САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
А.Г.БУЛАХ
ЕШШШХШ Рекомендовано Учебно-методическим объединением универ...
46 downloads
260 Views
9MB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
А.Г.БУЛАХ
ЕШШШХШ Рекомендовано Учебно-методическим объединением университетов России в качестве учебника для студентов университетов, обучающихся по направлению «Геология»
ИЗДАТЕЛЬСТВО С.-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 19 9 9
У Д К 549.2/8:548 Б Б К 26.303 Б90 Рецензенты:
кафедра минералогии, кристаллографии, петрографии С П б Г Г И (зав. кафедрой проф. Ю- Б. Марин), академик Р А Н И. П. Юшкин (Сыктывкар ский горный ин-т)
Печатается по постановлению Редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного университета
Б90
Б у л а х А.Г. Общая минералогия. Изд. второе, испр. и перераб.: Учебник.— С П б . : И з д - в о С . - П е т е р б . ун-та, 1999. 356 с. ISBN 5-288-01757-3 Изложены основы учения о кристаллографических особенностях минералов. Описаны'физические свойства минералов, их диагностические признаки. Рас смотрены главнейшие типы минеральных месторождений, начала прикладной и поисковой минералогии и главные области промышленного использования ми нералов. Приведен краткий обзор методов минералогических исследований, ис пользуемых при поисках, разведке и разработке месторождений полезных иско паемых. Д л я студентов геологических специальностей университетов, политехниче ских и горных институтов.
Т е м . п л а н 1 9 9 9 г., № 138
ISBN 5-288-01757-3
Б Б К 26.303
©
А. Г. Булах, 1999
©
Издательство С.-Петербургского университета, 1999
К СТУДЕНТАМ
В ваших руках учебник минералогии, а впереди первые трудные профессиональные испытания. Они будут связаны с проверкой ва шей памяти и наблюдательности. Дело в том, что на первом и втором курсах минералогия преподается лишь как азбука, без ко торой нельзя сложить слов знания по другим геологическим пред метам. Только букв в этой азбуке очень много. Вы познакомитесь почти с двумястами минералами, и у каждого из них своя хими ческая формула, свои свойства и минералы-спутники, свои условия образования. Хорошо, если вы уверены в выборе своей специально сти и что-то знаете о ней, а если нет? Частокол разобщенных и порой логически не взаимосвязанных сведений о минералах, внеш няя схожесть многих из них, сложность их распознавания при отсутствии навыков, — все это может превратиться для вас в ту преграду, за которой вы так и не увидите широких горизон тов своей специальности. И все же в любом случае минералогия наградит вас встречами с прекрасным. Горный хрусталь, сверкаю щие зернистые массы свинцовых руд, совершенные кристаллы раз ных минералов, самоцветы... Такие соприкосновения с волшебным миром камня будут наградой вам в вашем практическом знаком стве с минералами по учебным коллекциям, в музеях и в ваших собственных поездках и экспедициях. В учебнике изложен только самый необходимый материал, на писан он с максимально возможным упрощением и освобождением от специальных и особенно от сорных терминов и латинизирован ных словоизощрений. Однако автору хотелось бы узнать от вас, студентов, ваши замечания и пожелания по улучшению его содер жания. Итак, впереди трудный путь. И чтобы его успешно преодолеть, необходимы упорство, самоорганизованность и любознательность.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Первый р а з этот учебник б ы л издан в 1989 г. под названием " М и н е р а л о г и я с осно вами к р и с т а л л о г р а ф и и " . Он сразу з а в о е в а л популярность среди студентов и т у т ж е п р е в р а т и л с я в библиографическую редкость. Теперь книга дополнена и исправлена, она ориентирована на подготовку б а к а л а в р о в геологии. Н о все особенности первого издания сохранены без изменений. Во-первых, это наличие обзорных р а з д е л о в по к р и с т а л л о г р а ф и и . Во-вторых, состав минералов т р а к т у е т с я с современных позиций учения о и з о м о р ф и з м е . В-третьих, в отличие от того, ч т о в с т а р ы х учебниках по минералогии всегда приводилась всеобъемлющая х а р а к т е р и с т и к а м и н е р а л о в справоч ного х а р а к т е р а , здесь и з л о ж е н л и ш ь учебный м а т е р и а л . В новом издании более полно показаны в о з м о ж н о с т и п р и к л а д н о й м и н е р а л о г и и — п о и с к о в о й , технологической, тех нической, медицинской, введены р а з д е л ы о микромире минералов, увеличено с учетом советов и п о ж е л а н и й студентов число иллюстраций. Автор с т р е м и л с я и з л о ж и т ь м а т е р и а л наиболее просто и т а к и м образом, чтобы по з в о л и т ь студенту любой специальности исключить из ч т е н и я любой р а з д е л , не ка сающийся п р о г р а м м ы к у р с а минералогии в его институте или университете, а пре п о д а в а т е л ю — д а т ь в о з м о ж н о с т ь легко д о п о л н я т ь этот учебник своим о р и г и н а л ь н ы м материалом. Автор учёл з а м е ч а н и я и советы Н . Б . А б а к у м о в о й , А . Э . Г л и к и н а , Д . П . Г р и г о р ь ева, А . А . З о л о т а р ё в а , В . Г . К р и в о в и ч е в а , Д . Ю . П а в л о в а , Б . И . П и р о г о в а , Ю . О . П у н и на, Н. С. Рудашевского, Г. М. СаранчиноЙ, Е. Б . Трейвуса, А. В. Уханова, В . Ю . Эшкина и искренне благодарен им. А в т о р ы оригинальных р и с у н к о в — Д . В . Доливо-Доб ровольский, Г . Ю . И в а н ю к , А . А . З о л о т а р ё в , М . А . И в а н о в , В . В . Г о р д и е н к о , ф о т о г р а ф и й — А. Р. Нестеров, Н И . К р а с н о в а , И. М. П и с к и ж о в , Ю . О. Пунин. Все ф о т о г р а ф и и сделаны с образцов м у з е я к а ф е д р ы минералогии Санкт-Петербургского университета (в этой связи рекомендуем студентам интересные книги Г. Ф. Анастасенко (СПб., 1993) и Г. Ф. Анастасенко и В. Г. К р и в о в и ч е в а (СПб., 1998) об этой минералогической кол лекции). К о м п ь ю т е р н а я г р а ф и к а подготовлена А . А . З о л о т а р ё в ы м , к о м п ь ю т е р н ы й на бор рукописи выполнен А. А. З о л о т а р ё в ы м и В. Н. Гулием. А в т о р глубоко благодарен им з а этот творческий в к л а д в создание учебника. С большой п р и з н а т е л ь н о с т ь ю з а помощь и высокий профессионализм в работе автор н а з ы в а е т т а к ж е и м я р е д а к т о р а книги Л . П . М а к а р е н к о в о й . Автор не м о ж е т не вспомнить здесь Д м и т р и я Андреевича Минеева, сделавшего р е а л ь н ы м первое издание учебника, и не о т м е т и т ь действенную помощь Д . В. Г р и ч у к а н а трудном и долгом пути автора к второму изданию книги. Все з а м е ч а н и я и советы автор просит н а п р а в л я т ь по адресу: 199034. С.-Петербург, Университетская наб., д. 7 / 9 , Университет, геологический ф а к у л ь т е т , к а ф е д р а мине ралогии.
Глава 1 ПРЕДМЕТ И ИСТОРИЯ
МИНЕРАЛОГИИ
ОБЪЕКТЫ И СОДЕРЖАНИЕ МИНЕРАЛОГИИ
И з к у р с а общей геологии известно, что горные породы и руды состоят из мине р а л о в . Н а п р и м е р , м и н е р а л ы м и к р о к л и н , биотит, альбит, к в а р ц я в л я ю т с я г л а в н ы м и составными ч а с т я м и гранитов, гематит, м а г н е т и т — г л а в н ы м и м и н е р а л а м и н е к о т о р ы х ж е л е з н ы х руд. Ч т о ж е т а к о е минералогия и что я в л я е т с я объектом ее изучения? Л ю б а я н а у к а находится в постоянном развитии, м е н я ю т с я ее цели, о б ъ е к т ы , ме тоды. Ч а с т ь т р а д и ц и о н н ы х объектов исследования отходит в область д р у г и х наук, вза мен п о я в л я ю т с я новые. П о н я т и е " м и н е р а л " и содержание науки минералогии т а к ж е м е н я ю т с я во времени. Поэтому существуют р а з л и ч н ы е определения п о н я т и я " м и н е р а л " , отвечающие р а з н ы м подходам и тенденциям р а з в и т и я науки. М ы ж е будем от носить к м и н е р а л а м природные химические соединения к р и с т а л л и ч е с к о й с т р у к т у р ы , например к в а р ц , о р т о к л а з , гематит. И х около 3500-4000, и все они я в л я ю т с я п р я м ы м и , о б я з а т е л ь н ы м и и простыми по сути определения м и н е р а л а о б ъ е к т а м и минера логии. Но это не единственный предмет изучения в минералогии. Т а к ж е к п р я м ы м , но у с л о ж н е н н ы м ее о б ъ е к т а м следует отнести к а п е л ь к и ж и д к о й р т у т и , иногда находи м ы е в м е с т о р о ж д е н и я х киновари; газовые, ж и д к и е , смешанные в к л ю ч е н и я , образую щиеся в природных к р и с т а л л а х минералов во в р е м я их роста; а м о р ф н ы е или ч а с т и ч н о а м о р ф н ы е п р о д у к т ы радиогенного с а м о р а с п а д а некоторых м и н е р а л о в у р а н а и т о р и я ; опал к а к ф о р м у существования в виде твердого коллоидного р а с т в о р а д в у х минера лов (кристобалита и т р и д и м и т а ) , — все это закономерные п р о д у к т ы ж и з н и м и н е р а л о в . Х о т я они не о б я з а т е л ь н о имеют к р и с т а л л и ч е с к о е строение и не всегда я в л я ю т с я ин д и в и д у а л ь н ы м и химическими веществами, они не могут б ы т ь и с к л ю ч е н ы из рассмо т р е н и я явлений минералообразования и и з ъ я т ы из минералогии. Т а к ж е к п р я м ы м , но д о п о л н я ю щ и м о б ъ е к т а м минералогии о т н о с я т с я горные породы, р у д ы , м и н е р а л ь н ы е м е с т о р о ж д е н и я и другие геологические о б ъ е к т ы , т а к к а к вне с в я з и с ними минерало гия не т о л ь к о т е р я е т с м ы с л геологической науки, но г л а в н о е — л и ш а е т с я начального источника и н ф о р м а ц и и об условиях образования минералов в природе. Все э т о обяза т е л ь н ы е о б ъ е к т ы минералогии. В то ж е в р е м я л е д (минерал, по нашему определению) я в л я е т с я о б ъ е к т о м гляцио логии и грунтоведения; о к с а л а т ы , ф о с ф а т ы , у р а т ы , слагающие к а м н и в п о ч к а х чело в е к а , — о б ъ е к т ы изучения к а к в медицине, т а к и в особой ветви минералогии, называ емой биоминералогией, т . е . это общие сейчас о б ъ е к т ы р а з н ы х наук. Еще менее определенно п о л о ж е н и е тех природных химических соединений к р и с т а л лической с т р у к т у р ы , к о т о р ы е искусственно получены человеком и л и ф о р м и р у ю т с я в результате явлений самопроизвольного преобразования в естественных у с л о в и я х р а з л и ч н ы х техногенных продуктов, н а п р и м е р в ходе самовозгорания т е р р и к о н о в , хими ческих превращений захороненных отходов производства, взаимодействия ф и л ь т р а т о в 5
сточных вод с грунтами. Большинство исследователей не считают эти процессы гео логическими и не относят эти вещества к м и н е р а л а м — э т о н е о б я з а т е л ь н ы е (спорные) о б ъ е к т ы минералогии. "Спорность" здесь, однако, не у к а з ы в а е т н а н е н у ж н о с т ь их исследования. З а г а д к а многих природных процессов м и н е р а л о о б р а з о в а н и я решается при изучении этих объектов, просто они у ж е н а х о д я т с я в области п е р е к р ы т и я инте ресов минералогии с другими науками, где последние порой играют ведущую р о л ь . В этом учебнике они не р а с с м а т р и в а ю т с я . У ч и т ы в а я все условности границ, м ы будем считать м и н е р а л а м и т о л ь к о т е при родные химические соединения кристаллической с т р у к т у р ы , к о т о р ы е образовались в ходе геологических процессов н а З е м л е или сходных процессов н а д р у г и х космических телах, понимая в то ж е в р е м я условность и того, что надо относить к геологическим процессам. Здесь м ы подробно охарактеризуем т о л ь к о м и н е р а л ы — составные части горных пород и руд. Минералогия з а н и м а е т с я изучением свойств и состава м и н е р а л о в , в ы я в л е н и е м гео логических условий и физико-химической обстановки образования минералов, иссле дованием минералов к а к ф о р м ы концентрации одних и рассеивания д р у г и х химиче ских элементов, в с к р ы т и е м механизмов з а р о ж д е н и я , роста и р а з р у ш е н и я минералов, разработкой минералогических критериев поиска рудного и нерудного с ы р ь я . Мине р а л о г д о л ж е н з н а т ь м и н е р а л ы , у м е т ь их искать и и з у ч а т ь . В т а к о м широком объеме минералогия к а к одна из главнейших в цикле геолого-минералогических наук пред стает в учебниках П. Ниггли (1924, 1927), А. Г. Бетехтина, А. К . Б о л д ы р е в а и д р . (1936), Н . М . Федоровского (1930), в американской "Минералогической энциклопедии" (1985) и научных п у б л и к а ц и я х отечественных минералогов В . Ф . Б а р а б а н о в а , К . А . В л а с о в а , В . И . Г е р а с и м о в с к о г о , А . И . Г и н з б у р г а , М . Н . Г о д л е в с к о г о , А. А . К у х а р е н к о , Е . К . Л а з а ренко, В . Д . Н и к и т и н а , Д . В . Р у н д к в и с т а , С . С . С м и р н о в а , В . С . С о б о л е в а , А . С . У к л о н ского, А. Е. Ферсмана, Н. П. Ю ш к и н а . " М и н е р а л о г и я во всем пространстве сего слова", — т а к о в д е в и з научной д е я т е л ь н о сти исследователей, объединяемых Всероссийским минералогическим обществом при Российской А к а д е м и и наук. Вместе с тем, так широко т р а к т у е м а я м и н е р а л о г и я пе р е к р ы в а е т с я во многом, и это естественно, с другими о т р а с л я м и геологических зна н и й — учением о м е с т о р о ж д е н и я х полезных ископаемых, п е т р о г р а ф и е й , литологией, геохимией. К а ж д а я из этих наук, и м е я в общем сходные п р а к т и ч е с к и е цели, решает их своими методами и использует свои объекты природы. М и н е р а л о г ж е — э т о п р е ж д е всего з н а т о к минералов, их тонких особенностей и методов их в ы я в л е н и я . Я в л я я с ь наукой о природных химических соединениях к р и с т а л л и ч е с к о й с т р у к т у р ы , минералогия тесно с в я з а н а с к р и с т а л л о г р а ф и е й , ф и з и к о й , химией. П о сути, мине р а л ы я в л я ю т с я ч а с т н ы м и объектами этих трех наук. И з них м и н е р а л о г и я черпает основные представления о внутреннем строении минералов, з а к о н а х роста и огранения к р и с т а л л о в , химических реакциях, в о з м о ж н ы х при минералообразовании. О т них она заимствует методы исследования свойств и состава минералов. МИНЕРАЛЫ В ОБЫДЕННОЙ ЖИЗНИ
П р а к т и ч е с к о е значение минералогии к а к науки о м и н е р а л а х , умении их и с к а т ь и использовать несомненно. Оно б ы л о велико всегда и я в л я л о с ь одной из основ ма териального р а з в и т и я общества во все времена. Не приводя э ф ф е к т н ы х примеров невозможности создания атомной энергетики и самолетостроения без освоения мине р а л о в урана, т и т а н а , циркония, б е р и л л и я и д р . , возьмем с л у ч а й из обыденной ж и з н и : студент в о з в р а щ а е т с я домой После з а н я т и й в институте. П е р в а я встреча с р е з у л ь т а т о м хорошего з н а н и я и умения использовать м и н е р а л ы — это р у ч к а входной двери, э м а л е в ы й номер к в а р т и р ы , з е р к а л о в п р и х о ж е й . Р у ч к а сде6
л а н а из ж е л е з а , а оно получено из минералов — природных оксидов и гидроксидов этого м е т а л л а . Э м а л ь номера приготовлена из сплавленной порошковой м а с с ы — смеси полевого шпата, к в а р ц а , к р и о л и т а — с добавлением искусственных соедине н и й — буры и борной к и с л о т ы , а бор д л я них о п я т ь - т а к и получен из м и н е р а л о в датолита, гидроборацита и д р . С ы р ь е м д л я изготовления з е р к а л ь н о г о с т е к л а б ы л особо чистый к в а р ц е в ы й песок, алюминий д л я тонкой о т р а ж а т е л ь н о й пленки з е р к а л а полу чен из м и н е р а л о в — н е ф е л и н а или гидроксидов а л ю м и н и я . В т у а л е т н ы х помещениях, на кухне, в столовой ничего н е л ь з я было бы сделать без минералов. Вся сантехниче с к а я к е р а м и к а создана из о б о ж ж е н н о й минеральной м а с с ы — т о н к о п е р е т е р т о й смеси полевого шпата, к а о л и н а , к в а р ц а . Водопроводный к р а н — л а т у н н ы й (из с п л а в а меди и цинка), э л е к т р и ч е с к и е провода — медные или алюминиевые, волосок з а ж ж е н н о й элек трической л а м п о ч к и — в о л ь ф р а м о в ы й , и все эти м е т а л л ы извлечены из минералов: медь — из сернистых соединений (халькопирита, борнита, х а л ь к о з и н а и д р . ) , цинк — из его с у л ь ф и д а (минерал с ф а л е р и т ) , в о л ь ф р а м — из в о л ь ф р а м и т а и шеелита. Н е будем теперь говорить о газовой или э л е к т р о п л и т е , об эмалированной, алюминиевой, грубой керамической, ф а р ф о р о в о й или стеклянной посуде. И з чего они с д е л а н ы — у ж е сказано, а возьмем кухонный н о ж и столовый прибор из мельхиора. Н о ж сделан из не р ж а в е ю щ е й стали, р а з н ы е её сорта с о д е р ж а т д о 2 0 - 2 5 % хрома, д о 1 0 - 1 1 % н и к е л я ; пер вый д о б ы в а е т с я из м и н е р а л а хромита, второй — из р а з н ы х м и н е р а л о в (пентландита, гарниерита и д р . ) . М е л ь х и о р — э т о с п л а в меди и н и к е л я , о п я т ь - т а к и и з в л е ч е н н ы х из минералов. Кинескоп включенного т е л е в и з о р а светится з а счет люминесценции тонкого с л о я солей к а д м и я и ц и н к а в потоке электронов; оба м е т а л л а и з в л е к а ю т с я из м и н е р а л а с ф а л е р и т а . А з а э к р а н о м , внутри телевизора, а ж у р н о е сплетение проводов и дета л е й — производные м и н е р а л о в и с а м и м и н е р а л ы с л ю д а и к в а р ц . Высококачественная, ч и с т а я слюда, расщепленная н а п л а с т и н к и , и теперь входит в устройство н е к о т о р ы х деталей, кварцевые пьезоэлементы р о ж д а ю т звук. Студент з а письменным столом с листом бумаги и к а р а н д а ш о м готовится к за н я т и я м завтрашнего д н я . В бумагу помимо основного м а т е р и а л а — в о л о к о н ц е л л ю л о з ы — входят наполнители, это м и н е р а л ы каолинит, к а л ь ц и т (мел), барит. Г р и ф е л ь к а р а н д а ш а состоит из спрессованного порошка м и н е р а л а г р а ф и т а с добавлением д л я его прочности м о н т м о р и л л о н и т а или других глинистых минералов, а г р и ф е л ь цвет ного к а р а н д а ш а — из смеси красителей с т а л ь к о м , каолинитом и м о н т м о р и л л о н и т о м . Т е п е р ь ясно, что представить себе наш быт без минералов просто н е в о з м о ж н о . По оценкам Н. П. Ю ш к и н а , д л я обеспечения ж и з н и т о л ь к о одного ч е л о в е к а расходу ется около 25 вагонов минерального с ы р ь я . Л и ш ь одной соли человек з а свою ж и з н ь потребляет около полу тонны.
ИСТОРИЯ СТАНОВЛЕНИЯ МИНЕРАЛОГИИ КАК САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ НАУКИ
З н а н и я о минералах, условиях их н а х о ж д е н и я и представления об их происхожде нии н а к а п л и в а л и с ь человеком с древних времен. Его орудия труда, с т р о и т е л ь н ы е ма т е р и а л ы , гончарное д е л о , р о ж д е н и е м е т а л л у р г и и , соляной промысел, к р а с к и , с к у л ь птурный к а м е н ь , у к р а ш е н и я , врачевание, — все это связано с использованием мине р а л о в и д а в а л о человеку первые з н а н и я о к а м н я х , р у д а х и их составных ч а с т я х — минералах. Приводимый н и ж е список (по А . К . Б о л д ы р е в у , 1944) с о д е р ж и т перечень минералов, известных д р е в н и м л ю д я м :
7
Люди каменного века 1. Вода и л е д 2. В о з д у х 3. Нефрит 4. Ж а д е и т (хлоромеланит) 5. Серпентин 6. Красный железняк (краска) 7. Кварц и горный хрусталь 8. Кальцит 9. Янтарь Шумеро-аккады и ассиро-вавилоняне 10. Асбест 11. Золото 12. Серебро 13. Электрум 14. Медь 15. Железо 16. Аргентит (?) 17. Халькопирит (?) 18. Халькозин (?) 19. Пирит (?) 20. Галенит (?) 21. Стибнит (?) 22. Куприт 23. Рубин 24. Гематит (руда и краска) 25. Магнетит 26. Лимонит 27. Аметист 28. Сердолик 29. Агат (и оникс) 30. Касситерит 31. Малахит (медная зелень) 32. А з у р и т (медная синь) 33. И з у м р у д — гранат (см. 52) 34. Асфальт 35. Нефть 36. Ляпис-лазурь
45.
Сапфир
По Теофрасту 46. 47. 48. По 49. 50. По 51.
Киноварь Хризоколла Ртуть Диоскориду Селенит Халькантит Волосу Табашир ("табазис", "кархедониос") 52. Гранат — рубин 53. Галмей
"сардиос",
Древние греки 54. Халцедон (?) (этот минерал упоми нается Плинием; судя по названию, он был известен древним грекам) 55. Плазма (?) 56. Хризопраз (?) 57. Гелиотроп (?) 58. Празем (?) 59. Магнезит (?) 60. Каламин (?) — стибнит (см. 21) 61. Молибденит 62. Гипс По Плинию 63. Альмандин (у Плиния — "алабандекая венисса") 64. Церуссит 65. Сера 66. Аурипигмент 67. Р у т и л (?) 68. С л ю д а Древние персы 69. Берилл (персидское лур") 70. Циркон (гиацинт) 71. Сурьма
Египтяне (они, конечно, знали и почти все предыдущие и часть последующих минералов. Галит, вероятно, употреблял ся в пищу еще первобытными л ю д ь м и )
название "бе-
Сингалезы
37. Б и р ю з а — л а з у р и т (см. 36) 38. Бура 39. Галит Индусы, древние евреи 40. А л м а з 41. Опал (это название, впрочем, древ нее Б и б л и и ) 42. Оникс 43. Топаз (?) 44. Хризолит (?)
72.
Турмалин
Древние китайцы 73. Каолин 74. Агальматолит (пагодит) (?) Древние индусы 75. Корунд 76. Шпинель 77. Перидот (оливин)
К а к о в ы ж е б ы л и п р е д с т а в л е н и я о м и н е р а л а х и их природе в т е д а л е к и е в р е м е н а ? В о с с т а н о в и т ь их п о к а не у д а л о с ь . О б н а р у ж е н ы л и ш ь о т р ы в о ч н ы е с в е д е н и я , дошедшие д о нас и з р а з н ы х о т д а л е н н ы х д р у г о т д р у г а времен и с т р а н . В первой п о л о в и н е т р е тьего т ы с я ч е л е т и я д о н а ш е й э р ы в Ш у м е р е п р и х р а м а х с у щ е с т в о в а л и ш к о л ы д л я м а л ь ч и к о в , в к о т о р ы х они о б у ч а л и с ь к р о м е ч т е н и я и п и с ь м а ф л о р е , ф а у н е и м и н е р а л а м
8
Месопотамии. Н а росписях гробниц в долине Нила, выполненных почти 5 т ы с . л е т н а з а д , п о к а з а н ы ремесленники з а работой: они взвешивают м а л а х и т и драгоценные м е т а л л ы , п л а в я т м е т а л л и ч е с к и е руды и в ы д е л ы в а ю т искусные геммы из л я п и с - л а з у р и и изумруда. О к о л о д в у х т ы с я ч е л е т и й д о нашей э р ы в древнем К и т а е б ы л о п о л о ж е н о н а ч а л о к о л л е к т и в н о м у сочинению " Д р е в н и е с к а з а н и я о горах и м о р я х " ("Сан-ХейД и н " ) , в течение более т ы с я ч е л е т и я оно непрерывно пополнялось. Сан-Хей-Дин, повидимому, я в л я е т с я первым письменным п а м я т н и к о м , в котором д а е т с я описание из вестных в то в р е м я 17 минералов, м е т а л л о в и горных п о р о д — з о л о т а , серебра, олова, меди, ж е л е з а , магнетита, азурита, с а п ф и р а , н е ф р и т а и д р . , п р и в о д я т с я сведения о м е с т о р о ж д е н и я х э т и х минералов и у к а з ы в а ю т с я их о т л и ч и т е л ь н ы е п р и з н а к и (цвет, твердость и т . д . ) . В библиотеке ассирийского ц а р я А ш ш у р б а н а п а л а (669-633 гг. до н. э.) среди клинописных копий древних текстов, д а т и р у е м ы х примерно 1900 г. д о н. э., имеются ф р а г м е н т ы рецептов д л я получения слоев глазури (эмали) — это первые сви д е т е л ь с т в а о стремлении систематизировать полученные н а п р а к т и к е эмпирические д а н н ы е и ф и к с и р о в а т ь их письменно д л я будущих поколений. В т р у д а х А р и с т о т е л я (384-322 гг. д о н.э.) и его ученика Т е о ф р а с т а (ок. 372-ок. 287 гг. д о н.э.) сде лано разделение ( к л а с с и ф и к а ц и я ) м и н е р а л ь н ы х т е л на к а м н и и руды и в ы с к а з а н о предположение о возникновении р у д из паров и д ы м о в , в ы р в а в ш и х с я из недр з е м н ы х . Позднее, в н а ч а л е нашей э р ы , римский н а т у р а л и с т и историк Плиний С т а р ш и й (23 или 24-79) написал ч е т ы р е т р а к т а т а о к а м н я х , где собрал все, что б ы л о известно в его в р е м я о свойствах и условиях м е с т о н а х о ж д е н и я минералов, но в этих т р а к т а т а х верные наблюдения еще переплетаются с в ы м ы с л о м и ф а н т а з и е й . Хорезмский ученый-энциклопедист Абу Рейхан М у х а м м е д ибн Ахмед а л ь - Б и р у н и (973-1048) в " К н и г е сводок д л я познания драгоценностей" привел подробные сведе ния (значения твердости, первые измерения удельного веса, м е с т о н а х о ж д е н и я в Сред ней Азии, поисковые признаки) более чем о 50 минералах, рудах, м е т а л л а х , с п л а в а х . Т а д ж и к с к и й естествоиспытатель, врач, м а т е м а т и к , поэт и м ы с л и т е л ь ибн-Сина, или Авиценна, (980-1037) д а л первую после Т е о ф р а с т а к л а с с и ф и к а ц и ю м и н е р а л о в . Он р а з д е л и л их н а ч е т ы р е г р у п п ы — к а м н и , горючие тела, соли и м е т а л л ы . П е р в ы м свидетельством о начавшемся ф о р м и ровании минералогии к а к самостоятельной науки я в л я ю т с я работы немецкого врача, м е т а л л у р г а и естествоиспытателя Георга Б а у э р а , или А г р и к о л ы , (1494-1555) " О природе и с к о п а е м ы х " , " О горном д е л е и м е т а л л у р г и и " , " О происхождении минера лов" . С а м о с о д е р ж а н и е наук б ы л о более широким и менее определенным, чем сейчас, но в его тру д а х впервые ч е т к о р а з д е л е н ы м и н е р а л ы и горные > породы, среди первых в ы д е л е н ы з е м л и (старинное название оксидов), соли, драгоценные к а м н и , ме т а л л ы и "прочие" м и н е р а л ы , особое внимание при х а р а к т е р и с т и к е м и н е р а л о в уделено их ф о р м а м и диагностическим п р и з н а к а м — ц в е т у , блеску, спай ности, твердости и д р . Хорошее описание свойств минералов б ы л о опубликовано в ту ж е пору (в 1502 г.) Л е о н а р д о д а Винчи. В л а п и д а р и и венеци анского ф и з и к а К а м и л л а Л е о н а р д а " З е р к а л о камГеорг Бауер (Агрикола) ней", опубликованном в т о м ж е 1502 г., с о д е р ж и т с я описание 279 минералов и м и н е р а л ь н ы х веществ. Однако эти сведения все еще я в л я ются л и ш ь ч а с т ь ю общей науки о горах, рудах, к а м н я х и м е т а л л а х . 9
Термин " м и н е р а л " происходит от позднелатинского слова miner а, т . е . рудный ш т у ф , кусок р у д ы . В XIII в. его использует, например, немецкий ф и л о с о ф Альберт Великий в своем научном т р а к т а т е " О м е т а л л а х и м и н е р а л а х " ("De rebus metallicis et mineralibus"). Т е р м и н " м и н е р а л о г и я " впервые б ы л употреблен в 1636 г. и т а л ь я н с к и м ученым Б е р н а р д о м Цезием (Цезиусом) применительно к науке о п о л е з н ы х ископае мых. К а к видно, о ф о р м л е н и е представлений о м и н е р а л а х в с а м о с т о я т е л ь н у ю о т р а с л ь знаний произошло очень поздно, в средние века, т.е. в тот период, когда происходил распад всеобщих естествознания и ф и л о с о ф и и на отдельные специальные науки. Д а л ь н е й ш е е накопление знаний о минералах все более тесно с в я з ы в а е т с я не т о л ь к о с развитием горнорудного д е л а , металлургии и р а з н ы х ремесел, но т а к ж е и с ф и з и к о й , учением о к р и с т а л л а х и в первую очередь с химией. Я р к и м и з н а ч и т е л ь н ы м примером такого переплетения наук было о т к р ы т и е в те времена новых химических элементов при изучении минералов. В 1735 г. шведский химик и минералог Георг Б р а н д т при исследовании загадки обычной на вид руды, из которой почему-то не в ы п л а в л я л с я м е т а л л , в ы д е л и л в чи стом виде новый э л е м е н т — к о б а л ь т (раньше были известны т о л ь к о его соединения). В 1751 г. шведский геолог, химик и минералог Аксель К р о н ш т е д т (1722-1765) впер вые о т к р ы л в рудах, считавшихся по их цвету медными, н и к е л ь (в составе м и н е р а л а арсенида н и к е л я , к а к о к а з а л о с ь , главного в этих рудах). Ш в е д с к и й химик К а р л IHeеле (1742-1786) в 1778 г. при изучении минерала молибденита п о л у ч и л т р и о к с и д мо либдена и о т к р ы л этот химический элемент, а в 1781 г. в м и н е р а л е тунгстите (ок сиде в о л ь ф р а м а ) он ж е о б н а р у ж и л еще один новый химический элемент — в о л ь ф р а м . Ясно, что эти о т к р ы т и я были не т о л ь к о успехами химии, ими в с к р ы в а л а с ь и хими ч е с к а я природа самих минералов. Постепенно, в течение XVII в., это направление химико-минералогических исследований стало одним из г л а в н ы х в науке и привело к ф о р м и р о в а н и ю представлений о м и н е р а л а х к а к индивидуальных химических соедине н и я х (работы М . В . Л о м о н о с о в а , А . К р о н ш т е д т а , В . М . С е в е р г и н а , Й . Б е р ц е л и у с а ) и к появлению идей о необходимости химической к л а с с и ф и к а ц и и м и н е р а л о в . Д р у г о е близкое к химии направление р а з в и т и я представлений о м и н е р а л а х — это быстрое накопление знаний о природе кристаллов, закономерностях их огранения, внутреннего строения и роста. Первое наиболее яркое о т к р ы т и е в этой области — установление в 1669 г. д а т с к и м естествоиспытателем (медиком, геологом и зоологом) Николаусом Стенсеном, известным к а к Н и л ь с Стено (1638-1686), ф а к т а постоянства углов м е ж д у соответственными гранями на р а з н ы х к р и с т а л л а х к в а р ц а и г е м а т и т а не зависимо от их размеров, о б л и к а и происхождения. Д а л ь н е й ш е е р а з в и т и е знаний д а л о в о з м о ж н о с т ь в ы я в и т ь и и з у ч и т ь многообразие к р и с т а л л о в известных тогда минералов ( Ж . Роме д е Л и л ь , Р . Г а ю и , Х . В е й с и др.) и подойти к в ы я в л е н и ю особенностей их роста (А. Л е в е н г у к , Н . Стено и д р . ) . Начинают ф о р м и р о в а т ь с я ранние представления о дискретности внутреннего строения к р и с т а л л о в ( М . В . Л о м о н о с о в , Р . Г а ю и и д р . ) . Р а з в и т и е горнорудной Промышленности, успехи химического и к р и с т а л л о г р а ф и ч е ского направлений в изучении минералов, совершенствование методов изучения их свойств привели у ж е в конце XVIII в. к окончательному о ф о р м л е н и ю минералогии к а к с а м о с т о я т е л ь н о й науки. Ранее она носила, по сути, всеобщий х а р а к т е р , о х в а т ы в а я все науки о З е м л е . П о п р е д л о ж е н и ю немецкого (саксонского) геолога и минералога А б р а а м а Готлоба Вернера (1750-1817) из минералогии (она н а з ы в а л а с ь тогда ориктогнозией) б ы л и в ы д е л е н ы геология, палеонтология и т е к т о н и к а . С конца XVIII в. минералогия существует у ж е к а к с а м о с т о я т е л ь н а я н а у к а с совре менным ее с о д е р ж а н и е м . Глубокий след в истории этой науки оставили в то в р е м я работы А. Вернера и В. М. Севергина.
10
А . В е р н е р — выходец из семьи потомствен ных горняков, с ранних л е т интересовался гео логией и минералогией. Он у ч и л с я в Фрайберг ской горной академии, т о л ь к о что созданной в центре горнорудной промышленности Сред ней Европы, а з а т е м р а б о т а л в этой акаде мии, обобщая и систематизируя громадный ма т е р и а л , накопленный здесь г о р н я к а м и и нату р а л и с т а м и к тому времени. А . В е р н е р много сделал в области описательной минерало гии, п р е д л о ж и в к л а с с и ф и ц и р о в а т ь м и н е р а л ы на основании внешних п р и з н а к о в — о к р а с к и , об щего вида (облик, поверхность, блеск), вну треннего вида (излом, ф о р м а обломков), про зрачности, цвета ч е р т ы , побежалости, твердо сти, запаха, вкуса и т . д . Х о т я п о л у ч и в ш а я с я к л а с с и ф и к а ц и я б ы л а громоздкой, она я в л я л а с ь первой полной систематизацией именно минералов, причем А. Вернер с т р е м и л с я к а к - т о с в я з а т ь эту к л а с с и ф и к а ц и ю с генезисом мине ралов и ростом к р и с т а л л о в . Он в ы д е л и л осо бые р а з д е л ы — химическую минералогию, гео г р а ф и ч е с к у ю минералогию и экономическую минералогию. Выполненные А. Вернером по дробные описания м и н е р а л о в п р о д о л ж и т е л ь ное в р е м я считались классическими, хотя в т р а к т о в к е п р о и с х о ж д е н и я минералов А . В е р нер исходил из ошибочного п р е д п о л о ж е н и я , что образование всех горных пород и руд обязано процессам осадконакопления и последующего изменения осадков.
Авраам Готлоб Вернер
З н а ч и т е л ь н о более прогрессивными б ы л и работы русского х и м и к а и минералога В.М.Севергина (1765-1826). В научной д е я т е л ь н о с т и он б ы л п р о д о л ж а т е л е м трудов М. В. Ломоносо ва. В своих минералогических работах и пре ж д е всего в к а п и т а л ь н о м двухтомном труде " П е р в ы е основания минералогии" В. М.Севергин особое внимание у д е л я л условиям образо вания минералов, знание которых, к а к он ду м а л , д о л ж н о б ы т ь п о л о ж е н о в основу поисков рудных месторождений. Это нашло о т р а ж е н и е и в определении В. М. Севергиным с о д е р ж а н и я минералогической науки: " М и н е р а л о г и я есть ч а с т ь естественной истории, к о т о р а я научает нас познавать ископаемые тела, т . е . о т л и ч а т ь Василий Михайлович Севергин оные от всех других т е л по существенным их п р и з н а к а м , з н а т ь их свойства, месторо ж д е н и я , пользу и отношение их к а к м е ж д у собой, так и к д р у г и м т е л а м " . М и н е р а л ы , по мнению В. М.Севергина, образуются в природе не изолированно, не случайно, а определенными сообществами; совместное н а х о ж д е н и е м и н е р а л о в в та11
ких сообществах в м е с т о р о ж д е н и я х он н а з ы в а л " с м е ж н о с т ь ю " (мы н а з ы в а е м сейчас эти естественные сообщества минералов, образующихся совместно, парагенезисами). В. М. Севергин п р о д о л ж а е т здесь научные традиции М. В. Ломоносова, в и д я в изучении м и н е р а л ь н ы х сообществ не т о л ь к о путь к выяснению условий образования минералов, но и основу д л я научных поисковых прогнозов. В качестве одной из з а д а ч минералогии В. М.Севергин, к а к и А . В е р н е р , выдвинул изучение практической ценности минералов, выделив "економическую минералогию, научающую р а з л и ч н о м у употреблению ископаемых т е л и познанию тех свойств, по к о т о р ы м оные д л я нас полезны б ы в а ю т " . В минералогической к л а с с и ф и к а ц и и он выступает сторонником химического направления. Ему ж е п р и н а д л е ж и т п е р в а я по п ы т к а осуществления идей М. В. Ломоносова о создании региональной минералогии — в виде двухтомной сводки " О п ы т минералогического землеописания Российского го с у д а р с т в а " . Значение ее, по мнению В. М.Севергина, з а к л ю ч а е т с я в том, ч т о "познав, какие в к а ж д о й стране н а х о д я т с я м и н е р а л ы , п о б у ж д а т ь с я будем у п о т р е б л я т ь их в настоящую пользу; сверх того не будем заимствовать из о т д е л ь н ы х мест и притом с и з д е р ж к а м и и з а т р у д н е н и я м и то, что вблизи нас в недрах з е м л и с к р ы в а е т с я " . Особой заслугой В. М. Севергина перед отечественной наукой я в л я е т с я очищение минералогии от бесчисленных псевдонаучных терминов и терминов, в з я т ы х из немецкой минерало гической ш к о л ы . Работы А. Вернера и В. М. Севергина легли в основу всех н а п р а в л е н и й дальнейшего р а з в и т и я минералогии в XIX в. Наиболее з н а ч и т е л ь н ы м прогрессом я в и л и с ь в XIX в. упрочение представлений о минерале к а к химическом соединении (Р.Гаюи, Й . Б е р ц е л и у с , Д . И . С о к о л о в ) и разра б о т к а химических основ к л а с с и ф и к а ц и и минералов немецким х и м и к о м Густавом Розе (1852) и а м е р и к а н с к и м геологом и минералогом Д ж . Д э н а (1837); п о с л е д н я я без прин ципиальных изменений существует до сих пор. Химическое направление исследований в минералогии р а з в и в а л и т а к ж е немецкий химик Э. М и т ч е р л и х , немецкий к р и с т а л л о г р а ф и минералог П. Грот, австрийский минералог Г. Ч е р м а к и многие д р у г и е ученые.
Николай Иванович Кокшаров
Изучение м о р ф о л о г и и к р и с т а л л о в в XIX в. позволило в ы я в и т ь и исследо вать всё их многообразие, составить атла сы ч е р т е ж е й э т и х к р и с т а л л о в (работы H. И. К о к ш а р о в а , П. В. Еремеева, П. Гро та) . В р а з в и т и и представлений о дискрет ности внутреннего строения к р и с т а л л о в з н а ч и т е л ь н ы м и с о б ы т и я м и я в и л и с ь рабо ты О.Бравэ, Е.С.Федорова, А.Шенфлиса, давших еще в дорентгеновский период вывод главных з а к о н о в симметрии про странственного распределения ч а с т и ц в к р и с т а л л и ч е с к и х р е ш е т к а х минералов. Обширны и р е з у л ь т а т и в н ы б ы л и в XIX в. т а к ж е исследования ф и з и ч е с к и х свойств м и н е р а л о в — о п т и ч е с к и х (Г.Сорби, Ф.Циркель, Г. Розенбу ш, А. А. Иностранцев, А . П . К а р п и н с к и й ) , плотности ( Л . И . П а н с нер, А . Б р е й т г а у п т ) , твердости (Ф. Моос) и др.
В XIX в. шло интенсивное накопление ф а к т и ч е с к о г о м а т е р и а л а по минералогии ме сторождений в пределах о т д е л ь н ы х стран и географических районов. Э т о направление 12
минералогии, названное в свое в р е м я А. Вернером и В . М . С е в е р г и н ы м географической мине ралогией, н а ш л о свое о т р а ж е н и е п р е ж д е всего в работе самого В. М. Севергина " О п ы т мине ралогического землеописания Российского го сударства" (1809) и в одиннадцатитомном тру де Н . И . К о к ш а р о в а (1818-1893) " М а т е р и а л ы д л я минералогии России" (1852-1892). К чи слу т а к и х ж е работ о т н о с я т с я книги р а з н ы х л е т по минералогии Великобритании и И р л а н дии (У. Л е т с о м , 1858), С Ш А ( Д ж . Д э н а , 1 8 6 8 1892), Нового У э л ь с а (А. Л и в е р с и д ж , 1874), Перу (А. Раймонди, 1878), Японии, Франции, Испании и д р у г и х с т р а н . Э т и исследования были особо в а ж н ы д л я воспроизведения об щей к а р т и н ы образования минералов, созда ния теории генезиса м е с т о р о ж д е н и й и разра ботки их к л а с с и ф и к а ц и и . Многое в этих генеР*ДР У Брейтгаупт тических работах теперь у ж е устарело, многое претерпело з н а ч и т е л ь н у ю т р а н с ф о р мацию, но д о сих пор сохраняют свою принципиальную ценность, во-первых, разви т ы е А. Брейтгауптом (1791-1873) вслед з а В. М. Севергиным представления о параге незисе — повторяемости в природе некоторых закономерных ассоциаций одновременно возникающих м и н е р а л о в и, во-вторых, о химических переходах одних м и н е р а л о в в другие при образовании т а к н а з ы в а е м ы х псевдоморфоз. Последние б ы л и д е т а л ь н о исследованы тогда П. В. Е р е м е е в ы м , А. Д е л е с с о м , И. Б л ю м о м , Г. В и н к л е р о м . И
о
г
а
н
н
ф
и х
А в г
с т
В XIX в. свыше 150 ученых работало в области синтеза м и н е р а л о в и моделирова ния природных процессов их образования. Д о настоящего времени сохранили свою ценность о п ы т ы Я . В а н т - Г о ф ф а , выполненные им в 1897-1904 гг., по к р и с т а л л и з а ц и и хлоридов и с у л ь ф а т о в из водных растворов и по порядку в ы д е л е н и я э т и х минера лов в морских бассейнах, а т а к ж е изучение м е т а л л у р г и ч е с к и х ш л а к о в И. Фогтом в 1888-1903 гг., показавшее, к а к порядок к р и с т а л л и з а ц и и минералов из магматического р а с п л а в а зависит от его состава. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ М И Н Е Р А Л О Г И И В XX ВЕКЕ
В целом успехи химии и ее р о л ь в р а з в и т и и минералогии к концу XIX в. н а с т о л ь к о возросли, ч т о вступление минералогии н а р у б е ж X I X — X X веков в ее новый, современ ный этап р а з в и т и я ознаменовалось з а р о ж д е н и е м в ней новой н а у к и — г е о х и м и и , а с а м а минералогия нередко с т а л а т о л к о в а т ь с я к а к х и м и я з е м н ы х процессов. В этом боль шую р о л ь с ы г р а л а д е я т е л ь н о с т ь в ы д а ю щ и х с я русских минералогов В . И. Вернадского (1863-1945) и А . Е . Ф е р с м а н а (1883-1945). А к а д е м и к В. И. Вернадский широко известен к а к р е ф о р м а т о р минералогической на уки, основоположник современной генетической минералогии и один из создателей геохимии. В . И . В е р н а д с к и й о п р е д е л я л минералогию к а к историю м и н е р а л о в земной к о р ы и к а к химию з е м н ы х процессов. Он п р и д а в а л в а ж н е й ш е е значение исследованию про цессов образования минералов и их закономерных ассоциаций (парагенезисов), изуче нию зависимости этих процессов от геологической обстановки. Б о л ь ш о е внимание
13
В л а д и м и р Иванович Вернадский после окончания С.-Петербургского университета
Виктор Мориц Гольдшмидт
В. И. Вернадский у д е л я л вопросам химической конституции минералов, в и д я в ней основу естественной к л а с с и ф и к а ц и и природных соединений. Д л я в а ж н е й ш е г о в зем ной коре к л а с с а соединений — силикатов — В . И . В е р н а д с к и й с о з д а л общую теорию химического строения, убедительно д о к а з а в одинаковую химическую р о л ь к р е м н и я и а л ю м и н и я в этой категории минералов. Э т а теория, п о я в и в ш а я с я в р е з у л ь т а т е об общения огромного ф а к т и ч е с к о г о м а т е р и а л а , б ы л а в свое в р е м я т р и у м ф о м научной мысли, победившей л о ж н ы е представления о том, что все с и л и к а т ы я к о б ы я в л я ю т с я с о л я м и р а з н ы х к р е м н и е в ы х кислот. Еще одним в к л а д о м в минералогию я в и л о с ь д а л ь нейшее развитие представлений об и з о м о р ф и з м е — в ы в о д схем в х о ж д е н и я химических примесей в м и н е р а л ы в р а з н ы х геологических условиях. Назовем другие я р к и е имена нашего века в развитии минералогии. Немецкий уче ный В . Г о л ь д ш м и д т (1853-1933) внес громадный в к л а д в изучение м о р ф о л о г и и кри с т а л л о в , он не т о л ь к о создал д е в я т и т о м н у ю сводку по всем м и н е р а л а м — " А т л а с кри сталлов" , но выдвинул и р а з в и л идею о том, что по ф о р м е к р и с т а л л а , с к у л ь п т у р е его граней, д е т а л я м строения его поверхности м о ж н о судить о его прошлом. Н о р в е ж е ц В. М. Гольдшмидт (1888-1947) р а з в и л химическую минералогию, впервые использовав правило ф а з д л я объяснения закономерностей некоторых физико-химических процес сов контактного м е т а м о р ф и з м а и образования роговиков разного минерального со става, он ж е р а з р а б о т а л существующую д о сих пор систему р а з м е р о в атомов и ионов в к р и с т а л л и ч е с к и х с т р у к т у р а х минералов. Ученик В . И . В е р н а д с к о г о А . Е . Ф е р с м а н п о л о ж и л н а ч а л о учению о т и п о м о р ф и з м е м и н е р а л о в — з а в и с и м о с т и м о р ф о л о г и и , со става, свойств м и н е р а л а и набора его минералов-спутников от условий образования, р а з в и л идею о том, что последовательность образования минералов в м е с т о р о ж д е ниях с в я з а н а с энергетикой процесса, п р е д л о ж и л метод приближенного р а с ч е т а энер гий к р и с т а л л и ч е с к и х решеток минералов, и з л о ж и л одну из первых теорий о природе окраски минералов, углубил учение о и з о м о р ф и з м е . Велики заслуги А. Е. Ферсмана в развитии регионально-минералогических исследований и в освоении природных ресур сов с т р а н ы . П л е я д а ф и з и к о в , химиков, к р и с т а л л о г р а ф о в ( В . Б р э г г — отец, В . Б р э г г — сын, Л . П о л и н г , Ф . М а х а ч к и , В . Т э й л о р , Н. В. Б е л о в и др.) п о л о ж и л а н а ч а л о мощному направлению в минералогии — р а с ш и ф р о в к е к р и с т а л л и ч е с к и х с т р у к т у р минералов. МЕСТО М И Н Е Р А Л О Г И И СРЕДИ Д Р У Г И Х НАУК И ЕЕ П Р А К Т И Ч Е С К О Е З Н А Ч Е Н И Е
Исторический обзор р а з в и т и я минералогии в с к р ы в а е т ее с в я з ь с д р у г и м и на у к а м и . Это одна из старейших и г л а в н ы х наук о горных породах и рудах, о т о м веществе (минералах), из которого состоят объекты исследования геологов, петрогра ф о в , литологов, специалистов по м е с т о р о ж д е н и я м полезных ископаемых, геохимиков и геофизиков. И м е ю т с я общие проблемы у минералогии с биологией и палеонтологией. Минералы входят в состав т в е р д ы х тканей ж и в ы х организмов и растений, слагают окаменелости. Мощные толщи некоторых осадочных горных пород я в л я ю т с я захоро ненными скоплениями построенных из минералов раковин, скелетов и д р у г и х остатков ж и в о т н ы х и растений. После полетов р а к е т на Л у н у и Венеру ещё более у п р о ч и л и с ь связи минералогии с космологией — на м а т е р и а л е из Космоса необходимо в ы п о л н я т ь минералогические исследования. По объектам, кругу з а д а ч и методам исследования минералогия тесно с в я з а н а с к р и с т а л л о г р а ф и е й , во многом — с ф и з и к о й и химией. П р а к т и ч е с к о е значение минералогии к а к науки о м и н е р а л а х — с о с т а в н ы х ч а с т я х руд и умении их и с п о л ь з о в а т ь — н е с о м н е н н о . Еще одно практическое значение минералогии — выявление и исследование тех осо бенностей минералов ( ф о р м ы и р а з м е р о в к р и с т а л л о в и зерен, их состава, внутреннего строения, степени хрупкости и трещиноватости, твердости, плотности, смачиваемости, электропроводности, магнитной восприимчивости и других свойств), к о т о р ы е в л и я ю т 15
на процесс механического или другого измельчения руд и горных пород, с к а з ы в а ю т с я на х а р а к т е р е п р о т е к а н и я технических процессов по обогащению р у д . Э т а о т р а с л ь практической д е я т е л ь н о с т и минералога п о л у ч и л а название технологической минера логии. В ней минералог к а к специалист по диагностике м и н е р а л о в и изучению их морфологии, состава, свойств соединяет свои з н а н и я и н а в ы к и в ы п о л н е н и я лабора т о р н ы х исследований с работой инженеров-проектантов, химиков, ф и з и к о в , обогати телей. Сходные практические з а д а ч и решают минералоги в л а б о р а т о р и я х проектных и научно-исследовательских организаций в химической, м е т а л л у р г и ч е с к о й , керамиче ской, стекольной промышленности, при производстве абразивов, цементного с ы р ь я , огнеупоров, м и н е р а л ь н ы х удобрений, синтезе технических к р и с т а л л о в . Большое практическое значение имеет минералогия при проведении геолого-поис ковых работ н а р а з н ы е полезные ископаемые, так к а к в конечном счете ведется поиск именно скопления минералов в виде руд или горных пород. Н е к о т о р ы е м и н е р а л ы могут с л у ж и т ь критерием поиска этих р у д и горных пород. Я р к и е з е л е н ы е н а л е т ы гидрокарбоната меди (малахита) и его "проводники" в трещинах приведут к з а л е ж а м окисленных медных руд; н е ж н ы е с н е ж и н к и и иголочки г е м и м о р ф и т а в пустотах бурого ж е л е з н я к а , образовавшегося при поверхностном выветривании руд, д а д у т основание и с к а т ь в их первичных з а л е ж а х м и н е р а л ы цинка, т а к к а к г е м и м о р ф и т — э т о вторич ный гидросиликат цинка. Н а х о д к а обломков, с л о ж е н н ы х среднезернистым агрегатом хороших з е л е н ы х или коричневых к р и с т а л л о в г р а н а т а и к а л ь ц и т а с в к р а п л е н и я м и халькопирита, я в л я е т с я признаком рудного м е с т о р о ж д е н и я скарнового типа. Форма к р и с т а л л о в , их цвет, другие свойства, особенности химического состава т а к ж е исполь з у ю т с я д л я выработки минералогических критериев поиска м е с т о р о ж д е н и й . Мине р а л ь н ы й состав " ч е р н ы х песков" в береговой полосе, в з а п а д и н а х д н а рек и ручьев д а е т ценную и н ф о р м а ц и ю об источниках сноса в е щ е с т в — э т о т прием используется при поиске россыпных месторождений золота, а л м а з о в , оловянных, т и т а н о в ы х и дру гих руд. Все эти критерии р а з р а б а т ы в а е т поисковая м и н е р а л о г и я .
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
ИССЛЕДОВАНИЙ
В минералогии м о ж н о в ы д е л и т ь несколько основных направлений, иногда они са м о с т о я т е л ь н ы , иногда п е р е к р ы в а ю т д р у г друга, часто неотделимы от с м е ж н ы х наук. Ч а с т ь исследований удобно объединить под названием теоретической минералогии, ч а с т ь — о т н е с т и к прикладной. Основными н а п р а в л е н и я м и теоретической минералогии в настоящее в р е м я я в л я ются: 1) к р и с т а л л о х и м и я минералов; 2) ф и з и к а минералов; 3) учение о генезисе (происхождении) минералов, в том числе: — о космологических закономерностях, — о закономерностях образования и распределения м и н е р а л о в в р а з н ы х геологиче ских системах, — о закономерностях образования м и н е р а л ь н ы х индивидов и их агрегатов, — о химической среде, д а в л е н и и и температуре минерал ©образования; 4) биоминералогия; 5) учение о т и п о м о р ф и з м е , т . е . о зависимости особенностей с т р у к т у р ы , состава, свойств минералов и ф о р м ы их к р и с т а л л о в от условий образования. Главные н а п р а в л е н и я в прикладной минералогии сейчас т а к о в ы : 1) д и а г н о с т и к а м и н е р а л о в (определение минерального состава горных пород и руд, установление м о р ф о л о г и и , состава, свойств минералов); 16
2) поисковая м и н е р а л о г и я ; 3) технологическая минералогия; 4) техническая м и н е р а л о г и я ; 5) минералогическое материаловедение. Особая о б л а с т ь и с с л е д о в а н и й — э т о э к с п е р и м е н т а л ь н а я м и н е р а л о г и я и синтез тех нически ценных к р и с т а л л о в . Еще одна особая область — это исследования по геммоло гии. Минералогия и геммология п е р е к р ы в а ю т д р у г друга в области исследования при родного камнесамоцветного с ы р ь я , изучения его свойств, в выборе приемов обработки к а м н я , диагностике драгоценных и поделочных камней в сыром виде и в и з д е л и я х . Но у минералогии и геммологии свой к р у г з а д а ч , свои объекты и цели, выходящие з а пределы этой общей д л я них области. Перечисленные н а п р а в л е н и я не исчерпывают всего многообразия минералогии. Ак тивными ц е н т р а м и многоплановых минералогических исследований я в л я ю т с я Апа т и т ы , И р к у т с к , К и е в , С.-Петербург, Л ь в о в , Москва, Новосибирск, Екатеринбург, С ы к т ы в к а р . Созданы специальные институты — минералогии У Н Ц РАН в Миассе, геохи мии и ф и з и к и м и н е р а л о в в Киеве, экспериментальной минералогии РАН в г. Ч е р н о головке, синтеза минерального с ы р ь я в г. Александрове. В к а ж д о м т е р р и т о р и а л ь н о м геологическом у ч р е ж д е н и и имеются минералогические отделы и лаборатории. Су ществует сеть институтов минерального с ы р ь я и институтов м и н е р а л ь н ы х ресурсов (в Москве, С и м ф е р о п о л е , Алма-Ате, Тбилиси, Новосибирске, И р к у т с к е , Хабаровске), решающих вопросы региональной минералогии и освоения новых видов минерального сырья. Контрольные вопросы 1. Что такое минерал? 2. Что такое обязательные и необязательные объекты минералогии? 3. С деятельностью каких ученых более всего связано становление минералогии как само стоятельной науки? 4. Какую роль сыграли исследования В.И.Вернадского и А.Б.Ферсмана в современной ми нералогии? 5. Назовите основные направления исследований в минералогии.
Глава
2
КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ
СТРУКТУРА
И Х И М И Ч Е С К И Й СОСТАВ
МИНЕРАЛОВ
ВВОДНЫЕ ПОНЯТИЯ
К а ж д ы й м и н е р а л х а р а к т е р и з у е т с я своей к о н с т и т у ц и е й — т о л ь к о ему присущим определенным единством его к р и с т а л л и ч е с к о й с т р у к т у р ы и химического состава. Кон с т и т у ц и я м и н е р а л а , по определению Д . П . Григорьева, это его сущность к а к природ ного химического соединения. Вещества одного и того ж е состава, но разной струк т у р ы имеют, следовательно, р а з н у ю конституцию. В ф и з и к е и химии м ы относим их к р а з н ы м п о л и м о р ф н ы м м о д и ф и к а ц и я м , в минералогии считаем р а з н ы м и минера л а м и . Т а к , природный углерод встречается чаще всего в д в у х п о л и м о р ф н ы х моди ф и к а ц и я х — в виде а л м а з а и г р а ф и т а . В первом а т о м ы углерода " у п а к о в а н ы " плотно и скреплены с и л ь н ы м и химическими с в я з я м и , во втором а т о м ы р а с п о л а г а ю т с я сло я м и , с в я з и с л о ж н ы . Естественно, что м о р ф о л о г и я к р и с т а л л о в и ф и з и ч е с к и е свойства этих д в у х м и н е р а л о в резко о т л и ч а ю т с я . Известно по т р и и более п р и р о д н ы х поли м о р ф н ы х м о д и ф и к а ц и й одного и того ж е химического состава (например, у Т Ю г их три — анатаз, брукит, р у т и л , у S1O2 около д е с я т и — к в а р ц , тридимит, стишовит и д р . ) . К а ж д а я п о л и м о р ф н а я м о д и ф и к а ц и я устойчива при своих з н а ч е н и я х т е м п е р а т у р ы , да в л е н и я и химической обстановке в среде минералообразования. О д н а к о есть м и н е р а л ы разного состава, но одинакового с т р у к т у р н о г о типа. М ы будем н а з ы в а т ь их изоструктурными соединениями. Т а к о в ы , н а п р и м е р , ГезОз (гема тит) и A I 2 O 3 (корунд), В1г8з (висмутин) и SD2S3 (стибнит), БпОг (касситерит), МпОг (пиролюзит) и ТЮ2 ( р у т и л ) , M g A b О 4 (шпинель) и F e F e J О 4 ( м а г н е т и т ) . Свойства и условия образования этих соединений р а з л и ч н ы , но по м о р ф о л о г и и их к р и с т а л л ы часто имеют много сходного м е ж д у собой. Наконец, среди некоторых и з о с т р у к т у р н ы х минералов и м е ю т с я соединения разного п р о м е ж у т о ч н о г о состава, например шпинель, обогащенная ж е л е з о м ( F e ) з а счет со ответствующего недостатка в ней магния, или магнетит с химической примесью алю м и н и я з а счет соответствующего д е ф и ц и т а F e . Т а к и е м и н е р а л ы Я . В а н т - Г о ф ф по первой их аналогии с водными истинными р а с т в о р а м и н а з в а л в 1890 г. т в е р д ы м и р а с т в о р а м и . В зависимости от к о л и ч е с т в а химических примесей н а х о д я т с я свойства минерала, вид и х а р а к т е р огранки к р и с т а л л о в , и з м е н я ю т с я его с т р у к т у р н ы е особен ности. Р а з н ы е примеси входят в состав м и н е р а л а в р а з н ы х у с л о в и я х его образования. В з а и м о с в я з ь состава, с т р у к т у р ы , х а р а к т е р а связей в к р и с т а л л а х р а з н ы х веществ, в частности в м и н е р а л а х , и з у ч а е т с я в особом р а з д е л е к р и с т а л л о г р а ф и и . Э т о т раздел н а з ы в а е т с я кристаллохимией. В настоящей главе и з л о ж е н ы л и ш ь основные п о н я т и я о пространственной решетке, плотнейшей упаковке, координации и р а д и у с а х атомов и 2 +
3
+
2 +
3 +
18
ионов в к р и с т а л л а х , з а к о н а х в х о ж д е н и я химических примесей в м и н е р а л ы . М а т е р и а л во и з б е ж а н и е повторений д а н в том объеме, в к а к о м он дополняет общеизвестные поло ж е н и я химии и ф и з и к и о к р и с т а л л и ч е с к о м строении вещества и х а р а к т е р е химических связей.
ХАРАКТЕРНЫЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ
ВЕЩЕСТВ
К р и с т а л л ы построены из м а т е р и а л ь н ы х частиц — ионов, атомов или м о л е к у л , гео метрически п р а в и л ь н о р а с п о л о ж е н н ы х в пространстве. Д л я описания п о р я д к а распо л о ж е н и я частиц в пространстве их стали о т о ж д е с т в л я т ь с т о ч к а м и . И з такого подхода постепенно с ф о р м и р о в а л о с ь представление о пространственной, или к р и с т а л л и ч е с к о й , решетке к а к о бесконечном трехмерном периодическом образовании (рис. 1). В ней в ы д е л я ю т у з л ы (отдельные т о ч к и , центры т я ж е с т и атомов и ионов), р я д ы ( р я д — совокупность узлов, л е ж а щ и х на одной прямой) и плоские сетки (плоскости, про ходящие через любые т р и у з л а ) . Т а к и м образом, кристаллическое вещество имеет строго закономерное (решетчатое, или ретикулярное) внутреннее строение (от лат. reticulum—сеточка). Одна из главнейших особенностей кри сталлических с т р у к т у р — з а к о н о м е р н а я по вторяемость в пространстве их узлов, ря дов и плоских сеток. Отсюда х а р а к т е р н ы е свойства к р и с т а л л и ч е с к и х веществ: а) од нородность строения (однородностью кри с т а л л а назовём одинаковость узора взаим ного р а с п о л о ж е н и я атомов во всех ч а с т я х его объема); б) анизотропия (в изотроп ных т е л а х все свойства—теплопроводность, электропроводность, твёрдость ц а р а п а н и я и т . д . — одинаковы в любом направлении, а в анизотропных т е л а х все свойства неоди наковы в н е п а р а л л е л ь н ы х направлениях, т . е . , например, в одном направлении элек трический ток проходит быстрее, в дру г о м — медленнее); в) симметричность (см. гл. 3, с. 42). В а ж н ы м свойством к р и с т а л л и Рис. 1. Кристаллическая решетка галита. ческих веществ я в л я е т с я способность само о г р а н я т ь с я . П р и свободном росте из растворов к р и с т а л л ы , к а к п р а в и л о , ограничива ются плоскими г р а н я м и и п р я м ы м и ребрами, п р и н и м а я многогранную ф о р м у .
р
Б ы л и исследованы в о з м о ж н ы е простейшие в а р и а н т ы построения к р и с т а л л и ч е с к и х решеток в соответствии с з а к о н а м и их симметрии. О. Б р а в э д о к а з а л , ч т о существует т о л ь к о 14 типов полиэдров (рис. 2), из к о т о р ы х м о ж н о " с о б р а т ь " любую простран ственную решетку, а Е . С . Ф е д о р о в установил, что д л я этих решеток имеется 230 симметрийных законов р а с п о л о ж е н и я частиц. Р а з н ы е количественные соотношения хи мических элементов в минералах, 14 типов к р и с т а л л и ч е с к и х решеток и 230 з а к о н о в р а с п о л о ж е н и я частиц, — в с е это д а е т бесконечное число р е а л ь н ы х с т р у к т у р и минера лов.
19
Моноклинная а*Ь* с
Триклинная а ¥• с* а ot*pVr*90°
'Л
Моноклинная (базоцентрированная) р * 90°
З
с4
кварц, /?-кварц, а-тридимит, /?-тридимит, а-кристобалит, /?-кристобалит, коэсит, стишовит. К а ж д ы й из п о л и м о р ф о в имеет свою ф о р м у к р и с т а л л о в и свои свойства. П о л и м о р ф н ы е превращения с о п р о в о ж д а ю т с я изменениями энергии к р и с т а л л и ч е ской решетки и соответственно тепловыми э ф ф е к т а м и . Поэтому к а ж д а я из поли м о р ф н ы х м о д и ф и к а ц и й устойчива лишь в определенных пределах т е м п е р а т у р ы и да вления, что обычно хорошо о т р а ж а ю т специальные физико-химические д и а г р а м м ы (см. рис. 103, 132). Н а й д я тот или иной п о л и м о р ф в составе горной породы или руды, м о ж н о сделать по этим д и а г р а м м а м п р е д п о л о ж е н и я о некоторых из условий ф о р м и р о вания этих пород и руд. И з наблюдений и опытов известно т а к ж е , что на образование п о л и м о р ф о в м о ж е т в л и я т ь химическая обстановка. Т а к , переход одной п о л и м о р ф н о й модификации ZnS в другую (цинковой обманки в вюртцит и обратно) происходит при несколько р а з л и ч н ы х т е м п е р а т у р а х в зависимости от степени ж е л е з и с т о с т и среды, но при этом о к а з ы в а е т с я , что и сами м и н е р а л ы с о д е р ж а т разное количество ж е л е з а . Скорость перехода одной полиморфной модификации в д р у г у ю р а з л и ч н а д л я раз ных веществ. К р о м е того, д л я н а ч а л а полиморфного превращения, к а к и д л я н а ч а л а любого процесса, требуется преодолеть энергетический барьер. Поэтому некоторые ве щества могут с о х р а н я т ь с я в метастабильном состоянии, т. е. к а к бы инерционно суще ствовать в условиях, не свойственных им н а физико-химических д и а г р а м м а х . Т а к о в , например, а л м а з , устойчиво существующий в метастабильном состоянии при обычных д л я человека температуре и давлении. М е ж д у тем, судя по д и а г р а м м е (см. рис. 103), в э т и х у с л о в и я х он д о л ж е н б ы л бы легко и самопроизвольно п р е в р а щ а т ь с я в г р а ф и т . Э т а устойчивая метастабильность о б ъ я с н я е т с я большой прочностью химических свя зей в его к р и с т а л л и ч е с к о й с т р у к т у р е (см. с. 22) и потому высоким энергетическим барьером, к о т о р ы й надо преодолеть д л я н а ч а л а перехода одного м и н е р а л а в другой. 2
2
Х И М И Ч Е С К И Й СОСТАВ МИНЕРАЛОВ И ИЗОМОРФИЗМ
Среди минералов нет химически чистых веществ. В их с т р у к т у р у в х о д я т р а з л и ч н ы е химические примеси. В одних м и н е р а л а х количество т а к и х примесей незначительно, м ы н а з ы в а е м их м и н е р а л а м и постоянного состава. Т а к о в ы , например, к в а р ц Si02 (в нем содержание Al, Fe, N a и других элементов не превышает 0,01%), галит NaCl (его чистота обычно не менее 99,9%). Д р у г и е м и н е р а л ы с о д е р ж а т р а з н ы е (от незначитель ных до больших) количества химических примесей. Т а к , в р а з н ы х образцах с ф а л е р и т а ZnS количество примеси ж е л е з а колеблется от 0 д о 20 ат.% от с у м м ы Zn + Fe. Т а к и е м и н е р а л ы н а з ы в а ю т м и н е р а л а м и переменного состава, и г л а в н а я причина их существования — явление и з о м о р ф и з м а . Изоморфизмом н а з ы в а е т с я я в л е н и е з а м е н ы в кристаллической решетке м и н е р а л а одних химических элементов д р у г и м и . Т е р м и н " и з о м о р ф и з м " введен в литературу в 1819 г. Э. М и т ч е р л и х о м д л я описа ния своеобразного я в л е н и я : к р и с т а л л ы некоторых химически р а з н о р о д н ы х веществ подобны д р у г другу по своей ф о р м е (например, NaNOa и С а С О з ) . Позднее о к а з а л о с ь , что многие такие вещества нередко (но не всегда) подобны т а к ж е и по своей к р и с т а л л и ческой с т р у к т у р е и могут образовывать м е ж д у собой твердые, т . е . к р и с т а л л и ч е с к и е , растворы переменного химического состава. П р о и л л ю с т р и р у е м этот простейший случай и з о м о р ф и з м а н а примере д в у х минера л о в — магнезита MgCOe и сидерита FeCOe. К р и с т а л л ы у них м о р ф о л о г и ч е с к и одно типны, с т р у к т у р ы подобны д р у г другу. М е ж д у веществами M g C O s и FeCOe в природе 32
имеются все п р о м е ж у т о ч н ы е по составу разновидности; к а к говорят, они о б р а з у ю т ме ж д у собой непрерывный р я д т в е р д ы х (кристаллических) растворов. В химических ф о р м у л а х м и н е р а л о в переменного состава э л е м е н т ы , и з о м о р ф н о з а м е н я ю щ и е д р у г друга, объединяются в скобки, м е ж д у ними ставится з а п я т а я . Ф о р м у л а м а г н е з и т а имеет вид (Mg, F e ) C 0 3 , с и д е р и т а — ( F e , M g ) C 0 3 . Обратите внимание и не д е л а й т е та кую ошибочную запись ф о р м у л ы , к а к MgFeCOa — т а к о г о соединения нет: с у м м а з а р я дов катионов ( 8 + ) не скомпенсирована з а р я д о м анионов (6—). Если известны т о ч н ы е количественные соотношения и з о м о р ф н ы х элементов, в ф о р м у л е пишутся к о э ф ф и циенты: ( M g F e ) I O C O ; ( M g F e ) I O C O ; ( F e M g ) I C O ; ( F e 8 M g ) i C O и т. п. З д е с ь с у м м а к о э ф ф и ц и е н т о в внутри скобок р а в н а к о э ф ф и ц и е н т у з а скобкой ( 0 , 8 + 0,2 = 1 , 0 и т . д . ) , а з а п я т ы е м е ж д у символами элементов внутри скобок обычно не с т а в я т с я . В общем виде ту ж е ф о р м у л у м о ж н о написать т а к : ( M g F e J r ) C O . А к а д е м и к А . Е . Ф е р с м а н т а к о б ъ я с н и л возникновение этих соединений: " О б р а з о вание и з о м о р ф н ы х смесей отвечает общим з а к о н а м энтропии, особенно в у с л о в и я х высоких т е м п е р а т у р , и поэтому энергетически оно необходимо и более выгодно, чем образование ч и с т ы х соединений". В х о ж д е н и е и з о м о р ф н ы х примесей в м и н е р а л , естественно, происходит без суще ственного изменения к р и с т а л л и ч е с к о й решетки этого минерала, т а к к а к перестройка с т р у к т у р ы привела бы к образованию нового м и н е р а л а со своей пространственной ре шеткой. Поэтому при и з о м о р ф н о м замещении д о л ж н ы соблюдаться следующие усло вия: а) близость радиусов участвующих в этом явлении атомов (по п р а в и л у Г р и м м а — Г о л ь д ш м и д т а р а з н о с т ь радиусов в простых ионных к р и с т а л л а х обычно не превышает 15% от р а з м е р а меньшего атома); б) определенное сходство химических свойств заме няющих д р у г д р у г а элементов; в) сохранение э л е к т р о н е й т р а л ь н о с т и к р и с т а л л и ч е с к о й структуры минерала. В паре минералов магнезит — сидерит радиусы M g (0,078 нм, по В. М. Гольдшмидту) и F e (0,082 нм) близки, химические свойства их также сходны, оба д в у х в а л е н т н ы , т . е . н е й т р а л ь н о с т ь к р и с т а л л и ч е с к о й решетки сохраняется. 0 8
0 1 2
1
3
0 6
0 1 4
1
3
0 1 6
0 4
1 0
3
0 l
1-27
0 2
i 0
3
3
2 +
2 +
ТИПЫ ИЗОМОРФИЗМА
Т и п ы и з о м о р ф и з м а р а з л и ч а ю т с я м е ж д у собой по х а р а к т е р у сохранения электроней т р а л ь н о с т и к р и с т а л л и ч е с к о й решетки (по типу компенсации валентностей), по числу атомов, участвующих в и з о м о р ф н о м обмене, по с т р у к т у р н о м у п о л о ж е н и ю и з о м о р ф ных примесей, по степени совершенства. В соответствии с этим п р е д л о ж е н о несколько к л а с с и ф и к а ц и й явлений и з о м о р ф и з м а (табл. 1). 1. К л а с с и ф и к а ц и я по х а р а к т е р у компенсации валентностей: а) и з о в а л е н т н ы й и з о м о р ф и з м , когда валентность ионов одинаковая, н а п р и м е р за мена M g © 0 0 0 *
Диамагнитные
® © ®
®с д л я а л ь м а н д и н а в магнитном поле 80 - 1 0 А / м с о с т а в л я е т (80 - 150) • Ю с м / г , а в 80 • 1 0 А / м — ( 5 4 - 137) • 1 0 " с м / г . В т р е т ь е й группе х м и н е р а л о в в основном отрицательные, м и н е р а л слабо, но в ы т а л к и в а е т с я м а г н и т н ы м полем. Н е к о т о р ы е м и н е р а л ы (ильменит, с ф а л е р и т и др.) имеют при р а з н о м составе сильно р а з л и ч а ю щ и е с я магнитные свойства и могут попадать в р а з н ы е группы. Ф и з и ч е с к а я сущность я в л е н и я н а м а г н и ч и в а н и я з а к л ю ч а е т с я в том, что к а ж д ы й э л е к т р о н , в р а щ а я с ь вокруг своей оси, создает вокруг себя магнитное поле силой в один магнетон Б о р а ( 0 , 9 2 7 • 1 O Д ж / Т л ) . В зависимости от магнитной с т р у к т у р ы (она о п р е д е л я е т с я числом неспаренных электронов, их взаимной ориентацией в простран стве и общим х а р а к т е р о м химической связи) магнитные моменты атомов либо взаимно компенсируются (полностью или частично), либо этого не происходит. Все вещества, в т о м числе и м и н е р а л ы , д е л я т на этой основе на д и а м а г н и т н ы е , п а р а м а г н и т н ы е , ф е р ромагнитные, а н т и ф е р р о м а г н и т н ы е (скомпенсированные и нескомпенсированные, их еще н а з ы в а ю т ф е р р и м а г н и т н ы м и ) . Степень намагничивания минералов возрастает от н а ч а л а этого р я д а к концу. Магнетит и пирротин я в л я ю т с я нескомпенсированными а н т и ф е р р о м а г н и т н ы м и ( и н а ч е — ф е р р и м а г н и т н ы м и ) веществами. С х е м ы м а г н и т н ы х с т р у к т у р некоторых веществ д а н ы на рис. 72. Н а них элементарные м а г н и т н ы е за р я д ы обозначены к р у ж к а м и с векторами. В магнетите з а счет трехвалентного ж е л е з а всегда и м е ю т с я неспаренные э л е к т р о н ы , их в е к т о р ы ориентированы н а схемах в одну сторону, о т р а ж а я тот ф а к т , что эти элементарные магнитные з а р я д ы нескомпенсированы; м и н е р а л я в л я е т с я природным магнитом. С р а в н и м его схему со схемой струк т у р ы гематита: в ней все в е к т о р ы взаимно скомпенсированы, гематит не о б н а р у ж и в а е т полярной намагниченности и, следовательно, не м о ж е т б ы т ь природным магнитом. 4
_ 6
3
3
- 6
3
4
6
3
-23
Рис. 73. Доменное магнитное строение зерна пирротина, о — в нормальном состоянии, 6—в магнитном поле.
К а к любое свойство, магнетизм п р о я в л я е т с я в пределах одного к р и с т а л л а анизо тропно. У магнетита, например, наибольшее намагничивание н а б л ю д а е т с я в д о л ь осей симметрии 1/з, их н а з ы в а ю т магнитными осями к р и с т а л л а . В одном к р и с т а л л е маг нетита ч е т ы р е магнитные оси — по числу L3. У пирротина одна м а г н и т н а я ось, пер п е н д и к у л я р н а я т а б л и т ч а т о с т и его к р и с т а л л о в . К р и с т а л л ы магнетита и пирротина имеют доменное строение: в п р е д е л а х одного к р и с т а л л а или з е р н а в ы д е л я е т с я м н о ж е с т в о мельчайших (от 1 0 ~ д о 1 0 ~ см) у ч а с т к о в с р а з н ы м и в е к т о р а м и намагниченности (рис. 73). Векторы соседних доменов обычно компенсируют д р у г друга, но э т а с т р у к т у р а м о ж е т б ы т ь и нескомпенсированной. 5
93
3
Магнитные свойства магнетита, к а к и других и з о м о р ф н ы х смесей, з а в и с я т от хими ческого состава м и н е р а л а : чем больше в магнетите а л ю м и н и я и т и т а н а , з а н и м а ю щ и х с т р у к т у р н ы е позиции F e + , тем слабее его магнитные свойства. И, наконец, еще одна особенность магнитных свойств п р о я в л я е т с я в з е р н и с т ы х агре гатах и рудах. Под действием магнитного поля З е м л и в течение геологического вре мени в них иногда происходит п а р а л л е л ь н а я или б л и з к а я к этому ориентация векторов намагниченности о т д е л ь н ы х зерен. К у с о к руды превращается в природный магнит, он имеет свои полюса. Если при определении ф и з и ч е с к и х свойств руды, к а к вы думаете, магнетитовой, она не притягивает минерал, будьте в н и м а т е л ь н ы : образец магнетитовой руды м о ж е т п р и т я г и в а т ь один конец магнитной с т р е л к и , а другой — о т т а л к и в а т ь . 3
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
В большинстве своем м и н е р а л ы я в л я ю т с я плохими проводниками э л е к т р и ч е с т в а (обладают малой электропроводностью), исключение с о с т а в л я ю т самородные ме т а л л ы — золото, медь, серебро и другие, с у л ь ф и д ы , некоторые оксиды (магнетит) и графит, удельное сопротивление к о т о р ы х менее 10 Ом • м. Р я д минералов обладает одновременно электронной и ионной проводимостью элек тричества. Т а к о в ы в первую очередь марказит, пирит, халькопирит, борнит, с ф а л е р и т и другие с у л ь ф и д ы м е т а л л о в . В поверхностных зонах руд, смоченных грунтовыми и другими подземными водами, н а к о н т а к т а х зерен с у л ь ф и д о в в о з н и к а ю т микрогальва нические элементы. И з м е р е н и я Э Д С показывают, что с у л ь ф и д ы м о ж н о в ы с т р о и т ь по отношению к водороду в такой ж е р я д н а п р я ж е н и й , к а к и м е т а л л ы . Н а п р и м е р , д л я раствора KCl этот р я д следующий (по Г . Б . С в е ш н и к о в у ) , Э Д С д а н а в эВ: м а р к а з и т + 0 , 5 5 , пирит + 0 , 4 5 , х а л ь к о п и р и т + 0 , 4 0 , арсенопирит + 0 , 3 5 , борнит + 0 , 3 0 , пирро тин + 0 , 2 5 , галенит + 0 , 2 0 , молибденит + 0 , 1 5 , с ф а л е р и т + 0 , 1 0 . Возникновение Э Д С в о з б у ж д а е т протекание по к о н т а к т а м зерен р а з л и ч н ы х химических реакций. Н а использовании э л е к т р и ч е с к и х свойств минералов основаны р а з л и ч н ы е методы электроразведки месторождений полезных ископаемых — методы сопротивления, есте ственного электрического п о л я , з а р я ж е н н о г о т е л а , вызванной п о л я р и з а ц и и и д р . Сегнетоэлектриками я в л я ю т с я м и н е р а л ы с п о л я р н ы м и н а п р а в л е н и я м и в их кри с т а л л а х . П р и р а с т я ж е н и и — с ж а т и и к р и с т а л л о в - д и э л е к т р и к о в в д о л ь п о л я р н о й оси возникает Э Д С (прямой э ф ф е к т ) , если ж е к концам полярной оси п р и л о ж и т ь пере менное электрическое поле, к р и с т а л л начнет с ж и м а т ь с я и р а с ш и р я т ь с я в д о л ь п о л я р ной оси (обратный э ф ф е к т ) . Известно более 1200 веществ-пъезоэлектриков. Наиболее сильно этот э ф ф е к т п р о я в л я е т с я в кварце, а из искусственных в е щ е с т в — в сегнетовой соли N a K C H O e • 4НгО, т и т а н а т е б а р и я В а Т Ю з Пироэлектричество т а к ж е возникает в кристаллах-диэлектриках с полярны ми н а п р а в л е н и я м и . П р и нагревании (или охлаждении) р а з н ы е концы э т и х п о л я р ных направлений п о л у ч а ю т разноимен ные электрические з а р я д ы . П р и м е р о м м и н е р а л а - п и р о э л е к т р и к а я в л я е т с я тур^ малин (ось Ьз в нем — п о л я р н а я ) (рис. 74). Э л е к т р и ч е с к и е оси в сегнетоэ л е к т р и к а х совпадают с п о л я р н ы м и на п р а в л е н и я м и в их к р и с т а л л а х . 4
4
Рис. 7 4 - Проявление пьезо- и пироэффекта в кристаллах с полярными направлениями. а — типичный пироелектрик турмалин; 6—типичный пьезоэлектрик кварц.
94
Контрольные
вопросы
1. Чем обусловлена и в чем заключается анизотропия свойств у кристаллов кварца и тур малина? 2. Как меняются свойства изоморфных смесей? 3. Какова роль хромофоров в окраске минералов? 4. Каковы типичные примеры анизотропии в окраске минералов? 5. Лайте примеры окраски, вызванной электронно-дырочными центрами и переносами за ряда. 6 . Как соотносятся значения фактической твердости минералов в шкале Мооса? 7. Чем спайность отличается от излома и отдельности? 8 . Каковы главные типы магнитных структур минералов? 9. Что такое ряд напряжений сульфидов?
Глава ГЕНЕЗИС
6
МИНЕРАЛОВ
ПОНЯТИЕ О ГЕНЕЗИСЕ МИНЕРАЛОВ И ГЕНЕТИЧЕСКОЙ МИНЕРАЛОГИИ
Генезис (от греч. genesis) означает происхождение, возникновение, процесс обра з о в а н и я . Н а п р и м е р , в биологических н а у к а х генезис п о ч в — э т о п р о и с х о ж д е н и е и процесс образования почв. Аналогично и м ы будем понимать под генезисом мине рала его происхождение, возникновение, процесс его образования. Б о л е е к о н к р е т н о и предметно: в понятие генезиса м и н е р а л о в м ы в к л ю ч а е м к а к м о м е н т ы предыстории, создающей в зависимости от геологической обстановки те или иные у с л о в и я д л я кри с т а л л и з а ц и и м и н е р а л о в , т а к и саму и с т о р и ю и х ж и з н и — з а р о ж д е н и е , рост, су ществование. Р а с с м а т р и в а я генезис минералов с позиций д и а л е к т и к и природы, н е л ь з я остановиться и и с к л ю ч и т ь из истории ж и з н и следующий этап эволюции в е щ е с т в а — изменения м и н е р а л о в и их разрушение. К о н к р е т н ы е я в л е н и я з а р о ж д е н и я зерен и индивидов м и н е р а л а , их рост и последующие изменения и р а з р у ш е н и е о б ъ е д и н я ю т с я Д . П. Григорьевым под общим названием онтогении минерала. Генетическая минера л о г и я изучает генезис м и н е р а л о в в полном объеме этого п о н я т и я , н а ч и н а я с геологи ческих ф а к т о р о в и физико-химической обстановки образования м и н е р а л о в , исследуя процессы з а р о ж д е н и я к р и с т а л л о в , их роста и существования и к о н ч а я я в л е н и я м и их разрушения. Генетическая м и н е р а л о г и я — один из с а м о с т о я т е л ь н ы х и в а ж н е й ш и х р а з д е л о в со временной минералогии. Она о ф о р м и л а с ь после основополагающих работ В. И. Вер надского, рассматривавшего минералогию к а к естественно-историческую науку. В . И . В е р н а д с к и й писал: " Я п о л о ж и л в основу широкое изучение минералогических процессов земной к о р ы , о б р а щ а я особое внимание на процесс, а не т о л ь к о на исследо вание продукта процесса (минерала), на динамическое изучение процессов, а не т о л ь к о н а статическое изучение их п р о д у к т о в " . Ученик В . И . В е р н а д с к о г о П . П . П и л и п е н к о в 1915 г. образно с к а з а л : " М и н е р а л ы р о ж д а ю т с я , живут, борются и погибают побе ж д е н н ы е . И х место з а н и м а ю т победители, чтобы подвергнуться той ж е у ч а с т и . И д е т непрерывный обмен веществ". С а м т е р м и н " г е н е т и ч е с к а я м и н е р а л о г и я " б ы л введен в науку в 1912 г. д р у г и м уче ником В . И . В е р н а д с к о г о — А . Е . Ф е р с м а н о м . Он создал стройную теорию образова ния м и н е р а л ь н ы х м е с т о р о ж д е н и й особого т и п а — п е г м а т и т о в , п о к а з а в в ней генетиче скую минералогию в полном ее объеме — от рассмотрения геологических и ф и з и к о химических условий м и н е р а л ©образования д о д е т а л е й роста к р и с т а л л о в . В этом ж е объеме шло р а з в и т и е генетической минералогии в с п е ц и а л ь н ы х т р у д а х Н . М . Фе доровского, ГТ ТТ.Пилипенко, Н . А . С м о л ь я н и н о в а , П . В . К а л и н и н а , С . М . К у р б а т о в а , В. Ф. Б а р а б а н о в а , Е. К . Л а з а р е н к о . Т а к о й ж е всеобъемлющей наукой предстает она в 96
учебниках генетической минералогии Е. К . Л а з а р е н к о , В. Ф. Б а р а б а н о в а и Е. А. С т а н к е ева, правда, в последнем м а л о в н и м а н и я уделено в а ж н е й ш е й составной ч а с т и генезиса м и н е р а л о в — их онтогении. И т а к , г е н е т и ч е с к а я м и н е р а л о г и я в ы я с н я е т условия, закономерности, процессы, при водящие к образованию м и н е р а л о в и их м е с т о р о ж д е н и й . О т с ю д а о б ъ е к т а м и иссле д о в а н и я генетической минералогии я в л я ю т с я к а к сами м и н е р а л ы , т а к и м и н е р а л ь ные м е с т о р о ж д е н и я . Минеральное месторождение — это определенное геологическое тело или е д и н а я группа геологических тел, х а р а к т е р и з у ю щ и х с я з а к о н о м е р н ы м мине р а л ь н ы м составом и некоторыми специфическими процессами своего о б р а з о в а н и я . В п р е д е л а х м е с т о р о ж д е н и я к а ж д ы й м и н е р а л м о ж е т в с т р е ч а т ь с я в виде разрозненной вкрапленности в горных породах и рудах, м о ж е т о б р а з о в ы в а т ь в них систему гнезд, л и н з , п р о ж и л к о в , м о ж е т в с т р е ч а т ь с я в виде сплошных ж и л и з а л е ж е й разной ф о р м ы . Х а р а к т е р р а с п р е д е л е н и я м и н е р а л а в м е с т о р о ж д е н и и , набор минералов-спутников и последовательность их к р и с т а л л и з а ц и и о п р е д е л я ю т с я у с л о в и я м и о б р а з о в а н и я место рождения. Т е р м и н " м и н е р а л ь н о е месторождение" введен в 1911 г. В . Л и н д г р е н о м и с тех пор прочно вошел в литературу. Он используется в п у б л и к а ц и я х В . Л и н д г р е н а (1913, 1 9 3 3 — 1 9 3 5 ) , В . Э м м о н с а (1918), Г . Ш н е й д е р х ё н а (1921), А . М . Б э т м а н а (1949), Д . Р и д ж а (1972), в учебнике минералогии А . Г . Б е т е х т и н а , А . К . Б о л д ы р е в а , М . Н . Г о д левского и д р . (1936), с 1966 г. в Ф Р Г и з д а е т с я специальный научный ж у р н а л Mineralium D e p o s i t a — " М и н е р а л ь н о е м е с т о р о ж д е н и е " . Ч а с т ь м и н е р а л ь н ы х месторо ж д е н и й имеет п р о м ы ш л е н н у ю ценность, их н а з ы в а ю т м е с т о р о ж д е н и я м и п о л е з н ы х ис копаемых, а по определению А. М . Б э т м а н а ( 1 9 4 9 ) , — э т о п р о м ы ш л е н н ы е м и н е р а л ь н ы е м е с т о р о ж д е н и я . Они п о д р а з д е л я ю т с я на рудные м е с т о р о ж д е н и я и м е с т о р о ж д е н и я нерудных п о л е з н ы х ископаемых (пьезосырье, драгоценные к а м н и , п л а в и к о в ы й шпат, слюда и т.п.). О б ъ е к т ы р а з н о о б р а з н ы и цели генетических исследований в минералогии, к а к видно, широки, естественно поэтому, что о ф о р м и л и с ь р а з н ы е н а п р а в л е н и я э т и х ис следований, порой, к с о ж а л е н и ю , сильно обособленные д р у г от д р у г а . Н а з о в е м глав нейшие и з них: 1) в ы я в л е н и е геологических закономерностей о б р а з о в а н и я минералов; 2) ф и з и к о - х и м и ч е с к и е (теоретические и экспериментальные) исследования по опреде лению условий минералообразования; 3) выяснение источников вещества; 4) термобар о м е т р и я и установление химической природы сред м и н е р а л о о б р а з о в а н и я ; 5) изучение онтогении минералов; 6) лабораторное моделирование природных процессов роста к р и сталлов. СРЕДЫ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ
Физико-химические среды образования м и н е р а л о в и роста их к р и с т а л л о в т а к о в ы : м а г м а , водный ж и д к и й раствор, газ, гетерогенные системы газ — ж и д к о с т ь , к о л л о и д ные р а с т в о р ы , т в е р д ы е (кристаллические и а м о р ф н ы е ) среды. Магма по своей физико-химической сущности я в л я е т с я не п р о с т ы м р а с п л а в о м (ка к о в ы , н а п р и м е р , вода по отношению ко льду, р а с п л а в л е н н ы й с а х а р по отношению к к р и с т а л л и ч е с к о м у сахару; в них состав ж и д к о с т и полностью отвечает составу кри с т а л л а ) . М а г м а — э т о особый раствор, вернее р а с т в о р - р а с п л а в . Г р а н и т н а я м а г м а по составу не точно т о ж д е с т в е н н а гранитам, м а г м а , из которой к р и с т а л л и з у ю т с я м и н е р а л ы габбро, имеет несколько иной, чем у габбро, состав и т . д . М а г м а т и ч е ский р а с п л а в — это с и л и к а т н ы й (а потому в я з к и й и существующий т о л ь к о при высо ких т е м п е р а т у р а х ) р а с т в о р , в нем в р а с т в о р и т е л е существуют подобно в о д н ы м рас т в о р а м анионы и катионы, простые и к о м п л е к с н ы е , а т а к ж е анионные, т а к н а з ы в а е м ы е сиботаксические, группы. По п р е д с т а в л е н и я м Н . В . Б е л о в а (1953, 1959), в магме имеются, например, такие сиботаксические группы, к а к ( S i 2 0 7 ) , T i ( S i O a ) " , 6 -
97
2
-
1 2
6 n
1 0
1 0
5
4 -
( S i O i ) " , n ( S i 0 n ) - , ( M g O ) " , ( C a O ) - , ( A l O ) - , ( S i O ) . Это к а к б ы го товые остовы д л я к р и с т а л л и з а ц и и , "сборки с т р у к т у р " силикатов (рис 75). К р о м е них, в магме имеются Н, S, Cl, F , С ( ф о р м а их н а х о ж д е н и я неясна), а т а к ж е Na, К и д р . П у т е м к р и с т а л л и з а ц и и из м а г м ы образуются главные породообразующие м и н е р а л ы магматических горных пород и некоторые руды в них (хромовые, ж е л е з н ы е , титано вые и д р . ) . 6
8
4
6
6
4
4
Водные жидкие растворы о б р а з у ю т с я з а счет эн догенных и экзогенных процессов, первые н а з ы в а ю т г и д р о т е р м а л ь н ы м и , вторые — поверхностными (вадозными) растворами. И м е е т с я несколько источников Н г О в гидротер м а л ь н ы х растворах. Во-первых, э т о з а с т ы в а ю щ и е магматические очаги. П р и к р и с т а л л и з а ц и и м а г м ы от нее постепенно о т д е л я ю т с я летучие вещества. Ми грируя во вмещающие породы, они конденсируются с образованием ж и д к и х м и н е р а л и з о в а н н ы х водных растворов. Во-вторых, Н г О и СО2 в ы д е л я ю т с я в глубинных зонах земной к о р ы з а счет реакций деги дратации и декарбонатизации глин, мергелей, к в а р цевых известняков и других осадочных горных по род при процессах их регионального м е т а м о р ф и з м а . Рис. 75. Идеализированная В-третьих, источником Н г О я в л я ю т с я процессы де схема строения магмы (MuIгазации мантии, выделение из нее углеводородов и ler, Saksena, 1977). их окисление при подъеме во все более верхние го р и з о н т ы земной к о р ы с образованием Н2О и СОг- Реакции о п и с ы в а ю т с я следующей схемой: C H + 2O = 2 H O + CO . Они идут с выделением тепла, с о п р о в о ж д а ю т с я разогревом ф л ю и д о в и мощным прогревом о к р у ж а ю щ и х горных пород. Еще один источник — это поверхностные воды. Исследования п о к а з а л и , ч т о они могут мигрировать вниз д о глубин 500 м и более, постепенно р а з о г р е в а я с ь и м и н е р а л и з у я с ь з а счет извлечения веществ из горных пород н а своем пути. Источники веществ, растворенных в H O , т а к ж е р а з л и ч н ы . Ч а с т ь растворенных компонентов выносится вместе с H O из магматических очагов, из дегазирующей ман тии, из пород, подвергающихся процессам м е т а м о р ф и з м а . Ч а с т ь компонентов извлека ется р а с т в о р а м и из горных пород н а п у т я х миграции растворов. Главной ф о р м о й пере носа веществ г и д р о т е р м а л ь н ы м и растворами я в л я ю т с я к о м п л е к с н ы е ионы (табл. 14). П р и м е р ы м и н е р а л ь н ы х м е с т о р о ж д е н и й , образовавшихся из г и д р о т е р м а л ь н ы х раство ров, многочисленны, назовем л и ш ь промышленные руды р а з н ы х с у л ь ф и д о в — п и р и т а FeS2, х а л ь к о п и р и т а CuFeS2, галенита P b S . Поверхностные водные р а с т в о р ы — э т о , во-первых, грунтовые, к а р с т о в ы е , почвен ные воды, из них к р и с т а л л и з у ю т с я , например, карбонаты — ( к а л ь ц и т и арагонит) в виде с т а л а к т и т о в и других образований в к а р с т о в ы х пещерах. Во-вторых, это озерные, морские, л а г у н н ы е воды. И з них в процессе к р и с т а л л и з а ц и и о б р а з у ю т с я , например, з а л е ж и каменной соли, гипса, некоторых разновидностей и з в е с т н я к о в . Газ к а к среда к р и с т а л л и з а ц и и в минералообразующих процессах относительно ре док. И з вулканических газов к р и с т а л л и з у ю т с я гематит РегОз, н а ш а т ы р ь N H C l и некоторые другие м и н е р а л ы . И з газов нередко р а с т у т к р и с т а л л ы л ь д а . Граничные значения д а в л е н и я и т е м п е р а т у р ы , при к о т о р ы х идет природное минералообразование из газа, м о ж н о оценить по д и а г р а м м а м ф а з о в ы х равновесий H O ,
у? 6¾
4
2
2
2
2
2
4
2
98
Т а б л и ц а 14. В о з м о ж н ы е ф о р м ы п е р е н о с а м е т а л л о в в г и д р о т е р м а л ь н ы х р а с т в о р а х (по З о т о в у и д р . ) Химический элемент Медь
Форма переноса (комплексные ионы)
Слабокислые и нейтральные растворы, относительно высокие температуры Щелочные растворы, менее высокие температуры Растворы с повышенной щелочностью, температура менее 450 C
(CuCl )2
(Cu(HS) )2
Молибден
(NaHMoO )
Условия
0
4
0
(KHMoO ) (HMoO )-
0
4
Нейтральные среды, температура более 4 5 0 C Температура 350 - 450 C
4
0
Золото
0
(Au(HS) )" (AuCl )(AgCl )2
2
Серебро
Температура более 200 - 250 C Температура менее 250 C
2
0
0
(Ag(HS) )" 2
C O и их смесей. Н а п р и м е р , н а д и а г р а м м е д л я H O видно, что поле г а з а н и ч т о ж н о м а л о . В природных (геологических) пределах значений т е м п е р а т у р и д а в л е н и й H O я в л я е т с я ж и д к о с т ь ю или находится в надкритическом (флюидном) с о с т о я н и и — э т о и не газ, и не ж и д к о с т ь . Ориентировочные пределы г и д р о т е р м а л ь н ы х , газовых (пневматолитовых) и н а д к р и т и ч е с к и х (флюидных) систем п о к а з а н ы на специальной схеме (рис. 76), на которой изменение т е м п е р а т у р ы с глубиной соответствует геотермобаре 3 5 ° С / к м . Растворение р а з н ы х веществ в H O , в принципе, не м е н я е т д и а г р а м м ы . Н а ф а з о в ы х д и а г р а м м а х состояний C O поле газа намного меньше, чем у H O , т а к к а к критические з н а ч е н и я т е м п е р а т у р и давлений у C O меньше, чем у H O . Гетерогенные системы (газ — вода, газ — водный раствор) о б р а з у ю т с я в особых с л у ч а я х . Наиболее очевидны причины их образования в областях современной вул канической д е я т е л ь н о с т и при просачивании горячих водных растворов ( т е р м а л ь н ы х вод) по системам трещин вверх. Д о с т и г а я некоторого уровня по отношению к дневной поверхности, они переходят то пороговое значение д а в л е н и я , после которого з а счет дальнейшего подъема р а с т в о р а и падения внешнего д а в л е н и я н а ч и н а е т с я испарение самого р а с т в о р а и выделение из него растворенных в воде г а з о в — C O и д р . Т а к ж е дегазируют воды м и н е р а л ь н ы х источников. 2
2
2
2
2
2
2
2
2
Коллоидные растворы я в л я ю т с я средой д л я образования м и н е р а л о в в придонных и л а х и других осадках водных бассейнов и во в р е м я их син- и диагенеза. Т а к воз никают р а з л и ч н ы е глинистые минералы, гидроксиды а л ю м и н и я и ж е л е з а , часто д л я них х а р а к т е р н о оолитовое строение агрегатов. Ф а к т ы несомненного о б р а з о в а н и я мине р а л о в з а счет р а с к р и с т а л л и з а ц и и коллоидов в горячих водных р а с т в о р а х о т м е ч а ю т с я р е ж е : т а к о в ы с л у ч а и выпадения гелей кремневого состава в т е р м а л ь н ы х водах в обла с т я х современного в у л к а н и з м а и ф а к т ы их р а с к р и с т а л л и з а ц и и с образованием опала. Р о л ь коллоидов в земной коре и место их в процессах минералообразования всесто ронне освещены в работах Ф. В. Ч у х р о в а . Исследования Л . М. Л е б е д е в а (1965, 1985) по к а з а л и , ч т о к о л л о и д ы несомненно участвуют в образовании минералов. Он установил, что при современных г и д р о т е р м а л ь н ы х процессах в о б л а с т я х вулканической д е я т е л ь ности в виде гелей о т л а г а ю т с я а м о р ф н ы е массы, з а счет р а с к р и с т а л л и з а ц и и к о т о р ы х 99
Рис. 76. Приблизительные границы гидротермальных, пневматолитовых и надкритических состояний H O в геологиче ских условиях (Булах, 1977). 2
Vo —изохоры; жирные линии — изолинии геотермического градиента; Kp. т. — критическая точка воды.
образуются некоторые м и н е р а л ы , например с у л ь ф и д ы м ы ш ь я к а , с у р ь м ы , цинка, меди, железа. Твердые среды образования м и н е р а л о в могут б ы т ь а м о р ф н ы м и и к р и с т а л л и ч е с к и м и . Д л я первых с л у ж и т примером р а с к р и с т а л л и з а ц и я вулканического с т е к л а . Д л я вто р ы х в о з м о ж н ы т р и т и п а я в л е н и й . Во-первых, это п о л и м о р ф н ы е п р е в р а щ е н и я веществ: переход а л м а з а в графит, высокотемпературного к в а р ц а в н и з к о т е м п е р а т у р н ы й , ара гонита ( С а С О з ромбической сингонии) в к а л ь ц и т ( С а С О з т р и г о н а л ь н о й сингонии) и т . п . Т а к возникают псевдоморфозы одной полиморфной м о д и ф и к а ц и и по другой, их н а з ы в а ю т параморфозами. Во-вторых, это распад т в е р д ы х растворов н а смесь ф а з , в - т р е т ь и х — м е т а м и к т н ы й р а с п а д р а д и о а к т и в н ы х минералов н а смесь ф а з под дей ствием собственного а - и з л у ч е н и я . П Р И Ч И Н Ы И СПОСОБЫ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ Причипь оСразования м и н е р а л о в в р а з н ы х средах могут б ы т ь , очевидно, следу ющими: переохлаждение расплавов, пересыщение растворов, п е р е о х л а ж д е н и е газов, изменение т е м п е р а т у р ы и д а в л е н и я , а-излучение. Д о б а в и м к ним электрохимиче ские я в л е н и я и ж и з н е д е я т е л ь н о с т ь организмов. О д н а к о все эти п р и ч и н ы я в л я ю т с я , 100
в сущности, р а з н ы м и ф о р м а м и реализации одного и того ж е ф а к т о р а к р и с т а л л и з а ц и и — некоторого порогового пересыщения, обеспечивающего з а р о ж д е н и е и последую щий рост к р и с т а л л о в . Способом образования минералов назовем процесс заполнения их к р и с т а л л а м и того объема, к о т о р ы й з а н я т ими в минеральном месторождении. Т а к в ы д е л и м свободную к р и с т а л л и з а ц и ю минералов, метасоматоз и п е р е к р и с т а л л и з а ц и ю . П р и м е р ы свободной кристаллизации п р о с т ы — э т о рост п о р ф и р о в ы х в к р а п л е н н и к о в полевых шпатов и других м и н е р а л о в в э ф ф у з и в а х , рост горного х р у с т а л я в д р у з а х , хотя здесь свободно р а с т у т т о л ь к о несоприкасающиеся части к р и с т а л л о в . П р и м е р а м и метасоматического образования минералов я в л я ю т с я псевдоморфозы и выросшие в твердой зернистой массе м и н е р а л о в ф у т л я р о в и д н ы е к р и с т а л л ы б е р и л л а и апатита, п о р ф и р о б л а с т ы г р а н а т а в гнейсе (рис. 77). Но эти п р и м е р ы — л и ш ь ч а с т н ы е с л у ч а и метасоматоза.
Рис. 77. Схема строения (6) и последовательность роста (1 — 5), порфиробласта граната в гнейсе.
Т е р м и н " м е т а с о м а т о з " впервые употреблен К . Ф. Науманном в середине XIX в. д л я описания одной из разновидностей псевдоморфоз. Сущность этого я в л е н и я полно рас к р ы т а В. Л и н д г р е н о м (1933) к а к процесс п р а к т и ч е с к и одновременного к а п и л л я р н о г о растворения и о т л о ж е н и я , с помощью которого новый минерал, имеющий ч а с т и ч н о или полностью иной химический состав, м о ж е т расти в т е л е исходного м и н е р а л а или минерального агрегата. Н . И . Н а к о в н и к у к а з а л (1949), ч т о метасоматические з а м е щения происходят не т о л ь к о через к а п и л л я р ы и пленочные р а с т в о р ы , но и сквозь к р и с т а л л и ч е с к у ю решетку з а счет д и ф ф у з и и через нее ионов. М е т а с о м а т о з — м о щ н о е геологическое явление, приводящее к ф о р м и р о в а н и ю р а з н о о б р а з н ы х по минеральному составу м е т а с о м а т и т о в (т. е. горных пород метасоматического п р о и с х о ж д е н и я ) й руд. Его х и м и ч е с к а я сторона изучена и освещена в работах В . Л и н д г р е н а , Д . С . К о р ж и н ского, Н . И. Н а к о в н и к а , Ю . В . К а з и ц ы н а и д р . Простейшим примером м е т а с о м а т и т а и р у д ы в нем я в л я е т с я грейзен. Это кварц-слюдяной агрегат, образовавшийся на месте г р а н и т а под действием н а него р а с т в о р а глубинного п р о и с х о ж д е н и я з а счет химиче ских реакций т и п а 3K(AlSi O ) + 2 H 3
8
микроклин
+
+
= KAl (AlSi Oi )(OH) + 6SiO + 2 K . 2
3
мусковит
0
2
2
кварц
Одновременно в грейзены привносится олово, к р и с т а л л и з у ю щ е е с я в виде оксида (минерала касситерита) S n O . Грейзены с касситеритом я в л я ю т с я рудой н а олово. Перекристаллизация — это повторная к р и с т а л л и з а ц и я новых к р и с т а л л о в з а счет с т а р ы х . О н а м о ж е т происходить с укрупнением з е р н а и с уменьшением (рекристал л и з а ц и я ) , без изменения химического состава и с изменением (как п р а в и л о , при пере2
101
к р и с т а л л и з а ц и и м и н е р а л ы о с в о б о ж д а ю т с я от химических примесей). П е р е к р и с т а л л и з а ц и я м о ж е т о с у щ е с т в л я т ь с я в газообразном, ж и д к о м , твердом состояниях. Перекри с т а л л и з а ц и я минералов широко распространена при диагенезе и м е т а м о р ф и з м е горных пород. К а к частный пример перекристаллизации м о ж н о р а с с м а т р и в а т ь п о л и м о р ф н ы е превращения минералов. ТИПЫ МИНЕРАЛЬНЫХ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Минеральные м е с т о р о ж д е н и я — понятие условное. М и н е р а л ы о б р а з у ю т с я в опре деленной обстановке, непрерывно или с перерывами, совместно с д р у г и м и м и н е р а л а м и или порознь, что объективно зависит от р а з н ы х ф а к т о р о в . Т а к ж е условны границы м и н е р а л ь н ы х месторождений: они проводятся по некоторому произвольно принима емому пороговому с о д е р ж а н и ю каких-либо х а р а к т е р н ы х минералов (или полезных компонентов — д л я п р о м ы ш л е н н ы х м и н е р а л ь н ы х месторождений). В соответствии с условностью самого п о н я т и я м о ж н о п р е д л о ж и т ь разные принципы к л а с с и ф и к а ц и и ми н е р а л ь н ы х месторождений — по генезису, ф о р м е м и н е р а л ь н ы х т е л , м а с ш т а б а м мине рализации, одноактности или многоактности процессов, с в я з и их с единым геологиче ским явлением или с р а з н ы м и , в том числе р а з о р в а н н ы м и во времени геологическими процессами. Наиболее продуктивны к л а с с и ф и к а ц и и , выполненные на генетической основе, но и эта основа м о ж е т б ы т ь разной — по физико-химическому х а р а к т е р у среды, способам и химической обстановке минералообразования, по связи с р а з л и ч н ы м и геологическими процессами, по источникам вещества и т . д . Это породило появление в геологической л и т е р а т у р е м н о ж е с т в а в а р и а н т о в к л а с с и ф и к а ц и й м и н е р а л ь н ы х и в, частности, про м ы ш л е н н ы х м и н е р а л ь н ы х месторождений. П е р в а я генетическая к л а с с и ф и к а ц и я м и н е р а л ь н ы х месторождений, в целом завое в а в ш а я широкое признание, б ы л а создана В. Л и н д г р е н о м в 1906 г., а последний ее ва р и а н т — в 1933 г. Д л я рудных месторождений к л а с с и ф и к а ц и и п р е д л а г а л и с ь В . А . О б р у ч е в ы м (1928), П . Н и г г л и (1933), П . М . Т а т а р и н о в ы м (1955), Г . Ш н е й д е р х ё н о м (1958), И. Г . М а г а к ь я н о м (1961), В . И . С м и р н о в ы м (1974) и д р . П о с л е д н я я общая к л а с с и ф и к а ция м и н е р а л ь н ы х (именно минеральных) месторождений б ы л а д а н а Е. К . Л а з а р е н к о (1979). П р и н я т а я в этом учебнике систематика главнейших типов м и н е р а л ь н ы х месторо ждений приведена в табл. 15. Она не претендует на д о конца последовательную и логически р а з в и т у ю к л а с с и ф и к а ц и ю . С м ы с л ее гораздо проще и утилитарнее: вопервых, с в я з а т ь представления об условиях минералообразования с теми сведениями о геологических процессах, к о т о р ы е б ы л и получены студентами в курсе общей геоло гии; во-вторых, м а к с и м а л ь н о согласовать ее с теми терминами (с т е м их с м ы с л о м ) , которые будут д а н ы студентам при прохождении курсов п е т р о г р а ф и и , п о л е з н ы х иско паемых, литологии. В основу принятой нами систематики п о л о ж е н ы к р а т к и е класси ф и к а ц и и месторождений полезных ископаемых по В. И. Смирнову (1974) и П. М. Т а т а ринову (1975), но они, с одной стороны, упрощены з а счет и з ъ я т и я из них т а к и х редких или преподаваемых т о л ь к о на старших курсах месторождений, к а к карбонатитовые, альбититовые и т . п . , с другой стороны, они дополнены и изменены: учтено нали чие эксгаляционных ( ф у м а р о л ь н ы х ) месторождений, к о р а в ы в е т р и в а н и я отнесена к гипергенным м е с т о р о ж д е н и я м , среди последних в ы д е л е н ы т а к ж е вадозные, сублима ционные и криогенные м е с т о р о ж д е н и я ; наконец, в систематику в к л ю ч е н ы к а к само с т о я т е л ь н ы е ее подразделения диагенетические и биогенные м е с т о р о ж д е н и я . П р е д л о ж е н н а я в табл. 15 систематика м и н е р а л ь н ы х м е с т о р о ж д е н и й при всех ее не д о с т а т к а х обладает д в у м я достоинствами: 1) в основу ее п о л о ж е н генетический прин цип; 2) при достаточной полноте она не слишком с л о ж н а и л е г к о з а п о м и н а е т с я . Д а л ь 102
Т а б л и ц а 15. Г л а в н ы е г е н е т и ч е с к и е т и п ы , серии и группы минеральных месторождений Типы Эндогенные
Серии
Группы
Магматогенные
Магматические Пегматитовые Скарновые Гидротермальные Грейзены Эксгаляционные Метаморфические Метаморфизованные
Метаморфигенные Экзогенные
Гипергенные
Вадозные Криогенные Сублимационные Зон выветривания и окисления Механические Хемогенные Биогенные Собственно диагенетические Гидротермально-осадочные
Седиментогенные
Диагенетические
нейшее совершенствование систематики м и н е р а л ь н ы х месторождений д о л ж н о идти по пути создания п а р а л л е л ь н ы х независимых к л а с с и ф и к а ц и й , в основе к а ж д о й из ко т о р ы х л е ж а л бы т о л ь к о один к л а с с и ф и к а ц и о н н ы й признак, подобно тому к а к д л я я в л е н и я и з о м о р ф и з м а было дано ч е т ы р е независимые к л а с с и ф и к а ц и и (см. т а б л . 1), совокупность к о т о р ы х д а е т относительно полную картину этого я в л е н и я . Д л я мно ж е с т в а с л о ж н ы х объектов не м о ж е т б ы т ь одной, исчерпывающей всё к л а с с и ф и к а ц и и . Их создание — дело будущего. МАГМАТИЧЕСКИЕ МИНЕРАЛЬНЫЕ
МЕСТОРОЖДЕНИЯ
К м а г м а т и ч е с к и м м и н е р а л ь н ы м место р о ж д е н и я м относятся п р е ж д е всего сами магматические горные породы к а к есте ственные, закономерно образовавшиеся скопления минералов. П р и остывании м а г м ы м и н е р а л ы в ы д е л я ю т с я из нее в последовательности, определяемой ф и з и ко-химическими з а к о н а м и к р и с т а л л и з а ции м н о г о ф а з н ы х расплавов с л о ж н о г о со- § става. И х к р и с т а л л и з а ц и я в глубинных * условиях происходит при т е м п е р а т у р а х | около 1300 — 700°С, а излившихся л а в — g при 1200 — 1 0 0 0 ° С . Состав образующейся горной породы зависит от исходного хи мического состава м а г м ы , в первую оче Рис. 78. Минеральный состав глубинных редь от с о д е р ж а н и я в ней S i O , но в це магматических горных пород. л о м при м а г м а т и ч е с к о м минералообразовании возникает сравнительно небольшое число г л а в н ы х минералов (рис. 78), ч т о опре д е л я е т с я некоторым однообразием состава м а г м — э т о около д е с я т и с и л и к а т о в (оли вин, пироксен, роговая обманка, мусковит, биотит, м и к р о к л и н , о р т о к л а з , п л а г и о к л а з ы , н е ф е л и н и др.) и к в а р ц (табл. 16). 8
2
103
Т а б л и ц а 16. М и н е р а л ы м а г м а т и ч е с к и х г о р н ы х п о р о д Минералы Ряд пород
Щелочноземельный
Щелоч ной (натри евый)
Клас сы по род
Содер жание Кварц SiO , % (ориентировочно) 2
Ульт раос новные
40
Основ ные
50
Сред ние
60
Кис лые
70
Сред ние
60
Основ ные
50
Ульт ра-ос новные
40
Калие Пла Не Ам Пи Оли вый по гио фе фи рок вин левой клаз лин бол сен шпат
+
+
+
—
—
+
—
+
+
—
—
+ +
—
+ +
+
+
—
+
+
+
—
+
—
—
+
—
+
—
+
+
+
+
+
+
+
+
—
Примеры горных пород
Оливинит, дунит, перидотит, пироксенит, кимберлит Габбро,базальт, диабаз Д и о р и т , андезит Сиенит, трахит Гранит, риолит, кварцевый порфир Щелочной сиенит, щелочной трахит
Нефелиновый сие нит, фонолит И й о л и т , мельтейгит, нефелинит
Кристаллы минералов, образующихся первыми, растут в магме в свободных усло виях и часто обладают поэтому совершенной огранкой. Кристаллы силикатов имеют плотность, близкую к плотности расплава, он к тому же вязкий, поэтому кристаллы находятся во взвешенном состоянии, а если оседают, то очень медленно. При росте в текущей магме они ориентируются в струях течения, подчиняясь обычным законам механики движущейся ЖИДКОСТИ, ЭТО ориентированное расположение кристаллов бы вает хорошо заметным (рис. 79). Однако в некоторых магмах на ранних стадиях их кристаллизации выпадают такие высокоплотные минералы, как оксиды хрома и же леза (хромит и др.), самородные платиноиды и т.п. Под действием силы тяжести они могут оседать и накапливаться в придонных частях магматических очагов, образуя здесь рудные залежи—их называют гравитационными скоплениями руд. По мере раскристаллизации магмы остается все меньше возможностей для свобод ного роста кристаллов. Более поздние минералы выделяются из нее в виде полуогра ненных и неправильных зерен, заполняющих промежутки между более ранними ми нералами. Так постепенно формируется главный объем горной породы, а в ходе ее образования в остающихся порциях еще не застывшей магмы, как говорят, в оста точных расплавах, могут постепенно значительно возрасти концентрации некоторых летучих (H O, CO , F , Cl и др.) и некоторых малых компонентов: Cr, Fe, Ti, Ni—в магмах ультраосновного и основного составов; Nb, Та, Sn — в магмах кислого состава; Zr, Р, TR—в щелочных магмах. За их счет образуются позднемагматические руды 2
2
2
2
104
Рис. 79. Текстуры течения в интрузивных горных породах. Кристаллы полевых шпатов и других минералов располага ются по движению расплава.
разного минерального состава. Вокруг них о к р у ж а ю щ и е (вмещающие их) м и н е р а л ы обычно сильно изменены, замещены р а з л и ч н ы м и продуктами из-за воздействия н а них химически а к т и в н ы х л е т у ч и х компонентов остаточного р а с п л а в а . И т а к , в процессе к р и с т а л л и з а ц и и м а г м м о ж н о в ы д е л и т ь раннемагматический, глав ный и позднемагматический этапы, к а ж д ы й из к о т о р ы х х а р а к т е р и з у е т с я своими осо бенностями образования м и н е р а л о в и их ассоциациями. В ранний этап могут ф о р м и р о в а т ь с я хромовые, платиновые руды в ультраосновных горных породах. В г л а в н ы й этап о б р а з у ю т с я сами горные породы, они т о ж е могут и м е т ь п р а к т и ч е с к у ю ценность. Во-первых, сами магматические горные породы часто используются к а к с т р о и т е л ь н ы й к а м е н ь . Во-вторых, отдельные г л а в н ы е м и н е р а л ы в них я в л я ю т с я о б ъ е к т о м промы шленной р а з р а б о т к и , например н е ф е л и н к а к р у д а на алюминий. В позднемагмати ческий этап о б р а з у ю т с я р а з н ы е р у д ы — хромовые, титановые, т а н т а л о в ы е , о л о в я н н ы е и д р . К позднемагматическим о т н о с я т с я и медно-никелевые р у д ы в п л а т ф о р м е н н ы х массивах оливинитов, перидотитов и габбро, эти руды ф о р м и р у ю т с я здесь в р е з у л ь т а т е особого п р о ц е с с а — л и к в а ц и и м а г м ы (см. с. 160). Необходимо у к а з а т ь н а еще один процесс, иногда широко п р о я в л я ю щ и й с я в маг м а т и ч е с к и х горных породах, а и м е н н о — н а интенсивное их преобразование под дей ствием м е ж з е р е н н ы х водных р а с т в о р о в — п о с л е д н и х конденсатов з а с т ы в а ю щ е г о рас п л а в а . Э т и процессы особенно часто п р о я в л е н ы в ультраосновных горных породах, они в ы р а ж а ю т с я в замещении собственно магматического м и н е р а л а о л и в и н а (сили к а т а магния) серпентином и т а л ь к о м (гидросиликатами м а г н и я ) . В сущности, проис ходит метасоматический процесс изменения остаточными г и д р о т е р м а л ь н ы м и раство р а м и ранних м и н е р а л о в — э т и я в л е н и я н а з ы в а ю т с я автометасоматическими, " а в т о " о т р а ж а е т тот ф а к т , что р а с т в о р ы родились в ходе ф о р м и р о в а н и я самой горной по роды, подвергающейся метасоматозу. ПЕГМАТИТЫ
П е г м а т и т а м и обычно н а з ы в а ю т ж и л ы крупно- или гигантозернистого строения, сло ж е н н ы е теми ж е м и н е р а л а м и , ч т о и горные породы, с к о т о р ы м и п е г м а т и т ы с в я з а н ы по своему происхождению. В природе наиболее распространены г р а н и т н ы е п е г м а т и т ы , они состоят из полевых шпатов (микроклина, о р т о к л а з а , п л а г и о к л а з о в ) , к в а р ц а , в качестве второстепенного м и н е р а л а обычны с л ю д ы (мусковит и биотит), т . е . по ва ловому минеральному составу эти пегматиты соответствуют г р а н и т а м . З н а ч и т е л ь н о 105
менее распространены сиенит-пегматиты, нефелин-сиенитовые пегматиты, ийолитпегматиты, габбро-пегматиты. Образование пегматитов тесно связано с магматическими процессами, но все они несут на себе явственные следы интенсивных постмагматических преобразований. Со отношение и роль этих процессов при образовании пегматитов т р а к т у ю т с я по-разному. Г р а н и т н ы е п е г м а т и т ы встреча ю т с я среди гранитов и других гор ных пород в виде ж и л (рис. 80) и л и н з р а з м е р о м от 0,5 д о 20 м по мощности и от 10 до 300 м в длину. В качестве самого простого опре деления м о ж н о б ы л о бы с к а з а т ь , что пегматиты — это ж и л ы круп но- и л и гигантозернистых грани тов. Н о э т о определение непол ное, т а к к а к состав пегматитов бо лее с л о ж е н , а в пределах ж и л встречаются средне- и мелкозер нистые агрегаты минералов Рис. 80. Пегматитовые жилы разного возраста (рис. 81). В этом определении не (Гордиенко, 1996). о т р а ж е н о происхождение пегма титов. Поэтому охарактеризуем более подробно особенности минерального состава и строения пегматитовых ж и л .
-
^- -^**;^¾'^¾¾'*' -
Рис. 81. Форма И внутреннее строение пегмажил гольца Оленьего, Забайкалье
*'-4!^A^**?i'*4*'» (Иванов, 1985).
i»^**^* 1—метаморфические &-\t *"i,V горные породы; 2 — граниты; S—кристаллыпо- * - _ * - * левого шпата чистые; 4 — кристаллы полевого f шпатасвросткамиквар^bZ.* *-**"*V*-V*'1~ Да типа еврейского кам> — выделения квар ца ( а — д ы м ч а т о г о , 6— молочного); 6—кристал лы биотита (а) и муско6 вита (б). н я
106
5
Главными м и н е р а л а м и г р а н и т н ы х пегматитов я в л я ю т с я полевые ш п а т ы , слагаю щие от 50 до 70% объема пегматитовых ж и л , и кварц, на д о л ю которого приходится от 20 д о 40% объема ж и л . Обычными второстепенными м и н е р а л а м и я в л я ю т с я с л ю д ы (мусковит и биотит). Д л я п р о м ы ш л е н н ы х целей в а ж н о , что в пегматитах встреча ю т с я м и н е р а л ы - к о н ц е н т р а т о р ы бора, ф о с ф о р а , урана, редких з е м е л ь , т о р и я , л и т и я , б е р и л л и я , цезия, т а н т а л а и других редких химических элементов.
Рис. 82. Графические срастания кварца и микроклина. Боковые поверхности кварца несут индукционную штриховку (она трактуется как результат совместного роста э т и х двух минералов).
Рис. 83. Кварц из письменного гранита. Поверхность кварца покрыта индукционной штри ховкой.
Х а р а к т е р н о , что в гранитных пегматитах м и к р о к л и н , о р т о к л а з и к в а р ц нередко образуют д р у г с другом особые с р а с т а н и я — это п л а с т и н ч а т ы е , веретенообразные, клиновидные и изгибающиеся вростки к в а р ц а в едином блоке м и к р о к л и н а (рис. 82). Внешне они иногда напоминают древние письмена, поэтому весь сросток н а з ы в а е т с я г р а ф и ч е с к и м срастанием, или письменным гранитом (рис. 83), и л и еврейским (по ф о р м е "букв") к а м н е м . Узор срастаний полностью подобен тем, к о т о р ы е о б р а з у ю т с я в м е т а л л у р г и ч е с к и х процессах при одновременной (эвтектической) к р и с т а л л и з а ц и и д в у х м е т а л л о в из их совместного р а с п л а в а . По представлениям А. Е. Ферсмана, ми к р о к л и н (ортоклаз) и к в а р ц в т а к и х с р а с т а н и я х т а к ж е образовались при их одновре менной к р и с т а л л и з а ц и и и з м а г м ы . По физико-химическим д и а г р а м м а м т е м п е р а т у р а к р и с т а л л и з а ц и и оценена в 9 9 0 ± 2 0 ° С . Т а к и е срастания с т о л ь х а р а к т е р н ы д л я пегмати тов, что именно по ним эти горные породы получили свое название: термин " п е г м а т и т " (от греч. p e g m a (pegmatos) — к р е п к а я связь) впервые б ы л п р е д л о ж е н в 1822 г. Р. Гаюи д л я обозначения г р а ф и ч е с к и х срастаний о р т о к л а з а и к в а р ц а . П е г м а т и т ы , к а к отмечалось, я в л я ю т с я р а з н о з е р н и с т ы м и горными породами и в р а з н ы х у ч а с т к а х своих ж и л имеют р а з н ы й состав. Наиболее к р у п н ы е в ы д е л е н и я мине р а л о в х а р а к т е р н ы д л я внутренних зон блокового строения. З д е с ь к р и с т а л л ы (блоки) полевых шпатов могут достигать размеров до 1, 5 х 3 м, в т а к и х зонах о б н а р у ж е н ы ги гантские п л а с т и н ы с л ю д ы (мусковита) п л о щ а д ь ю д о 2,5 м , к р и с т а л л ы б е р и л л а массой д о 15 т, к р и с т а л л ы сподумена более 12 м в длину. 2
107
П е г м а т и т ы о б р а з у ю т с я на глубине, в о з м о ж н о , около 6-8 к м . П р о и с х о ж д е н и е их спорно. П о представлениям А . Е . Ф е р с м а н а , они я в л я ю т с я п р о д у к т а м и к р и с т а л л и з а ции остаточных порций застывающего гранитного расплава, о т ж а т о г о из магматиче ского очага в трещины в о к р у ж а ю щ и х его горных породах. Э т о т р а с п л а в , к а к послед н я я часть к р и с т а л л и з у ю щ е й с я м а г м ы , относительно обогащен л е г к о л е т у ч и м и ( H O , H F , HCl, В 0 з , C O и др.) и другими компонентами (Li, Be, Та, N b , Cs и д р . ) . Его к р и с т а л л и з а ц и я начинается при 900 — 8 0 0 C . Главные м и н е р а л ы (полевые шпаты, кварц) образуются при т е м п е р а т у р а х 800 — 600°С в позднемагматический этап, после чего м и н е р а л ы к р и с т а л л и з у ю т с я из газовых, газово-жидких и ж и д к и х растворов. Иные представления п р е д л о ж е н ы А. Н. З а в а р и ц к и м и р а з в и т ы и дополнены В. Д . Ни к и т и н ы м и С . А . Р у д е н к о . Они основаны на очевидных ф а к т а х частого беспорядоч ного внутреннего строения пегматитовых ж и л , мощного п р о я в л е н и я в них процессов перекристаллизации минералов, обычности образования одних м и н е р а л о в з а счет ре зорбции, химического замещения других. А . Е . Ф е р с м а н полагает, что эти я в л е н и я не главные, они соответствуют позднему преобразованию пород магматического генезиса. А согласно В . Д . Никитину, пегматиты образуются не з а счет п р я м о й магматической к р и с т а л л и з а ц и и , а к а к р а з з а счет поздней перекристаллизации ж и л особого мелко зернистого гранита (аплита), мелкозернистых полевошпатовых ж и л , д а е к гранита и мощной их переработки под действием горячих водных растворов глубинного проис хождения. 2
2
2
0
Т а б л и ц а 17. Х а р а к т е р н ы е о с о б е н н о с т и минерального состава гранитных пегматитов Главные минералы
Некоторые ми нералогические и геохимические типы
Специфические минералы
Полезные (раз рабатываемые) компоненты
Кварц, микроклин (ортоклаз), плагиоклаз, слюды
Слюдяные и ке рамические (калиево-боровые) пегматиты
Мусковит, турмалин (шерл), уранинит, монацит, апатит, алланит
Слюда (мусковит), полевые шпаты
Кварц-бериллотопазовые (фторо-бериллиевые) пегматиты
Топаз, берилл, морион, турмалин (шерл)
Пьезосырье (кварц), драго ценные камни (топаз, берилл)
Альбит-сподуменовые (натриеволитиевые) пегма титы
Альбит, сподумен, лепидолит, турмалин ( р у б е л л и т ) , танталит
Ниобий, тантал, цезий
По особенностям минерального состава в ы д е л я ю т несколько типов г р а н и т н ы х пег матитов (табл. 17). Наиболее в а ж н ы м и я в л я ю т с я керамические (и с л ю д я н ы е ) , топазоберилловые и альбит-сподуменовые пегматиты. П е р в ы е р а з р а б а т ы в а ю т с я д л я извле чения полевых шпатов (сырье д л я керамической промышленности) и мусковита, из в т о р ы х добывают п ь е з о к в а р ц и драгоценные камни, из т р е т ь и х и з в л е к а ю т р у д ы ред к и х м е т а л л о в — цезия, т а н т а л а и д р .
108
СКАРНОВЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ
С к а р н о в ы е м е с т о р о ж д е н и я , или с к а р н ы , образуются в зонах к о н т а к т а гранитов с м р а м о р а м и . Они з а л е г а ю т либо в виде п о л и м и н е р а л ь н ы х реакционных к о н т а к т о в ы х к а й м разной мощности (от 1 — 2 см до сотен метров), либо в виде б е с ф о р м е н н ы х за л е ж е й и ж и л , вблизи к о н т а к т а в граните или в м р а м о р е (рис. 84). С к а р н ы состоят из специфических минералов — сили к а т о в Ca, Mg, Al (гранатов, пироксенов, везувиана, эпидота, волластонита) и с л о ж н о г о а л ю м о с и л и к а т а N a и C a (скаполита) (табл. 18). С к а р н ы я в л я ю т с я метасоматическими поро д а м и . Они образуются н а глубине около 3 — 7 к м под действием горя чих г и д р о т е р м а л ь н ы х растворов. Эти р а с т в о р ы поднимаются вдоль к о н т а к т а из глубинных частей еще к р и с т а л л и з у ю щ е г о с я очага гранит ной м а г м ы . Большой вклад в формирование представлений о генезисе скарнов с д е л а л и А. Н. З а в а р и ц к и й , П. П . П и липенко, Н. Ф. Ш а х о в , Н. А. С м о л ь я нинов. В а ж н е й ш е е значение имеют работы С . М . К у р б а т о в а и Д . С . К о р жинского. С.М.Курбатов, изучая с к а р н о в ы е м е с т о р о ж д е н и я Хакассии, Рис. #4- Схема геологического залегания скарнов п о к а з а л , ч т о в них минералы-сили (точки). к а т ы о б р а з у ю т с я з а счет вещества Стрелками указано движение растворов. гранитов и известняков в ходе по следовательных метасоматических реакций з а м е щ е н и я одних м и н е р а л о в д р у г и м и . Д . С . К о р ж и н с к и й я в л я е т с я создателем современной теории с к а р н о о б р а з о в а н и я . Он н а з в а л этот процесс биметасоматическим и п о к а з а л , что реакции и д у т п р е ж д е всего з а счет встречной д и ф ф у з и и вещества, извлекаемого р а с т в о р а м и из гранитов и мрамо ров (две породы, д в а н а ч а л а , о т с ю д а — б и м е т а с о м а т о з ) . К а л ь ц и й и магний берутся из м р а м о р о в , кремний, алюминий, натрий — из гранитов, они и в х о д я т в состав собственно с к а р н о в ы х м и н е р а л о в . К р о м е того, Д . С . К о р ж и н с к и й ввел понятие о к о н т а к т о в о и н ф и л ь т р а ц и о н н ы х скарнах, они з а л е г а ю т в виде ж и л . И х образование Д . С . К о р ж и н с к и й о б ъ я с н я л т а к : " П р е д п о л о ж и м , ч т о к о н т а к т пород, н а п р и м е р и з в е с т н я к а и кварцита, пересечен трещиной, по которой поднимается поток послемагматических р а с т в о р о в . . . Если обе породы достаточно прогреты под воздействием магматического т е л а , то прошедшие через п л а с т к в а р ц и т а р а с т в о р ы при вступлении в и з в е с т н я к на чнут его з а м е щ а т ь скарновыми м и н е р а л а м и . В этом замещении будут у ч а с т в о в а т ь не т о л ь к о кремнезем и другие компоненты, з а и м с т в о в а н н ы е из н и ж е л е ж а щ е г о пла ста кварцита, но и более п о д в и ж н ы е компоненты, внесенные из магматического т е л а , например магний, ж е л е з о и п р . " . С к а р н ы часто имеют большое промышленное значение к а к вместилище р у д ж е леза, олова, свинца, цинка, меди, б е р и л л и я , м и н е р а л о в бора, с л ю д ы - ф л о г о п и т а и д р у гих п о л е з н ы х ископаемых. В этом отношении любопытно само р о ж д е н и е т е р м и н а " с к а р н " — э т о слово шведских горняков с т а р ы х времен, обозначавшее " д р я н ь , п у с т а я р у д а " : с к а р н в ы б р а с ы в а л и , а и з в л е к а л и ж е л е з н у ю руду. 109
Т а б л и ц а 18. Г л а в н ы е м и н е р а л ы с к а р н о в ы х Группы минералов Собственно скарновые
Рудные минералы
Нерудное минеральное сырье
месторождений
Минералы Пироксены: диопсид геденбергит Гранаты: гроссуляр андрадит Эпидот Везувиан Волластонит Скаполиты Шпинель Кальцит Кварц
Формулы CaMg(Si O ) CaFe(Si O ) 2
2
6
6
Ca Al (SiO J Ca Fe (SiO )S Ca (Al Fe)(SiO )(Si O )O(OH) C a A l M g (SiO ) (Si O ) (OH) Ca (Si O ) (Ca, N a ) (Al, S i ) (Si O ) (Cl, S O ) MgAl O CaCO SiO 3
2
3
2
2
4
3
4
2
1 0
4
4
3
2
2
3
4
7
5
2
7
2
4
9
4
2
2
2
8
3
4
4
3
2
Касситерит Магнетит Молибденит Халькопирит Пирит Арсенопирит Галенит Сфалерит Пирротин
SnO FeFe O MoS CuFeS FeS Fe(AsS) PbS (Zn, Fe)S FeS (прибл.)
Датолит Ланбурит Флогопит
Ca(BSiO )(OH) Ca(B Si O ) KMg (AlSi O )(OH)
2
2
4
2
2
2
4
2
3
2
8
3
10
2
Метасоматический способ образования скарнов, с л о ж н о с т ь химических процессов и многостадийность этого я в л е н и я обусловливают неправильную ф о р м у с к а р н о в ы х з а л е ж е й и неравномерность их внутреннего строения. В р а з н ы х учебниках и науч н ы х работах их нередко относят к р а з н ы м генетическим т и п а м м е с т о р о ж д е н и й . И действительно, если судить по их геологической позиции — э т о к о н т а к т о в ы е и л и метаморфогенные, по механизму р а з р а с т а н и я — э т о метасоматические, а по природе рас творов—гидротермальные месторождения. Г И Д Р О Т Е Р М А Л Ь Н Ы Е МЕСТОРОЖДЕНИЯ Г и д р о т е р м а л ь н ы е м е с т о р о ж д е н и я образуются при о т л о ж е н и и м и н е р а л о в из суще ственно водных и л и углекисло-водных растворов. М а к с и м а л ь н ы е глубины ф о р м и р о в а н и я этих м е с т о р о ж д е н и й с о с т а в л я ю т 4,5 — 5 к м , м и н и м а л ь н ы е - — о т в е ч а ю т поверх ностным у с л о в и я м . М о р ф о л о г и я м е с т о р о ж д е н и й р а з л и ч н а и зависит от х а р а к т е р а трещиноватости и по ристости горных пород. М и н е р а л ы могут з а п о л н я т ь о т к р ы т ы е т р е щ и н ы , о б р а з у я четко очерченные жилы разного состава и различного внутреннего с т р о е н и я (рис. 85, а). И х т а к и н а з ы в а ю т — ж и л ы з а п о л н е н и я (или секреционные ж и л ы ) . Е с л и гидротер м а л ь н ы е р а с т в о р ы д в и г а л и с ь по тончайшим трещинам, о т л о ж е н и е м и н е р а л о в из них могло идти т о л ь к о з а счет постепенной резорбции ( р а з ъ е д а н и я ) , з а м е щ е н и я о к р у ж а ющих горных масс. Т а к о е замещение н а з ы в а е т с я метасоматозом, а сами ж и л ы — метасоматическими. Обычно они не имеют р е з к и х границ и с в я з а н ы постепенными переходами с вмещающими их горными породами (рис. 85, б), нередко их состав р а з л и ч е н в р а з н ы х породах (рис. 86). В среднем мощность г и д р о т е р м а л ь н ы х ж и л коле б л е т с я от 0,1 — 0,2 д о 3 — 4 м , по простиранию они п р о с л е ж и в а ю т с я д о 700 — 800 м, в ПО
Рис. 85. Внутреннее строение гидротермальных ж и л . а—секреционная жила обычно имеет резкие контакты с окружающими гор ными породами, кристаллы кварца нарастают на стенки трещины и растут внутрь жилы; 6—метасоматическая жила образуется за счет постепенного разъедания и химического преобразования окружающих горных пород.
глубину — д о 500 м. Ж и л ы редко бывают одиночными, чаще всего они г р у п п и р у ю т с я в системы ж и л , с л о ж н ы е по х а р а к т е р у их в з а и м н ы х пересечений. Другая форма гидротермальных минеральных месторождений—это метасоматические залежи. Они воз н и к а ю т при просачивании растворов или д и ф ф у з и и вещества через поро д ы и о б р а з у ю т с я з а счет химических реакций м е ж д у веществом горных по род и р а с т в о р а м и . М о р ф о л о г и я та ких залежей сложная, размеры раз л и ч н ы е . Наиболее крупные р а з м е р ы имеют медно-рудные г и д р о т е р м а л ь ные метасоматические з а л е ж и — в среднем 100 х 500 х 300 м.
V
V V
У
V V
V
V
V
V
V
Нбарцч v|
_ V Гранumv V ^ —
v
v
"
"
" . ч
"
Рис. 86. Зависимость состава метасоматических ж и л от окружающих горных пород. В кварцевых жилах месторождения Б ь ю т (США) медно-рудные минералы (черное) отла гаются почти всегда в тех же частях жил, кото рые залегают в граните.
111
М и н е р а л ь н ы й состав г и д р о т е р м а л ь н ы х месторождений очень разнообразен, т а к к а к с л и ш к о м р а з л и ч н ы источники растворов, а значит, они могут и м е т ь р а з н ы й химиче ский состав, х а р а к т е р и з о в а т ь с я р а з н ы м и концентрациями вещества в н и х / значени я м и р Н и в е л и ч и н а м и их окислительно-восстановительного потенциала. В качестве примеров гидротермального минералообразования мойсно р а с с м а т р и в а т ь автометасоматические изменения м а г м а т и ч е с к и х горных пород, процессы поздней перекристал лизации пегматитов, образование скарнов. К а к видно, термин в з н а ч и т е л ь н о й мере неопределенен. М о ж н о привести м н о ж е с т в о других примеров г и д р о т е р м а л ь н о г о по своей сущности минералообразования. Традиционно к собственно г и д р о т е р м а л ь н ы м условно относят рудоносные ж и л ы и метасоматические з а л е ж и , в к о т о р ы х г л а в н ы м и м и н е р а л а м и я в л я ю т с я к в а р ц или кальцит, реже—-доломит, сидерит, барит}флюорит, а р у д н ы м и к о м п о н е н т а м и — с у л ь ф и д ы с и д е р о ф и л ь н ы х химических э л е м е н т о в ( ж е л е з а , кобальта, н и к е л я , меди, цинка, м ы ш ь я к а , молибдена, серебра, с у р ь м ы , р т у т и , свинца, висмута), а т а к ж е оксиды титана, ж е л е з а , ниобия, олова, т а н т а л а , в о л ь ф р а м а , урана. И х образование с в я з ы в а ю т с д е я т е л ь н о с т ь ю восходящих г о р я ч и х водных растворов, возникающих обычно в связи с процессами о с т ы в а н и я и з а т в е р д е в а н и я м а г м ы . Они образуются на разных, глубинах, вот некоторые м е с т о р о ж д е н и я по В. И. С и в я к о в у (в км): г
Вольфрамовые '(Восточное Забайкалье) Оловянные (Восточное Забайкалье) Оловянные (Якутия) Оловянные (Южное Приморье). Молибденовые (Восточное Забайкалье) Золоторудное (Восточное Забайкалье) Сурьмяно-ртутные (Южный Тянь-Шань) Кварц-флюоритовые (Восточное Забайкалье)
... .*
; . ..... ............
.. i
1,5 — 2,0 1,0—1,5 1,3—1,5 ч 1,5 0,5 —1,0 1,0 2,0 — 2,5 0,4—1,0
Некоторое представление о т е м п е р а т у р а х и д а в л е н и я х , при к о т о р ы х ф о р м и р у ю т с я г и д р о т е р м а л ь н ы е м е с т о р о ж д е н и я , д а ю т следующие ц и ф р ы (по В . Б . Н а у м о в у ) , приво д и м ы е нами в качестве ч а с т н ы х примеров. Д л я трех в о л ь ф р а м о в ы х м е с т о р о ж д е н и й это 3 6 0 - 3 2 0 C и 1 7 0 - 1 0 7 М П а , 3 6 0 - 2 5 0 C и 1 0 1 - 1 7 М П а , 3 3 0 - 2 7 0 C и 1 1 0 - 5 2 М П а . Д л я одного из золоторудных месторождений это 330 — 27O C и 180 — 90 М П а . Д л я д в у х свинцово-цинковых м е с т о р о ж д е н и й это 270 — 17O C и 92 — 19 М П а , 270 — 17O C и 68 — 20 М П а . К а к видно, ц и ф р ы весьма р а з л и ч а ю т с я . Условно и чисто ориентировочно г и д р о т е р м а л ь н ы е рудные м е с т о р о ж д е н и я подраз д е л я ю т на высоко-, средне- и низкотемпературные; К а ж д ы й из э т и х типов месторо ж д е н и й имеет свои особенности минерального состава и рудоносности. Они р а з л и ч а ю т с я т а к ж е и по м о р ф о л о г и и . Д л я некоторых месторождений точно устанавли в а е т с я генетическая с в я з ь с глубинными магматическими очагами, д л я д р у г и х — с в у л к а н и ч е с к и м и . М е с т о р о ж д е н и я первого т и п а н а з ы в а ю т плутоногенными, в т о р о г о — вулканогенными. Н е к о т о р ы е м е с т о р о ж д е н и я , чаще всего низкотемпературные, распо л о ж е н ы в д а л е к е от участков п р о я в л е н и я м а г м а т и з м а , поэтому т р у д н о точно устано в и т ь , с к а к и м и магматическими очагами они генетически с в я з а н ы , иногда т а к а я с в я з ь д а ж е к а ж е т с я спорной; т а к и е м е с т о р о ж д е н и я н а з ы в а ю т т е л е т е р м а л ь н ы м и . П р и м е р ы г и д р о т е р м а л ь н ы х рудных месторождений д а н ы в табл. 19. 0
0
0
0
0
112
0
Т а б л и ц а 19. П р и м е р ы г и д р о т е р м а л ь н ы х р у д н ы х м е с т о р о ж д е н и й Температур ные условия Высокотемпе ратурные, 300 - 500 C
Минеральные месторождения
Характерные нерудные минералы
Грейзеновые
Кварц, мусковит
Олово-молибденовольфрамовые Полиметаллические,золотоносные Ураноносные
0
Метасоматичес кие залежи, жилы
Кварц Кварц
Cu, Zn, Pb, Au
Жилы
Кварц, кальцит, доломит
Со, Ni, Ag, Bi, U
Колчеданные
—
Cu, Zn, Pb
Свинцово-цинковые
—
Pb, Zn
—
Cu
Медистых песчаников Низкотемпе ратурные, 50 - 200 C 0
Сурьмяно-ртутномышьяковые Флюорит-барито вые
Морфология
Sn, Mo, W, Bi, Та, Nb, само цветы Sn, Mo, W, Bi
0
Среднетемпературные, 1 5 0 - 350 C
Полезные ископаемые
Жилы
» Послойные залежи и вкрапленность в осадочных и вулканогенно-осадочных горных поро дах »
Кварц, кальцит, флюорит Кварц, кальцит, флюорит, барит
Sb, Hg, As
Жилы
Плавиковый шпат, барит
»
ГРБЙЗБНЫ
Г р е й з е н — с т а р и н н о е название, данное саксонскими рудокопами зернистой кварцевослюдяной (мусковитовой) горной породе с касситеритом S n O . У ж е тогда б ы л о заме чено, ч т о э т а порода образуется з а счет р а з ъ е д а н и я , резорбции, метасоматического замещения гранитов вокруг оловорудных ж и л . Т е п е р ь установлено, ч т о грейзенами, во-первых, с о п р о в о ж д а ю т с я наиболее высокотемпературные г и д р о т е р м а л ь н ы е рудо носные ж и л ы , залегающие среди гранитов, а во-вторых, грейзены могут з а л е г а т ь са мостоятельно (рис. 87) и з а н и м а т ь з н а ч и т е л ь н ы е площади (до 5 к м ) , иногда почти полностью з а м е щ а я к р у п н ы е у ч а с т к и гранитов. Грейзены образуются з а счет химических реакций м е ж д у полевыми ш п а т а м и гра нитов и просачивающимися через них рудоносными водными р а с т в о р а м и . У п р о щ а я , эти реакции м о ж н о о х а р а к т е р и з о в а т ь уравнениями следующего типа: 2
2
+
+
1) п л а г и о к л а з + Н + K —+мусковит-гКварц-l-Na"*" + C a 2) м и к р о к л и н + Н —^мусковит+кварц-rNa"*" -+- K . +
2 +
;
+
0
Образование грейзенов происходит при температуре около 600 — 5 0 0 C . Химически процесс с л о ж е н , поэтому помимо г л а в н ы х м и н е р а л о в — м у с к о в и т а , к в а р ц а , непрореагировавших остатков (реликтов) полевых ш п а т о в — в грейзены в х о д я т и многие дру гие, в т о м числе рудные, м и н е р а л ы . Ч а с т о д л я э т и х пород х а р а к т е р н о кавернозное строение, стенки каверн нередко в ы с т л а н ы д р у з а м и к р и с т а л л о в к в а р ц а и д р а г о ц е н н ы х камней — т о п а з а , б е р и л л а . П р а к т и ч е с к о е значение грейзенов велико. Они я в л я ю т с я ИЗ
Грейзены
I
площадные
1 ~1~
Эффузивы
штокверковые
' V 4
Гранитоиды
околожильные Грейзениэированные гранитоиды
1 * i 1 ^
Песчаники Разломы
Рис. 87. Схема геологического залегания грейзенов (Золота рев, 1993).
в а ж н о й рудой на в о л ь ф р а м , молибден, висмут, а и н о г д а — и с т о ч н и к о м д о б ы ч и камнейсамоцветов (берилла, топаза, т у р м а л и н а ) . ЭКСГАЛЯЦИОННЫЕ
МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Т и п и ч н ы м примером м и н е р а л ь н ы х месторождений, образующихся при участии га зов, я в л я ю т с я ф у м а р о л ь н ы е возгоны (табл. 20). Они п р е д с т а в л я ю т собой тонкодис персные и мелкозернистые корки, н а л е т ы , кристаллические агрегаты н а с т е н к а х тре щин в к р а т е р а х вулканов и в остывающих л а в о в ы х потоках, иногда о б р а з у ю т конусо видные массы, постепенно разрастающиеся вокруг ф у м а р о л ь н ы х струй н а поверхности в у л к а н о в . В состав возгонов входят р а з л и ч н ы е в е щ е с т в а — с у л ь ф а т ы , х л о р и д ы , оксис у л ь ф а т ы , оксихлориды, а т а к ж е гематит F e O s , сера, аурипигмент A s S e , сассолин В(ОН)з и д р . Промышленное значение имеют л и ш ь скопления серы и сассолина. Эксгаляционные м и н е р а л ь н ы е м е с т о р о ж д е н и я образуются при участии газов маг матического происхождения, обычно это H O , C O , СН4 или их смеси, а т а к ж е раство ренные в них H S , S O , HCl, C l , F , NH4CI. Условия такого образования минералов ограничены значениями критических д а в л е н и я и т е м п е р а т у р ы . Д л я H O , C O , С Щ они составляют соответственно 22,1 М П а и 3 7 4 , 1 5 C , 7,4 М П а и 3 1 , 0 5 ° С , 4,6 М П а и 8 2 , 1 C Значит, если у ч и т ы в а т ь величину литостатического (горного) д а в л е н и я , д а ж е H O в виде газа не м о ж е т существовать на глубине более 400 м и при т е м п е р а т у р е выше 3 7 4 , 1 5 C П р и более высоких д а в л е н и я х и температурах существует или ж и д к а я вода, или вода в н а д к р и т и ч е с к о м состоянии (это состояние иногда н а з ы в а ю т ф л ю и д н ы м ) . 2
2
2
2
2
2
2
2
2
0
0
2
0
114
2
Т а б л и ц а 20. Р а с п р е д е л е н и е п о т е м п е р а т у р а м главных минералов в вулканических возгонах Большого То лбакинского т р е щ и н н о г о и з в е р ж е н и я 1975 — 1976 г г . (по В е р г а с о в о й ) Минерал
Температура поверхности при отборе проб, C
Формула
0
Гематит Афтиталит Галит Сильвин Тенорит Халькокианит Долерофанит Пийпит Федотовит Ключевскит Галит Золото самородное Меланоталит Толбачит Селлаит Сульфаты A l M g C a N a Хлориды Ca Mg, Al Эльпазолит Флюорит Ральстонит Нашатырь Ангидрит Бассанит Гипс Опал Молизит Сера ромбическая 1
1
1
1
Fe O (K Na) Na(SO J NaCl KCl CuO Cu(SO ) Cu (SO )O 2
3
1
3
4
2
4
2
4
)о
K Cu (SO 2 K C u 3 (SO Fe(S 0 ) 0 K 2 Cu 4J3O NaCl Au Cu OCl CuCl MgF 2
2
7
4
7
4
2
9
3
2
2
2
' -
K NaAlF CaF Na(Mg Al) (F OH) NH Cl CaSO Ca(SO ) • 0 , 5 H O Ca(SO ) • 2 H O 2
6
2
1
2
1
nH 0
6
2
4
4
4
2
4
2
SiO • T i H O 2
FeCl S
2
3
МЕТАМОРФОГЕННЫЕ
625— 50 625 — 475 600 — 375 600 — 375 600 — 275 600 — 275 600 — 275 600 — 275 600 — 275 600 — 275 525 — 210 500 — 275 400 — 210 400—210 400—210 375—150 350—150 350— 50 350— 50 350— 50 350—150 300— 90 300— 90 110— 10 110— 10 110— 10 9 0 — 50
МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Метаморфогенные м е с т о р о ж д е н и я образуются в процессе м е т а м о р ф и з м а горных по род: известняки п р е в р а щ а ю т с я в м р а м о р ы , песчаники — в к в а р ц и т ы , глинистые по р о д ы — в кровельные сланцы, а при высокой степени м е т а м о р ф и з м а — в з а л е ж и анда л у з и т а , к и а н и т а и силлиманита; на месте бокситовых о т л о ж е н и й возникают н а ж д а к и (существенно корундовые мелкозернистые массы). Эти примеры хорошо п о к а з ы в а ю т сущность я в л е н и я : перекристаллизацию, уплотнение пород, их обезвоживание и декарбонатизацию. Т а к , в процессах м е т а м о р ф и з м а глин к а о л и н и т A l ( S l O s ) ( О Н ) 4 пе реходит с потерей части групп ОН в мусковит K A l ( A l S i 3 0 i o ) ( O H ) , з а т е м образуется к и а н и т A l ( S i 0 4 ) О — б е з в о д н ы й минерал. П р и м е т а м о р ф и з м е к в а р ц с о д е р ж а щ и х из вестняков происходит декарбонатизация пород по схеме 2
2
2
2
2
С а С О з (кальцит) + S i O (кварц) = CaSiOa (воластонит) + C O . 2
2
М е т а м о р ф и з м происходит либо под действием т е п л а внедрившихся магм, такой ме т а м о р ф и з м н а з ы в а е т с я контактовым, либо под действием т е м п е р а т у р ы и литостати115
Т а б л и ц а 21. П р о д у к т ы п р е о б р а з о в а н и я г л а в н е й ш и х в у л к а н и ч е с к и х и о с а д о ч н ы х г о р н ы х п о р о д ( С а р а н ч и н а , 1992)
Тип преобразования Эпигенез, метагенез
Вулканические породы кислого состава основного состава Вулканиты с пре образованием стекла в фельзит (серицит, хлорит)
Мета Зеленосланцевая Серицитовые и х л орито-сери цимор фация ('«150товые сланцы физм 500 C 200-500 (с реликтами пер МПа), 4) Циркон Zr(SiO ) Торит Th(SiO ) Коффинит U(SiO ) Гроссуляр СазА12(ЗЮ )з А н д р а д и т СазFe2 (SiO )з Голдманит СазV2 (SiO )з Уваровит СазСгг (SiO )з Пироп Mg АЬ(SiO )з Кноррингит Mg Сгг(SiO )з Альмандин ГезА1г(SiO )з Спессартин МпзА1 (5Ю )з Хондродит M g ( S i O ) F2 Кианит A ^ ( S i O ) O Силлиманит Al(AlSiO ) А н д а л у з и т AlAl(SiO )O Ставролит A l F e ( S i O J O ( O H ) Топаз A l ( S i O ) F Титанит CaTi(SiO )O Везувиан Ca Al Mg (SiO )S(Si OT) (OH) Клиноцоизит Ca Al (SiO )(Si O )O(OH) Эпидот Ca (Al Fe) (SiO )(Si O )O(OH) Алланит (Ca, T h C e ) ( A l F e ) ( S i O ) ( S i O ) O ( O H ) Гемиморфит Zn (Si O )(OH) -H O Лампрофиллит NaSr(TiI Fe S)(Si O )OF 2
2
4
4
Син гония
Твер дость
Ромб. » Триг. » Тетр.
6,5-7 6-6,5 7,5-8 5-6 7,5-8 4,5-5 5-6 6,5-7,5 6,5-7,5 6,5-7,5 7-7,5 7-7,5 7-7,5 7-7,5 7-7,5 6-6,5 4,5 - 6,5 7 6,5-7,5 7-7,5 8 5-6 6,5
4
4
Гранатов
4
4
» Куб. »
4
4
3
4
3
4
4
4
2
Хондродита Кианита
5
2
4
4
5
4
Ставролита Топаза Титанита Везувиана
4
2
2
2
4
2
3
4
4
2
2
2
2
4
2
2
2
15
2
1
7
4
Мон.
6,5
»
6,5
7
3
2
01
2
» » Мон. Трикл. Ромб. » Мон. Ромб. Мон. Тетр.
7
4
1
Гемиморфита Лампрофиллита
2
2
4
1 0
Клиноцоизита
4
4
» »
4
2
6
7
Ромб.
4-5
Мон.
2 - 3
2
2
7
2
Принцип строения ортосиликатов и диортосиликатов показан выше на примере оли вина ( M g , F e ) ( S i 0 4 ) и гемиморфита Z n ( S i O y ) ( O H ) • H O (см. рис. 163). Перечень главнейших островных силикатов приведен в табл. 34. 2
4
2
208
2
2
МОРФОЛОГИЯ КРИСТАЛЛОВ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Островные силикаты образуются д а ж е в стесненных условиях роста в виде хоро ших кристаллов (рис. 168). Это объясняется их большой силой кристаллизации, что обусловлено относительной компактностью и простотой структур этих силикатов, многозарядностью анионных комплексов и значительной силой связей катионов, входящих в их состав. В виде изометричных хорошо ограненных зерен (кристаллов кубической сингонии — ромбододекаэдров и тетрагон-триоктаэдров) встречаются гранаты (отсюда и их название: от лат. granula — зернышко), идеально развитые дипирамидальные и призматические кристаллы тетрагональной сингонии образует циркон, в совершенных кристаллах ромбической сингонии обычно наблюдаются топаз и ставролит. Можно привести много таких примеров высокой степени идиоморфизма (совершенства) кри сталлов островных силикатов. Ну а сфен (сейчас его принято называть титанитом) д а ж е получил свое название за то, что он почти всегда встречается в виде идеально ограненных клиновидных кристаллов (от греч. sphen — клин). Из распространенных минералов, пожалуй, лишь оливин и хондродит редки в кристаллах. Гванат
Окраска островных силикатов обычно обусловлена присутствием в их составе в ка честве главных и примесных компонентов элементов-хромофоров (Fe, Mn, Ti и Cr). Атомы двух- и трехвалентного железа вызывают при разных своих соотношениях зеле ные (гроссуляр, эпидот), коричневые (андрадит, ставролит, титанит) цвета. Окрашен ные марганцем и железом минералы имеют малиново-красный, лилово-красный цвет 209
(альмандин). Ж е л е з о в сочетании с Ti вызывает коричнево-черную окраску минера лов, таков цвет титанистого андрадита — шерломита. Хром обусловливает изумруд ную окраску уваровита. Он же в сочетании с Fe вызывает бордово-красную окраску драгоценных пиропов (" богемских гранатов") — при особом сочетании количеств Cr и Fe эти гранаты меняют цвет от зеленых при обычном свете до красно-фиолетовых при искусственном освещении. Лишь в редких случаях встречаются бесцветные, белые островные силикаты — это химически чистые гроссуляр, форстерит, топаз, каламин. Компактность структуры и наличие в минералах небольших, но высокозарядных катионов проявляются в высокой плотности и твердости (от б до 8) этих минералов. Из-за большой твердости эти минералы черты не дают (они процарапывают бисквит ную пластинку), д а ж е у густо окрашенных минералов она чуть заметна. ОСОБЕННОСТИ УСЛОВИЙ
ОБРАЗОВАНИЯ
Островные силикаты — это минералы преимущественно высоких температур и да влений, т.е. минералы больших глубин. Главными типами месторождений являются магматические и метаморфические горные породы и некоторые метасоматиты. Как исключение они образуются в приповерхностных условиях. М а г м а т и ч е с к и е г о р н ы е п о р о д ы . В ультраосновных глубинных горных поро дах (оливинитах и перидотитах) главным минералом является оливин. О глубинном образовании этих пород свидетельствует то, что их ксенолиты выносятся из глубо ких (в том числе мантийных) очагов зарождения при вулканических извержениях и при возникновении кимберлитовых трубок взрыва. Известны два полиморфа одного состава — оливин (Mg, F e ) ( S i O ) и "шпинель" Si(Mg, F e ) O , возможно, что вторая мо дификация существует еще глубже в мантии как более плотная. В основных, средних, кислых горных породах островные силикаты играют роль акцессорных минералов — это некоторые гранаты, циркон, титанит. В гранитных пегматитах образуются совер шенные кристаллы топазов. В щелочных горных породах, в тех разновидностях, ко торые содержат нефелин, островные силикаты являются характерными минералами. Это циркон, титанит, ринколит, лампрофиллит. М е т а м о р ф и ч е с к и е г о р н ы е п о р о д ы . В них островные силикаты нередко играют главную роль. Они образуются при региональном и контактовом метаморфизме. В регионально метаморфизованных породах (гнейсах и сланцах) типичны гранаты (аль мандин, пироп), ставролит, кианит, эпидот. В контактовых породах (скарнах) глав ными минералами являются гранаты (гроссуляр, андрадит), большую роль играют в них везувиан и эпидот. М е т а с о м а т и т ы . Островные силикаты встречаются только в некоторых высоко температурных метасоматитах. Это в первую очередь альбититы и микроклиниты — участки сплошной гидротермальной переработки гранитов, сиенитов, нефелиновых сиенитов. К ним обычно приурочен то циркон, то торит, то фенакит. Другим ти пом метасоматитов являются грейзены, нередко они значительно обогащены топазом, иногда в некоторых разновидностях грейзенов присутствует фенакит. Приповерхностные условия образования типичны для виллемита и каламина — минералов зоны окисления цинково-сульфидных руд. 2
4
2
4
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О МИНЕРАЛАХ
О л и в и н ы . Это группа минералов переменного состава, образующих почти не прерывный ряд изоморфных смесей от форстерита M g ( S i O ) до фаялита F e ( S i O ) . Магнезиальный член ряда — форстерит — встречается в мраморах и некоторых ти пах скарнов в виде белых или желтых округлых зерен и бесформенных выделений 2
210
4
2
4
со стеклянным или жирным блеском. Его появление здесь объясняется процессами регионального метаморфизма кварцсодержащих доломитов при реакциях типа 2 C a M g ( C 0 ) + SiO = M g ( S i O ) + 2 C a C O 4- 2 C O . 3
2
2
2
4
3
2
Методами термодинамики легко рассчитать значения температур и давлений, при которых происходит превращение исходных минералов в форстерит и кальцит. Фор стерит обычно ассоциирует с кальцитом, зеленым и бесцветным флогопитом, магне титом, шпинелью (черной и розовой), хондродитом. Промежуточные члены ряда (оливины) встречаются в кимберлитах, базальтах и других эффузивах в виде одиночных зерен, плохо образованных кристаллов и зер нистых масс бутылочно-зеленого, бутылочно-коричневого цвета, полупрозрачных, со стеклянным блеском. Оливины являются также главной составной частью оливинитов и перидотитов (см. рис. 16, табл. 78). Из оливинов только фаялит встречается с квар цем. Он редок и образуется в некоторых скарнах, гранитных пегматитах, гранитах, метаморфических горных породах. При гидротермальных процессах форстерит и магнезиальные оливины легко под вергаются гидролизу и замещаются серпентином и тальком. Схематически эти реак ции описываются, например, уравнениями 4Mg (SiO ) + H O + 5CO = Mg (Si Oi )(OH) + 5MgCO , 2
4
2
2
3
4
0
2
3
2 M g ( S i O ) 4- 2 H O + C O = M g ( S i O ) ( O H ) + M g C O . 2
4
2
2
3
2
5
4
3
Предполагается, что в реакциях могут участвовать также какие-то анионные формы кремния в гидротермальных растворах, например (здесь запись S i O чисто условна) 2
3 M g ( S i O ) + 5 S i O (раствор) + 2 H O = 2 M g ( S i O i ) ( O H ) , 2
4
2
2
3
4
0
2
3 M g ( S i O ) + S i O (раствор) + 4 H O = 2 M g ( S i O ) ( O H ) . 2
4
2
2
3
2
5
4
Оливиниты используются как огнеупорное сырье, прозрачные разновидности оли вина зеленого цвета (перидоты и хризолиты) добываются в качестве ограночного ма териала (т.е. как драгоценный камень). Узнаются с трудом.Требуется большой навык для уверенной диагностики оливинов. В базальтах они привлекают к себе внимание своей схожестью с осколками бутылоч ного стекла. В ультраосновных горных породах диагностирующим признаком явля ется частое развитие по оливину более приметных минералов — талька и серпентина. Ф е н а к и т B e ( S i O ) . Образует шестоватые, призматические белые кристаллы в гидротермальных фтор-бериллиевых рудах, где ассоциирует с полевым шпатом, бертрандитом, флюоритом. В качестве драгоценного камня встречается в пегматитах в виде крупных бесцветных прозрачных кристаллов призматического и ромбоэдриче ского габитуса, ассоциирует здесь с бериллом, топазом, амазонитом. Ц и р к о н Zr(SiO ). В некоторых месторождениях встречаются разновидности цир кона с различными изоморфными примесями (Th, Ce, Hf, Nb, Та, Al), иногда в боль ших количествах. Многим из них даны д а ж е свои названия, хотя они лишние, если подходить к минералогической номенклатуре строго. Циркон кристаллизуется обычно в виде идеально развитых тетрагональных кристаллов (см. рис. 168), обладающих хо рошо проявленным свойством типоморфизма: в более щелочных горных породах обра зуются укороченные кристаллы, в кислых — удлиненные. Блеск на гранях алмазный. Цвет коричневый разных оттенков. Твердость 7-8. Встречается во всех магматических горных породах, но особенно часто в нефелино вых сиенитах и их пегматитах. Радиоактивные разновидности циркона присутствуют в гранитных пегматитах.' Обычен в альбититах. Очень прочен, относительно тяжел 2
4
4
211
и поэтому накапливается в песках. Промышленные концентрации (россыпи) харак терны в песчанистых осадочных горных породах (цирконовых песках). Используется как формовочный песок в металлургическом производстве, для получения оксида цир кония, для извлечения гафния. Прозрачные красноватые разновидности (гиацинты) являются драгоценным камнем. Радиоактивные разновидности (малакон, циртолит и др.) подвергаются метамиктному распаду (распад под действием собственного излучения). Они аморфизуются, ожелезняются, обводняются. Увеличиваясь в объеме, метамиктные зерна циркона раз бивают трещинами окружающие минералы, по ним происходит ожелезнение пород. Легко узнается по идеальной форме кристаллов, алмазному блеску, высокой твер дости. К о ф ф и н и т U ( S i O ) . Изоструктурен с цирконом и торитом. Кристаллы крайне редки. Обычен в почковидных агрегатах и тонкозернистых массах и смесях с другими минералами урана в некоторых месторождениях урана среди песчаников и других осадочных пород. Руда на уран. Г р а н а т ы . Это обширная группа минералов общей формулы R g R ( S i O ) S - Вы деляют три главных подгруппы гранатов по катионам типа R и R : а) кальцие в ы е — гроссуляр, андрадит, уваровит; б) алюминиевые — спессартин, альмандин, пи роп, к ним ж е можно отнести и гроссуляр (он попадает в обе подгруппы), реально наблюдаемые составы минералов этих подгрупп указаны на рис. 98; в) титанистые — разновидности андрадита (меланит и шерломит). Особое место занимает редкий гра н а т — кноррингит M g C r (SiO )з, обнаруженный в кимберлитах в виде самостоятель ной фазы и изоморфных примесей в пиропе. Есть и другие по составу гранаты—ванадиевые, циркониевые, гидрогранаты. Все гранаты образуют хорошие кристаллы в виде ромбододекаэдров и тетрагонтриоктаэдров или их комбинаций. Они имеют стеклянный блеск и высокую твердость (6,5-7,5). Д л я наиболее распространенных гранатов их цвета и типы месторождений указаны в табл. 35. 4
+
+
2
2 +
3
2
4
3 +
4
Т а б л и ц а 35. Ц в е т и м е с т о р о ж д е н и я г р а н а т о в
Минерал Гроссуляр Андрадит Уваровит
Цвет
Месторождения
Белый, зеленый, светло-коричневый Темно-коричневый, черный Изумрудно-зеленый
Меланит, шерломит
Смоляно-черный
Альмандин
Красно-фиолетовый, малиновый Розовый Бордово-красный (иногда с плеохроизмом)
Спессартин Пироп
Скарны » Хромитовые руды в оливинитах Нефелиновые щелочные горные породы, скарны (меланит) Сланцы, гнейсы, пегматиты Те же Кимберлиты, базальты, гнейсы, эклогиты
Альмандин является абразивным материалом. Пироп, уваровит, демантоид (хромсодержащий зеленый андрадит — г р о с с у л я р ) — э т о драгоценные камни. Гранаты легко узнаются по форме кристаллов, окраске, твердости. Поначалу трудно диагностировать лишь зеленые и коричневые гранаты ряда гроссуляр — андра дит в их сплошных, жирных по блеску плотных массах в скарнах и роговиках. Помо212
гают в диагностике их в ы с о к а я твердость и наличие в них м е л к и х хорошо ограненных кристалликов граната вдоль кальцитовых жилок. Х о н д р о д и т M g ( S i O J F - Минерал я р к о - р ы ж е г о , к о р и ч н е в о - р ы ж е г о цвета в бес ф о р м е н н ы х зернах и в к р а п л е н и я х в м р а м о р а х . Ассоциирует с ф о р с т е р и т о м , шпи нелью, доломитом, п р и в л е к а я своей окраской внимание к этим часто неприметным горным породам и тем с а м ы м о б л е г ч а я обнаружение шпинели, ф о р с т е р и т а и других минералов. Г р у п п а к и а н и т а ( д и с т е н а ) . С ю д а о т н о с я т с я д в а островных с и л и к а т а разной с т р у к т у р ы , кианит (дистен) A l ( S i O ) O и а н д а л у з и т A l A l ( S i O ) O , и цепочечный алю м о с и л и к а т — с и л л и м а н и т A l ( A l S i O ) . В к и а н и т е весь алюминий р а с п о л а г а е т с я в ки слородных о к т а э д р а х , в а н д а л у з и т е половина его находится в необычном (пятерном) о к р у ж е н и и , а в с и л л и м а н и т е половина а л ю м и н и я р а з м е щ а е т с я в т е т р а э д р а х . В этой ж е последовательности п о н и ж а е т с я , естественно, плотность м и н е р а л о в , т а к к а к чем больше координационное число атома, тем плотнее он упакован в с т р у к т у р е м и н е р а л а м е ж д у анионами (кислородом). Т а к ж е уменьшается давление, при котором эти мине р а л ы стабильны: чем больше давление, тем более к о м п а к т н ы с т р у к т у р ы и наоборот. К и а н и т в с т р е ч а е т с я в виде удлиненно-таблитчатых, досковидных к р и с т а л л о в , бес цветных и голубовато-синих, с п е р л а м у т р о в ы м отливом на г р а н я х ; очень х а р а к т е р н а я в н а я анизотропия твердости этих пластин (поперек около 7, вдоль 5-6), отсюда про исходит и второе название м и н е р а л а — дистен, т. е. д в о я к о т в е р д ы й . Р е ж е к и а н и т обра зует в с л а н ц а х и г о л ь ч а т ы е к р и с т а л л ы серого цвета (от включений г р а ф и т а ) и их шаро видные массы радиально-лучистого строения. А н д а л у з и т в с т р е ч а е т с я в брусковидных розовых, зеленых, серых к р и с т а л л а х , с и л л и м а н и т — в виде бесцветных иголочек. О б р а з у ю т с я м е т а м о р ф и ч е с к и м путем з а счет преобразования при возрастании да вления и т е м п е р а т у р ы богатых глиноземом, например с л ю д я н ы х (мусковитовых), кри с т а л л и ч е с к и х сланцев по р е а к ц и я м т и п а 5
4
2
2
2
4
4
5
KAl (AlSi Oi )(OH) + SiO = K(AlSi O ) + Al SiO + H O . 2
3
0
2
2
3
8
2
5
2
С н а ч а л а образуется с и л л и м а н и т или ан д а л у з и т . П р и еще большем увеличении да в л е н и я п о я в л я е т с я кианит (рис. 169), по этому в к р и с т а л л и ч е с к и х с л а н ц а х иногда в с т р е ч а ю т с я п а р а м о р ф о з ы к и а н и т а по ан д а л у з и т у (рис. 170), к а к свидетельство на р а с т а н и я д а в л е н и я в ходе м е т а м о р ф и з м а , приводящего к п о л и м о р ф н ы м превращени Ш. 600 я м веществ состава A l S i O Температура, 'С И с п о л ь з у ю т с я д л я получения огнеупо Рис. 169. Границы устойчивости мине ров в м е т а л л у р г и и и керамической промы ралов группы кианита. шленности. С т а в р о л и т A l F e ( S i 0 ) 0 ( O H ) . Специфический м и н е р а л к р и с т а л л и ч е с к и х биот и т о в ы х и других сланцев. В с т р е ч а е т с я в них в виде коричневых и черных хорошо ограненных призматических к р и с т а л л о в (часто это п о й к и л о к р и с т а л л ы ) и их кресто образных сростков. Ассоциирует с биотитом, кианитом (или с и л л и м а н и т о м ) , кварцем, а л ь м а н д и н о м . Образуется в процессах регионального м е т а м о р ф и з м а , вероятно, гли нистых (с к а о л и н и т о м и лимонитом) пород по р е а к ц и я м т и п а 2
4
5
4
2
2
2
6 A l ( S i O ) ( O H ) + 2FeOOH = 2
2
5
4
2 A l S i O + 6 S i O + 2 F e A l ( S i 0 ) 0 ( O H ) + 1/2 O + 1 1 H O . 2
5
2
4
213
4
2
2
2
2
2
Рис. 170. Параморфоза кианита по брусковидным кристаллам андалузита.
Т о п а з A l ( S i O ) ( F O H ) . Сингония ромбическая. Кристаллы призматического об лика с продольной (вдоль удлинения) штриховкой и совершенной поперечной спайно стью по пинакоиду {001}. Реже встречается в шестоватых агрегатах и бесформенных выделениях. Блеск сильный стеклянный. Кристаллы прозрачные, бесцветные, голу бые, винно-желтые, часто с секториально-зональным и полосчатым распределением цветов в теле кристалла (рис. 171, см. также рис.37). Неравномерность окраски вы звана обычной для кристалла причиной: разной адсорбционной способностью граней в отношении изоморфных примесей, но в кристаллах топаза она проявлена очень эф фектно. Грани призмы и их пирамиды нарастания обычно голубые (окрашены двух валентным железом), пирамиды нарастания наклонных граней (ромбической дипирамиды и др.) винно-желтые (от примеси трехвалентного железа), за гранью пинакоида тянется, рассекая весь кристалл, прозрачная бесцветная полоса (пинакоид вообще не адсорбирует атомы железа). Твердость 8. 2
4
1
2
желтый
Рис. 171. Пример неравномерной окраски драгоценного топаза в по перечном срезе кристалла.
Образуется в гранитных пегматитах (в их занорышах встречаются особо большие кристаллы то паза массой до 10 кг и более). Является главным минералом грейзенов, где присутствует либо в зер нистой массе грейзена, либо в жилках и пустотах в форме хорошо ограненных кристаллов и шестова тых агрегатов. Известны гидротермальные кварце вые гнезда с топазом в известняках. Образование то паза в кварцево-слюдяных грейзенах объясняют воз действием на полевые шпаты высокотемпературных гидротермальных растворов, обогащенных фтором. Схематически это можно изобразить уравнением
2K(AlSi O ) + 2F" + 4 H 3
8
+
+
= A l ( S i O ) F + 5SiO + 2 K + 2H O. 2
4
2
2
2
Добывается как драгоценный камень. Легко узнается по твердости, форме кристаллов, их штриховке и перпендикуляр ной к ней спайности. От кварца отличают по форме кристаллов, большей плотности 214
3
топаза— 3,6 против 2,6 г / с м (его так и называют— "тяжеловес"), направлению штри ховки (у кварца она поперек удлинения кристаллов), спайности (у кварца ее нет) и более сильному блеску. От берилла отличается по спайности. Т и т а н и т ( с ф е н ) CaTi(SiO )O. Широко распространен в природе, встречается в разных горных породах в виде акцессорного минерала, т.е. такого, который слагает менее 1% объема горной массы. Большие скопления (до 5 и д а ж е 50%) образуются лишь в нефелиновых сиенитах и их пегматитах. Здесь он легко узнается по клино видным (как раздутые почтовые конверты) кристаллам коричневого цвета, с сильным стеклянным (до алмазного) блеском и с грубой отдельностью; р е ж е встречаются не большие желтые, медово-желтые лучистые агрегаты игольчатого титанита. В е з у в и а н C a I o A l M g ( S i O ) S ( S i O r ) ( O H ) . Характерный минерал скарнов. Узна ется по тетрагонально-призматическим кристаллам и их шестоватым агрегатам корич невого, серо-коричневого, печенково-бурого цвета. Встречается, кроме того, в бесфор менных выделениях коричневого, зеленовато-желтого цвета, неотличимых на вид и по твердости от андрадита и гроссуляра, если в этих массах нет кристаллов (в этом случае минералы различают по их оптическим свойствам с помощью микроскопа). Г р у п п а к л и н о п р и з и т а . В нее входят три изоструктурных минерала (клиноцоизит, эпидот, алланит, или ортит) общей формулы R R ( S i O ) ( S i O r ) O ( O H ) . Клиноцо и з и т — очень редкий минерал. Эпидот является широко распространенным минералом сланцев и скарнов, где образует шестоватые, продольно исштрихованные кристаллы со стеклянным блеском и неповторимого в других минералах, очень специфического — фисташково-зеленого, шпинатно-зеленого (как зеленые щи) цвета. Алланит, или ор тит) встречается в гранитах и гранитных пегматитах в виде длиннопризматических коричневых и черных кристаллов, часто метамиктно-распавшихся — в этом случае они клееподобные, аморфные, со смоляным блеском, вокруг них происходит побурение и растрескивание породы. 4
4
4
2
2
2
4
+
2
3 +
4
2
Г е м и м о р ф и т ( к а л а м и н ) Z n ( S i O ) ( O H ) - H O . Входит в состав окисленных цин ковых руд как один из продуктов изменения сфалерита. Здесь часто выделяется в пустотах и трещинах бурого железняка в виде нежно-белых игольчатых, уплощенношестоватых, волосовидных кристаллов и их параллельно-игольчатых корок. Используется как один из компонентов цинковых руд. 4
2
7
2
2
Узнается с трудом, при большом на выке. Своеобразны кристаллы гемиморфита: они не одинаковые на разных кон ц а х — с одного конца остроконечные, с другого как бы срезанные поперек (рис. 172) гранью моноэдра. Отсюда происходит И название минерала: теми (от греч. h e m i ) — половина, морф (от греч. m o r p h e ) — ф о р м а , т.е. наполо вину оформленный, неоднородный на раз Рис. 172. Кристаллы гемиморфита. ных концах. Л а м п р о ф и л л и т N a S r ( T i I s F e O S ) ( S i O r ) O F . Внешне неотличим от а с т р о ф и л л и т а K N a F e M n T i ( S i O i 2 ) 0 ( O H , F ) . Встречаются в щелочных (нефелиновых) горных породах и в щелочных пегматитах. Образуют одиночные удлиненно-пластин чатые кристаллы и их радиально-лучистые сростки. Характерны бронзовый цвет, металловидный блеск и слюдоподобная спайность. 1
2
5
2
2
4
2
4
2
2
3
215
Контрольные
вопросы
1. В чем заключаются главные кристаллохимические особенности силикатов с одиночными и сдвоенными кремнекислородными тетраэдрами в их структуре? 2. Назовите минералы группы кианита. Каковы условия их существования и фазовые пере ходы друг в друга? 3. Какой минерал из группы клиноцоизита бывает метамиктным и что э т о означает? 4. Назовите формы кристаллов наиболее распространенных островных силикатов. Чем об условлено совершенство э т и х кристаллов? 5. В чем состоит поисковое значение гранатов? Какие их характерные минеральные ассоци ации и месторождения вы можете назвать? 6. В каких месторождениях образуется форстерит, а в каких — оливин? 7. Какой смысл кроется в названии минерала "гемиморфит"?
Глава КОЛЬЦЕВЫЕ
14 СИЛИКАТЫ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Подкласс кольцевых силикатов объединяет сравнительно небольшое число редких в природе минералов. Среди них только два минерала — турмалин и берилл — играют в некоторых случаях роль второстепенных, а иногда и д а ж е главных минералов ряда минеральных месторождений. Главными структурными элементами кольцевых силикатов являются одно- или двухъярусные тройные, четверные, шестерные, девятерные кольца тетраэдров. Тур малин и берилл характеризуются шестерными одноярусными кольцами, но разной конфигурации. В турмалине все тетраэдры в кольце лежат своими основаниями в одной плоскости, вершины обращены в одну сторону (см. рис. 164, г), сечение кольца не просто шестиугольное, а дитригональное. В структуре минерала кольца ориенти рованы одинаково — вершинами тетраэдров вверх, структура получается резко асим метричной по строению и свойствам, а кристалл турмалина имеет дитригональное сечение и неодинаковые концы. Они растут с неодинаковой скоростью, по-разному адсорбируют вещества, в том числе пигментирующие изоморфные примеси, и потому разные концы кристалла нередко различны по цвету; из-за асимметрии структуры в турмалине хорошо проявлен пироэлектрический эффект. В бериллах кольцо гекса гональное с горизонтальной плоскостью симметрии (см. рис. 164, в), оба конца кри сталлов берилла одинаковые по огранке и своим свойствам. В эвдиалитах сочетаются кольца двух типов — трехчленные (Si Og) и девятерные (Sic,027)- Значительно более сложна структура кордиерита — в ней есть шестерные и четверные кольца, соединяю щиеся друг с другом через общие тетраэдры (рис. 173) в единый каркас. 3
Т а б л и ц а 36. Г л а в н ы е м и н е р а л ы — к о л ь ц е в ы е с и л и к а т ы Группа Турма лина
Минерал Шерл NaFe А1 (31б0 )(ВОз)з(ОН)4 Рубеллит Na(Lh S A l i , 5 ) A l e ( S i e O i 8 ) ( B 0 ) 3 ( O H ) 4 Берилл Be Al (Si60ie) Эвдиалит NaI Ca (Fe Mn) Zr (Si Og) (Si 0 ( О Н ) ) Кордиерит (Mg Fe) Al (AlSi Oi ) - п Н 0 6
3
6
1
Триг.
7-7,5
»
7-7,5
Гекс. Триг.
7,5-8 5-5,5
Ромб.
7-7,5
3
3
2
Твер дость
18
1
Берилла Эвди алита Корди ерита
Син гония
1
2
3
2
3
3
5
3
8
2
2
217
9
2 4
3
2
Рис. 173. Структура кордиерита. Состоит из колец двух типов, которые, соединяясь, обра з у ю т каркас тетраэдров.
К о л ь ц а в с т р у к т у р е минералов с к р е п л я ю т с я катионами, в н у т р и к о л е ц нередко рас полагаются д о п о л н и т е л ь н ы е анионы ( О Н ) или м о л е к у л я р н а я вода. В целом струк т у р ы к о л ь ц е в ы х с и л и к а т о в с л о ж н ы е и неплотные. Сингония м и н е р а л о в о п р е д е л я е т с я геометрией их колец. П р е о б л а д а ю т т р и г о н а л ь н ы е и г е к с а г о н а л ь н ы е м и н е р а л ы . К о р диерит — ромбический, псевдогексагональный м и н е р а л (табл. 36). -
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О МИНЕРАЛАХ
Берилл. Сингония гексагональ н а я . К р и с т а л л и ч е с к а я с т р у к т у р а сло ж е н а к о л ь ц а м и (рис. 174), соединяе м ы м и а т о м а м и б е р и л л и я (координа ционное число 4) и а л ю м и н и я (коор динационное число 6). К о л ь ц а рас п о л а г а ю т с я д р у г под другом, т а к что о б р а з у ю т с я д л и н н ы е к а н а л ы , прохо д я щ и е вдоль к р и с т а л л а . В этих кана л а х могут р а з м е щ а т ь с я д о п о л н и т е л ь ные (как бы сверх идеальной ф о р мулы) катионы щ е л о ч н ы х м е т а л л о в и м о л е к у л ы воды, так что осуществля ется многоатомный г е т е р о в а л е н т н ы й и з о м о р ф и з м с образованием т в е р д ы х растворов внедрения по схемам
Рис. 174. Структура берилла.
• + Be • + Be • + Al
2 +
+