов - и классифицировал каждое по одной и той же иерархии. ^[85] В порядке убывания это были Тип, Класс, Порядок, Семья, Племя, Род и Вид.

Однако, хотя его система была оправдана теорией образования видов Чарльза Дарвина и была в значительной степени принята и расширена биологами в последующие столетия (которые до сих пор даже используют его биномиальную схему именования, основанную на греческом и латинском языках ), она имела небольшой успех у минералогов.

Современная классификация

Минералы классифицируются по разновидностям, видам, сериям и группам в порядке возрастания общности. Базовый уровень определения - это минеральные виды, каждый из которых отличается от других уникальными химическими и физическими свойствами. Например, кварц определяется его формулой SiO ₂ и определенной кристаллической структурой, которая отличает его от других минералов с той же химической формулой (называемых полиморфными модификациями ). Когда существует диапазон состава между двумя видами минералов, определяется ряд минералов. Например, серия биотита представлена ​​переменным количеством концевых членов флогопита , сидерофиллита ,аннит и истонит . Напротив, группа минералов - это группа видов минералов с некоторыми общими химическими свойствами, которые имеют общую кристаллическую структуру. Пироксен группа имеет общую формулу XY (Si, Al) ₂ O ₆ , где Х и Y оба являются катионы, как правило , с X превышает , чем Y; пироксены представляют собой одноцепочечные силикаты, которые кристаллизуются либо в орторомбической, либо в моноклинной кристаллической системе. Наконец, разновидность минералов - это особый тип минералов, который отличается некоторыми физическими характеристиками, такими как цвет или внешний вид кристаллов. Примером является аметист , пурпурный вид кварца. ^[16]

Для минералов используются две общие классификации, Дана и Струнц; оба зависят от состава, особенно в отношении важных химических групп, и структуры. Джеймс Дуайт Дана , ведущий геолог своего времени, впервые опубликовал свою « Систему минералогии» в 1837 году; по состоянию на 1997 год он находится в восьмом издании. Классификация Dana присваивает минеральным видам номер из четырех частей. Его номер класса основан на важных композиционных группах; тип показывает отношение катионов к анионам в минерале, а последние два числа группируют минералы по структурному сходству в пределах данного типа или класса. Реже используемая классификация Штрунца , названная в честь немецкого минералога Карла Хуго Штрунца., основан на системе Дана, но сочетает в себе как химические, так и структурные критерии, последний из которых касается распределения химических связей. ^[86]

Поскольку в составе земной коры преобладают кремний и кислород, силикатные элементы на сегодняшний день являются самым важным классом минералов с точки зрения образования и разнообразия горных пород. Однако несиликатные минералы имеют большое экономическое значение, особенно в виде руд. ^{[87] [88]}

Несиликатные минералы подразделяются на несколько других классов по их доминирующему химическому составу, который включает самородные элементы, сульфиды, галогениды, оксиды и гидроксиды, карбонаты и нитраты, бораты, сульфаты, фосфаты и органические соединения. Большинство несиликатных видов минералов редки (составляя в общей сложности 8% земной коры), хотя некоторые из них относительно распространены, например кальцит, пирит , магнетит и гематит . В несиликатах наблюдаются два основных структурных стиля: плотная упаковка и силикатоподобные связанные тетраэдры. плотно упакованные конструкцииэто способ плотной упаковки атомов при минимизации межузельного пространства. Гексагональная плотная упаковка предполагает наложение слоев, где все остальные слои одинаковы («ababab»), тогда как кубическая плотная упаковка включает наложение групп из трех слоев («abcabcabc»). Аналоги связанных тетраэдров кремнезема включают SO ₄ (сульфат), PO ₄ (фосфат), AsO ₄ (арсенат) и VO ₄ (ванадат). Несиликаты имеют большое экономическое значение, поскольку они концентрируют элементы больше, чем силикатные минералы. ^[89]

Самая большая группа минералов - это силикаты ; большинство горных пород состоит более чем на 95% из силикатных минералов, и более 90% земной коры состоят из этих минералов. ^[90] Двумя основными составляющими силикатов являются кремний и кислород, которые являются двумя наиболее распространенными элементами в земной коре. Другие общие элементы силикатных минералов соответствуют другим общим элементам земной коры, таким как алюминий, магний, железо, кальций, натрий и калий. ^[91] Некоторые важные породообразующие силикаты включают полевые шпаты , кварц, оливины , пироксены , амфиболы , гранаты и слюды .

Силикаты

Базовая единица силикатного минерала - тетраэдр [SiO ₄ ] ^4- . В подавляющем большинстве случаев кремний находится в четырех- или тетраэдрической координации с кислородом. В ситуациях очень высокого давления кремний будет иметь шестикратную или октаэдрическую координацию, например, в структуре перовскита или полиморфном кварцевом стишовите (SiO ₂ ). В последнем случае минерал имеет уже не силикатную структуру, а структуру рутила (TiO ₂) и связанной с ней группой, которые представляют собой простые оксиды. Эти тетраэдры диоксида кремния затем до некоторой степени полимеризуются для создания различных структур, таких как одномерные цепочки, двумерные листы и трехмерные каркасы. Основной силикатный минерал, в котором не произошла полимеризация тетраэдров, требует, чтобы другие элементы уравновешивали основной 4-заряд. В других силикатных структурах требуются различные комбинации элементов, чтобы уравновесить результирующий отрицательный заряд. Обычно Si ⁴⁺ заменяется на Al ³⁺ из-за сходства ионного радиуса и заряда; в этих случаях [AlO ₄ ] ⁵⁻тетраэдры образуют те же структуры, что и незамещенные тетраэдры, но их требования к балансировке заряда другие. ^[92]

Степень полимеризации может быть описана как сформированной структурой, так и количеством общих тетраэдрических углов (или координирующих атомов кислорода) (для алюминия и кремния в тетраэдрических узлах). ^[93]Ортосиликаты (или несосиликаты) не имеют связи многогранников, поэтому тетраэдры не имеют общих углов. Дисиликаты (или соросиликаты) имеют два тетраэдра, разделяющих один атом кислорода. Иносиликаты представляют собой цепочечные силикаты; одноцепочечные силикаты имеют два общих угла, тогда как двухцепочечные силикаты имеют два или три общих угла. В филлосиликатах образуется листовая структура, которая требует трех общих атомов кислорода; в случае двухцепочечных силикатов некоторые тетраэдры должны иметь два общих угла вместо трех, иначе в результате получится листовая структура. Силикаты каркаса, или тектосиликаты, имеют тетраэдры, которые имеют все четыре общих угла. Кольцевые силикаты, или циклосиликаты, нуждаются только в тетраэдрах, чтобы иметь общие два угла, чтобы сформировать циклическую структуру. ^[94]

Подклассы силикатов описаны ниже в порядке уменьшения полимеризации.

Тектосиликаты

Тектосиликаты, также известные как силикаты каркаса, обладают самой высокой степенью полимеризации. Когда все углы тетраэдра общие, соотношение кремний: кислород становится 1: 2. Примерами являются кварц, в шпаты , фельдшпатоиды , и цеолиты . Каркасные силикаты имеют тенденцию быть особенно химически стабильными в результате сильных ковалентных связей. ^[95]

Кварц (SiO ₂ ), составляющий 12% земной коры, является наиболее распространенным минеральным видом. Он характеризуется высоким химическим и физическим сопротивлением. Кварц имеет несколько полиморфов, включая тридимит и кристобалит при высоких температурах, коэсит высокого давления и стишовит сверхвысокого давления . Последний минерал может образоваться на Земле только в результате ударов метеорита, и его структура была составлена ​​настолько сильно, что она изменилась с силикатной на структуру рутила (TiO ₂). Полиморф кремнезема, который наиболее стабилен на поверхности Земли, - это α-кварц. Его аналог, β-кварц, присутствует только при высоких температурах и давлениях (превращается в α-кварц при температуре ниже 573 ° C при давлении 1 бар). Эти два полиморфа отличаются «изгибом» связей; это изменение структуры придает β-кварцу большую симметрию, чем α-кварц, поэтому их также называют высококварцем (β) и низким кварцем (α). ^{[90] [96]}

Полевые шпаты - самая распространенная группа в земной коре, составляющая около 50%. В полевых шпатах Al ³⁺ заменяет Si ⁴⁺ , что создает дисбаланс заряда, который необходимо учитывать добавлением катионов. Основная структура становится либо [AlSi ₃ O ₈ ] ^-, либо [Al ₂ Si ₂ O ₈ ] ^2-. Есть 22 минеральных вида полевых шпатов, которые подразделяются на две основные подгруппы - щелочные и плагиоклаз - и две менее распространенные группы - целизиан и баналсит. . Щелочные полевые шпаты чаще всего находятся в ряду между богатым калием ортоклазом и богатым натрием альбитом.; в случае плагиоклаза наиболее распространенная серия колеблется от альбита до богатого кальцием анортита . Двойникование кристаллов является обычным явлением в полевых шпатах, особенно полисинтетических двойниках в плагиоклазе и двойниках Карловых Вар в щелочных полевых шпатах. Если последняя подгруппа медленно охлаждается из расплава, она образует ламели распада, поскольку два компонента - ортоклаз и альбит - нестабильны в твердом растворе. Масштаб распада может быть от микроскопического до легко наблюдаемого в ручном образце; Пертитовая текстура образуется, когда богатый натрием полевой шпат растворяется в богатой калием хозяине. Противоположная текстура (антипертитовая), когда богатый калием полевой шпат выделяется из богатого натрием хозяина, встречается очень редко. ^[97]

Фельдшпатоиды структурно похожи на полевой шпат, но отличаются тем, что они образуются в условиях дефицита Si, что позволяет в дальнейшем замещать их на Al ³⁺ . В результате фельдшпатоиды нельзя ассоциировать с кварцем. Типичный пример полевого шпата - нефелин ((Na, K) AlSiO ₄ ); по сравнению со щелочным полевым шпатом нефелин имеет соотношение Al ₂ O ₃ : SiO ₂ 1: 2, в отличие от 1: 6 в полевом шпате. ^[98]Цеолиты часто имеют характерные формы кристаллов, встречающиеся в иглах, пластинах или глыбовых массах. Они образуются в присутствии воды при низких температурах и давлениях и имеют в своей структуре каналы и пустоты. Цеолиты имеют несколько промышленных применений, особенно при очистке сточных вод. ^[99]

Филлосиликаты

Филлосиликаты состоят из листов полимеризованных тетраэдров. Они связаны в трех кислородных центрах, что дает характерное соотношение кремний: кислород 2: 5. Важные примеры включают в себя слюду , хлорит , и каолинит - змеиные группы. Листы слабо связаны силами Ван-дер-Ваальса или водородными связями , что вызывает кристаллографическую слабость, что в свою очередь приводит к заметному базальному расщеплению среди филлосиликатов. ^[100] Помимо тетраэдров, у филлосиликатов есть лист октаэдров (элементы в шестикратной координации кислородом), которые уравновешивают основные тетраэдры, которые имеют отрицательный заряд (например, [Si ₄ O₁₀ ] ^4- ) Эти тетраэдрические (T) и октаэдрические (O) листы уложены друг на друга в различных комбинациях для создания филлосиликатных групп. Внутри октаэдрического листа есть три октаэдрических узла в единичной структуре; однако не все сайты могут быть заняты. В этом случае минерал называется диоктаэдрическим, а в другом случае - триоктаэдрическим. ^[101]

Каолинит-серпентиновая группа состоит из стопок ТО (глинистые минералы 1: 1); их твердость колеблется от 2 до 4, так как листы удерживаются водородными связями. Глинистые минералы 2: 1 (пирофиллит-тальк) состоят из стопок TOT, но они более мягкие (твердость от 1 до 2), так как они удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса. Эти две группы минералов подгруппированы октаэдрическим заполнением; в частности, каолинит и пирофиллит являются диоктаэдрическими, тогда как серпентин и тальк - триоктаэдрическими. ^[102]

Слюды также являются филлосиликатами с TOT-стопкой, но отличаются от других членов подкласса с TOT и TO-стопкой тем, что они включают алюминий в тетраэдрические листы (глинистые минералы содержат Al ³⁺ в октаэдрических участках). Обычными примерами слюд являются мусковит и серия биотита . Группа хлорита связана с группой слюды, но между стопками TOT находится бруситоподобный (Mg (OH) ₂ ) слой. ^[103]

Из-за своей химической структуры филлосиликаты обычно имеют гибкие, эластичные, прозрачные слои, которые являются электрическими изоляторами и могут быть разделены на очень тонкие чешуйки. Слюду можно использовать в электронике в качестве изоляторов, в строительстве, в качестве оптического наполнителя или даже в косметике. Хризотил, разновидность серпентина, является наиболее распространенным минеральным видом промышленного асбеста, поскольку он менее опасен для здоровья, чем амфиболовый асбест. ^[104]

Инозиликаты

Иносиликаты состоят из тетраэдров, многократно связанных в цепочки. Эти цепи могут быть одиночными, когда тетраэдр связан с двумя другими, образуя непрерывную цепочку; в качестве альтернативы, две цепи можно объединить с образованием двухцепочечных силикатов. Одноцепочечные силикаты имеют соотношение кремний: кислород 1: 3 (например, [Si ₂ O ₆ ] ^4– ), тогда как двухцепочечные силикаты имеют соотношение 4:11, например [Si ₈ O ₂₂ ] ^12– . Иносиликаты содержат две важные группы породообразующих минералов; одноцепочечные силикаты чаще всего представляют собой пироксены , а двухцепочечные силикаты часто представляют собой амфиболы . ^[105]Существуют цепи более высокого порядка (например, трехчленные, четырехчленные, пятичленные цепи и т. Д.), Но они встречаются редко. ^[106]

Группа пироксенов состоит из 21 вида минералов. ^[107] Пироксены имеют общую структурную формулу XY (Si ₂ O ₆ ), где X - октаэдрический участок, а Y может варьироваться по координационному числу от шести до восьми. Большинство разновидностей пироксена состоят из перестановок Ca ²⁺ , Fe ²⁺ и Mg ²⁺ для уравновешивания отрицательного заряда в основной цепи. Пироксены распространены в земной коре (около 10%) и являются ключевым компонентом основных магматических пород. ^[108]

Химический состав амфиболов очень разнообразен, и их можно описать как «минералогический мусорный бак» или «минералогическую акулу, плывущую по морю элементов». Основой амфиболов является [Si ₈ O ₂₂ ] ¹²⁻ ; он уравновешен катионами в трех возможных положениях, хотя третье положение используется не всегда, и один элемент может занимать оба оставшихся. Наконец, амфиболы обычно гидратированы, то есть у них есть гидроксильная группа ([OH] ^- ), хотя она может быть заменена фторидом, хлоридом или ионом оксида. ^[109] Из-за различного химического состава существует более 80 видов амфибола, хотя вариации, как и в пироксенах, чаще всего включают смеси Ca ²⁺ , Fe²⁺ и Mg ²⁺ . ^[107] Некоторые виды минералов амфибола могут иметь форму кристаллов асбестообразной формы . Эти минералы асбеста образуют длинные, тонкие, гибкие и прочные волокна, которые являются электрическими изоляторами, химически инертными и термостойкими; как таковые, они имеют несколько применений, особенно в строительных материалах. Однако асбест - известные канцерогены, вызывающие различные другие заболевания, такие как асбестоз ; Амфиболовый асбест ( антофиллит , тремолит , актинолит , грюнерит и рибекит ) считается более опасным, чем хризотиловый серпентиновый асбест.^[110]

Циклосиликаты

Циклосиликаты или кольцевые силикаты имеют отношение кремния к кислороду 1: 3. Чаще всего встречаются шестичленные кольца с базовой структурой [Si ₆ O ₁₈ ] ^12- ; примеры включают турмалиновую группу и берилл . Существуют и другие кольцевые структуры, с описанием 3, 4, 8, 9, 12. ^[111] Циклосиликаты имеют тенденцию быть прочными, с удлиненными полосатыми кристаллами. ^[112]

Турмалины имеют очень сложный химический состав, который можно описать общей формулой XY ₃ Z ₆ (BO ₃ ) ₃ T ₆ O ₁₈ V ₃ W. T ₆ O ₁₈ - это основная кольцевая структура, где T обычно представляет собой Si ⁴⁺ , но заменяется Al ₃₊ или B ³⁺. Турмалины можно разделить на подгруппы по степени занятости сайта X, а оттуда далее подразделять по химическому составу сайта W. В позициях Y и Z могут размещаться различные катионы, особенно различные переходные металлы; эта изменчивость в содержании структурных переходных металлов придает турмалиновой группе большую изменчивость цвета. Другие циклосиликаты включают берилл, Al ₂ Be ₃ Si ₆ O ₁₈ , разновидности которого включают изумруд (зеленый) и аквамарин (голубоватый). Кордиерит структурно похож на берилл и является обычным метаморфическим минералом. ^[113]

Соросиликаты

Соросиликаты, также называемые дисиликатами, имеют связь тетраэдр-тетраэдр у одного кислорода, что приводит к соотношению кремния и кислорода 2: 7. Результирующим общим структурным элементом является группа [Si ₂ O ₇ ] ^6– . Наиболее распространенные дисиликаты на сегодняшний день относятся к группе эпидота . Эпидоты встречаются в различных геологических условиях, от срединно-океанических хребтов до гранитов и метапелитов . Эпидоты построены вокруг структуры [(SiO ₄ ) (Si ₂ O ₇ )] ^10– ; например, минеральный вид эпидот содержит кальций, алюминий и трехвалентное железо для баланса заряда: Ca ₂ Al₂ (Fe ³⁺ , Al) (SiO ₄ ) (Si ₂ O ₇ ) O (OH). Присутствие железа в виде Fe ³⁺ и Fe ²⁺ помогает понять летучесть кислорода , которая, в свою очередь, является важным фактором петрогенеза. ^[114]

Другие примеры соросиликатов включают лавсонит , метаморфический минерал, образующийся в фации голубого сланца (зона субдукции с низкой температурой и высоким давлением), везувианит , который занимает значительное количество кальция в своей химической структуре. ^{[114] [115]}

Ортосиликаты

Ортосиликаты состоят из изолированных тетраэдров, у которых заряд уравновешен другими катионами. ^[116] Также называемые несиликатами, этот тип силиката имеет соотношение кремний: кислород 1: 4 (например, SiO ₄ ). Типичные ортосиликаты имеют тенденцию образовывать блочные равные кристаллы и довольно твердые. ^[117] Некоторые породообразующие минералы являются частью этого подкласса, такие как алюмосиликаты, группа оливина и группа граната.

Алюмосиликаты - бкианит, андалузит и силлиманит, все Al ₂ SiO ₅ - структурно состоят из одного тетраэдра [SiO ₄ ] ^4– и одного Al ³⁺ в октаэдрической координации. Остающийся Al ³⁺ может иметь шестикратную координацию (кианит), пятикратную (андалузит) или четырехкратную (силлиманит); какие минеральные формы в данной среде зависят от давления и температурных условий. В структуре оливина основная серия оливина (Mg, Fe) ₂ SiO ₄ состоит из богатого магнием форстерита и богатого железом фаялита. И железо, и магний находятся в октаэдрическом состоянии по кислороду. Существуют и другие минеральные виды, имеющие такую ​​структуру, например тефроит., Mn ₂ SiO ₄ . ^[118] Гранатовая группа имеет общую формулу X ₃ Y ₂ (SiO ₄ ) ₃ , где X представляет собой большой катион с восьмигранной координацией, а Y представляет собой меньший катион с шестиконечной координацией. Существует шесть идеальных концевых частей граната, разделенных на две группы. Пиралспитовые гранаты содержат Al ³⁺ в позиции Y: пироп (Mg ₃ Al ₂ (SiO ₄ ) ₃ ), альмандин (Fe ₃ Al ₂ (SiO ₄ ) ₃ ) и спессартин.(Mn ₃ Al ₂ (SiO ₄ ) ₃ ). Гранаты уграндита содержат Ca ²⁺ в позиции X: уваровит (Ca ₃ Cr ₂ (SiO ₄ ) ₃ ), гроссуляр (Ca ₃ Al ₂ (SiO ₄ ) ₃ ) и андрадит (Ca ₃ Fe ₂ (SiO ₄ ) ₃ ). . Хотя существует две подгруппы граната, твердые растворы существуют между всеми шестью конечными элементами. ^[116]

Другие ортосиликаты включают циркон , ставролит и топаз . Циркон (ZrSiO ₄ ) полезен в геохронологии, поскольку Zr ⁴⁺ может быть заменен на U ⁶⁺ ; кроме того, из-за очень прочной конструкции его сложно настроить как хронометр. Ставролит - распространенный метаморфический минерал среднего содержания. Он имеет особенно сложную кристаллическую структуру, которая была полностью описана только в 1986 году. Топаз (Al ₂ SiO ₄ (F, OH) ₂ , часто встречающийся в гранитных пегматитах, связанных с турмалином , является обычным минералом драгоценных камней ^[119]).

Несиликаты

Родные элементы

Природные элементы - это те, которые химически не связаны с другими элементами. В эту группу минералов входят самородные металлы , полуметаллы и неметаллы, а также различные сплавы и твердые растворы. Металлы удерживаются вместе металлической связью, которая придает отличительные физические свойства, такие как их блестящий металлический блеск, пластичность и ковкость, а также электропроводность. Самородные элементы подразделяются на группы по их структуре или химическим свойствам.

Группа золота с кубической плотноупакованной структурой включает такие металлы, как золото, серебро и медь. Платиновая группа аналогична по структуре золотой группе. Группа железо-никель характеризуется несколькими видами сплавов железо-никель. Двумя примерами являются камасит и тенит , которые встречаются в железных метеоритах; эти разновидности различаются количеством Ni в сплаве; камасит содержит менее 5–7% никеля и представляет собой разновидность самородного железа., а содержание никеля в тэните колеблется в пределах 7–37%. Минералы группы мышьяка состоят из полуметаллов, которые имеют только некоторые металлические свойства; например, им не хватает ковкости металлов. Самородный углерод встречается в двух аллотропах, графите и алмазе; последний образуется при очень высоком давлении в мантии, что придает ему гораздо более прочную структуру, чем графит. ^[120]

Сульфиды

В сульфидные минералы представляют собой химические соединения одного или более металлов или полуметаллов с серой; теллур, мышьяк или селен могут заменить серу. Сульфиды - это мягкие, хрупкие минералы с высоким удельным весом. Многие порошковые сульфиды, такие как пирит, при измельчении имеют сернистый запах. Сульфиды подвержены выветриванию, и многие из них легко растворяются в воде; эти растворенные минералы могут быть позже переотложены, что создает месторождения обогащенной вторичной руды. ^[121] Сульфиды классифицируются по соотношению металла или полуметалла к сере, например M: S, равному 2: 1 или 1: 1. ^[122] Многие сульфидные минералы экономически важны как металлические руды ; примеры включают сфалерит(ZnS), руда цинка, галенита (PbS), руда свинца, киновари (HgS), руда ртути и молибденита (MoS ₂ , руда молибдена. ^[123] Пирит (FeS ₂ ) - это наиболее часто встречающийся сульфид, и его можно найти в большинстве геологических сред. Однако это не железная руда, а вместо этого может быть окислена с образованием серной кислоты. ^[124] К сульфидам относятся редкие сульфосоли , в которых металлический элемент связан с серой и полуметаллом, таким как сурьма , мышьяк или висмут. Как и сульфиды, сульфосоли обычно представляют собой мягкие, тяжелые и хрупкие минералы. ^[125]

Оксиды

Оксидные минералы делятся на три категории: простые оксиды, гидроксиды и множественные оксиды. Простые оксиды характеризуются О ^{2 -} как основным анионом и в первую очередь ионной связью. Их можно дополнительно разделить по соотношению кислорода к катионам. Группа периклаза состоит из минералов в соотношении 1: 1. Оксиды с соотношением 2: 1 включают куприт (Cu ₂ O) и водяной лед. Минералы группы корунда имеют соотношение 2: 3 и включают такие минералы, как корунд (Al ₂ O ₃ ) и гематит (Fe ₂ O ₃ ). Минералы группы рутила имеют соотношение 1: 2; одноименный вид, рутил (TiO₂ ) главная руда титана ; другие примеры включают касситерит (SnO ₂ ; руда олова ) и пиролюзит (MnO ₂ ; руда марганца ). ^{[126] [127]} В гидроксидах доминирующим анионом является гидроксильный ион ОН ^- . Бокситы являются основной алюминиевой рудой и представляют собой гетерогенную смесь гидроксидных минералов диаспора , гиббсита и бомита ; они образуются в районах с очень высокой скоростью химического выветривания (в основном в тропических условиях). ^[128] Наконец, множественные оксиды - это соединения двух металлов с кислородом. Основную группу в этом классе составляют шпинели с общей формулой X ²⁺ Y ³⁺ ₂ O ₄ . Примеры разновидностей включают шпинель (MgAl ₂ O ₄ ), хромит (FeCr ₂ O ₄ ) и магнетит (Fe ₃ O ₄ ). Последний легко отличить по его сильному магнетизму, который возникает, поскольку он имеет железо в двух степенях окисления (Fe ²⁺ Fe ³⁺ ₂ O ₄), что делает его множественным оксидом вместо одного оксида. ^[129]

Галогениды

В галогениды являются соединения , в которых атом галогена (фтор, хлор, йод или бром) является основным анионом. Эти минералы обычно мягкие, непрочные, хрупкие и водорастворимые. Общие примеры галогенидов включают галит (NaCl, поваренная соль), сильвит (KCl), флюорит (CaF ₂ ). Галит и сильвин обычно образуются в виде эвапоритов и могут быть доминирующими минералами в химических осадочных породах. Криолит Na ₃ AlF ₆ является ключевым минералом при извлечении алюминия из бокситов ; однако, как единственное значительное событие в Ивиттууте , Гренландия, в гранитном пегматите был обеднен, синтетический криолит может быть получен из флюорита. ^[130]

Карбонаты

В карбонатных минералов являются те , в которых основной анионной группой вл етс карбонат, [CO ₃ ] ^2- . Карбонаты имеют тенденцию быть хрупкими, многие из них имеют ромбоэдрическое расщепление и все реагируют с кислотой. ^[131] Из-за последней характеристики полевые геологи часто используют разбавленную соляную кислоту, чтобы отличить карбонаты от некарбонатов. Реакция кислоты с карбонатами, чаще всего встречающимися в виде полиморфного кальцита и арагонита (CaCO ₃ ), связана с растворением и осаждением минерала, который играет ключевую роль в образовании известняковых пещер, таких как сталактит и сталагмиты. , и карстформы рельефа. Карбонаты чаще всего образуются в морской среде в виде биогенных или химических отложений. Карбонатная группа структурно представляет собой треугольник, в котором центральный катион C ⁴⁺ окружен тремя анионами O ^2- ; различные группы минералов образуются из разного расположения этих треугольников. ^[132] Наиболее распространенным карбонатным минералом является кальцит, который является основным компонентом осадочного известняка и метаморфического мрамора. Кальцит, CaCO ₃ , может иметь высокое содержание магния. В условиях высокого содержания магния вместо этого образуется его полиморфный арагонит; морская геохимия в этом отношении может быть описана как море арагонита или кальцита , в зависимости от того, какой минерал преимущественно образуется.Доломит представляет собой двойной карбонат с формулой CaMg (CO ₃ ) ₂ . Обычна вторичная доломитизация известняка, при которой кальцит или арагонит превращаются в доломит; эта реакция увеличивает поровое пространство (объем элементарной ячейки доломита составляет 88% от объема кальцита), что может создать резервуар для нефти и газа. Эти два минеральных вида являются членами одноименных минеральных групп: группа кальцита включает карбонаты с общей формулой XCO ₃ , а группа доломита представляет собой минералы с общей формулой XY (CO ₃ ) ₂ . ^[133]

Сульфаты

Все сульфатные минералы содержат сульфат-анион [SO ₄ ] ^2- . Они, как правило, от прозрачного до полупрозрачного, мягкие, а многие из них хрупкие. ^[134] Сульфатные минералы обычно образуются в виде эвапоритов , где они выпадают в осадок из испаряющихся соленых вод. Сульфаты также могут быть обнаружены в системах гидротермальных жил, связанных с сульфидами ^[135] или как продукты окисления сульфидов. ^[136] Сульфаты можно разделить на безводные и водные минералы. Наиболее распространенный водный сульфат - это гипс , CaSO ₄ ⋅2H _2.О. Он образует эвапорит и связан с другими эвапоритами, такими как кальцит и галит; если он включает песчинки в процессе кристаллизации, гипс может образовывать розы пустыни . Гипс имеет очень низкую теплопроводность и сохраняет низкую температуру при нагревании, поскольку он теряет это тепло в результате обезвоживания; как таковой гипс используется в качестве изолятора в таких материалах, как гипс и гипсокартон. Безводный эквивалент гипса - ангидрит ; он может образовываться непосредственно из морской воды в сильно засушливых условиях. Группа барита имеет общую формулу XSO ₄ , где X представляет собой большой 12-координированный катион. Примеры включают барит (BaSO ₄ ), целестин (SrSO ₄ ) и англезит.(PbSO ₄ ); ангидрит не входит в группу барита, так как более мелкий Ca ²⁺ имеет только восьмикратную координацию. ^[137]

Фосфаты

В фосфатных минералах характеризуются тетраэдрическим [PO ₄ ] ^3- единицы, хотя структура может быть обобщена, и фосфор заменяются сурьма, мышьяк, или ванадий. Самый распространенный фосфат - группа апатита ; распространенными видами в этой группе являются фторапатит (Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ F), хлорапатит (Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ Cl) и гидроксилапатит (Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ (OH)). Минералы этой группы являются основными кристаллическими составляющими зубов и костей позвоночных. Относительно обильный монацитГруппа имеет общую структуру ATO ₄ , где T - фосфор или мышьяк, а A - часто редкоземельный элемент (REE). Монацит важен по двум причинам: во-первых, как «поглотитель» РЗЭ, он может концентрировать эти элементы в достаточной степени, чтобы превратиться в руду; во-вторых, элементы группы монацита могут включать относительно большие количества урана и тория, которые можно использовать в геохронологии монацита для датирования породы на основе распада U и Th на свинец. ^[138]

Органические минералы

Классификация Струнца включает класс органических минералов . Эти редкие соединения содержат органический углерод , но могут образоваться в результате геологического процесса. Так , например, whewellite , СаС ₂ O ₄ ⋅H ₂ О является оксалат , который может быть нанесен в гидротермальных рудных жил. Хотя гидратированный оксалат кальция можно найти в угольных пластах и ​​других осадочных отложениях, содержащих органические вещества, считается, что гидротермальные явления не связаны с биологической активностью. ^[88]

Последние достижения

Схемы классификации минералов и их определения развиваются, чтобы соответствовать последним достижениям минераловедения. Недавние изменения включали добавление органического класса как в новую классификационную схему Даны, так и в схему Струнца . ^{[139] [140]} Органический класс включает очень редкую группу минералов с углеводородами . Комиссия IMA по новым минералам и названиям минералов приняла в 2009 году иерархическую схему наименования и классификации групп минералов и названий групп и учредила семь комиссий и четыре рабочие группы для обзора и классификации минералов в официальный список их опубликованных названий. ^{[141] [142]} Согласно этим новым правилам, «минеральные виды могут быть сгруппированы по-разному, на основе химического состава, кристаллической структуры, встречаемости, ассоциации, генетической истории или ресурсов, например, в зависимости от цели, которую должен выполнять классификация ". ^[141]

Астробиология

Было высказано предположение, что биоминералы могут быть важными индикаторами внеземной жизни и, таким образом, могут играть важную роль в поисках прошлой или настоящей жизни на планете Марс . Кроме того, считается , что органические компоненты ( биосигнатуры ), которые часто связаны с биоминералами, играют решающую роль как в пребиотических, так и в биотических реакциях. ^[143]

В январе 2014 года НАСА сообщило , что в настоящее время исследования, проведенным Curiosity и Opportunity марсоход на Марсе будет искать доказательства древней жизни, в том числе биосферы на основе автотрофные , хемотрофные и / или chemolithoautotrophic микроорганизмов , а также древнюю воды, в том числе реки-озерные сред ( равнины, относящиеся к древним рекам или озерам ), которые могли быть обитаемыми . ^{[144] [145] [146] [147]} Поиск свидетельств обитаемости, тафономия (относящаяся к окаменелостям ) и органический углерод на планете Марс стали основной целью НАСА . ^{[144] [145]}

Смотрите также

Примечания

Рекомендации

Общие ссылки

• Басби, AB; Coenraads, RE; Корни, D .; Уиллис, П. (2007). Камни и окаменелости . Сан-Франциско: Fog City Press. ISBN 978-1-74089-632-0.
• Честерман, CW; Лоу, KE (2008). Полевой справочник по породам и минералам Северной Америки . Торонто: Случайный дом Канады. ISBN 978-0394502694.
• Дьяр, доктор медицины; Гюнтер, Мэн (2008). Минералогия и оптическая минералогия . Шантильи, Вирджиния: Минералогическое общество Америки . ISBN 978-0939950812.

дальнейшее чтение

• Хазен, РМ; Грю, Эдвард С .; Ориглиери, Маркус Дж .; Даунс, Роберт Т. (март 2017 г.). «О минералогии« эпохи антропоцена » » (PDF) . Американский минералог . 102 (3): 595. Bibcode : 2017AmMin.102..595H . DOI : 10,2138 / ч 2017-5875 . S2CID  111388809 . Проверено 14 августа 2017 года . О создании новых минералов в результате деятельности человека.

внешняя ссылка

Викискладе есть медиафайлы по теме минералов .

В Wikibook Historical Geology есть страница по теме: Минералы

У старшей школы наук о Земле Викибука есть страница по теме: Минералы Земли

• Минералогическая база данных Миндат , крупнейшая база данных минералов в Интернете
• «База данных минералогии» Дэвида Бартелми (2009)
• Минералогическое общество Америки "Ключ идентификации минералов II"
• "База данных американских минералогов о кристаллической структуре"
• Минералы и происхождение жизни ( Роберт Хейзен , НАСА ) (видео, 60м, апрель 2014 г.).
• Частная жизнь полезных ископаемых: выводы из минералогии больших данных (Роберт Хазен, 15 февраля 2017 г.)