Понятие о минералах. Классификации минералов. Парагенетические минеральные ассоциации.

Минерал – химическое соединение с определённым внутренним строением, характеризующееся своими физическими свойствами, образованное при тех или иных геологических процессах.

Минералы классифицируют по физическим свойствам, химическому составу и внутреннему строению. С химической точки зрения минерал может состоять из одного элемента, может быть бинарным соединением и может быть солями тех или иных кислот. Наиболее широко используется классификация минералов по химическому составу.

Выделяют следующие классы минералов: самородные минералы; галоидные соединения; сульфиды и сульфосоли; окислы и гидроокислы; карбонаты; сульфаты; бораты; фосфаты, арсенаты и ванадаты; хроматы, вольфраматы и молибдаты; силикаты и алюмосиликаты.

Самородные минералы характеризуются присутствием в их составе одного химического элемента. В природе чаще всего встречаются в твёрдом состоянии, хотя возможно и в газообразном (группа благородных газов) и иногда в жидком состоянии (ртуть).

Все твёрдые самородные минералы делятся на:

1. Металлы – характерна металлическая связь, в основном координационная структура. Твёрдость их невысокая, но при этом высокая плотность. Характеризуются теплопроводностью. Некоторые из них обладают магнитными свойствами (железо, никель, кобальт, серебро, золото, платина). Большая их часть образуется гидротермальным путём, хотя платина имеет магматическое происхождение, а самородное железо – метеоритное происхождение.

2. Полуметаллы – (мышьяк, сурьма, олово). Для них характерен ковалентный тип связи. Они имеют островную структуру. Появляется спайность, химически активны и чаще встречаются в бинарных соединениях. Они имеют гидротермальное происхождение.

3. Неметаллы – две полиморфные модификации углерода – алмаз и графит; и три полиморфные модификации серы.

Галоидные соединения – (хлориты, фториды), то есть соответственно соли хлоридной, фтористой, йодистой, бромистой кислот. Данные соединения являются типично ионными соединениями, и они характеризуются набором катионов двух типов.

1. 1 тип: это цепочечные катионы Na, K, Ca, Mg – это катионы с большим радиусом и маленькой валентностью. Все минералы с таким набором катионов будут прозрачны, химически активны, невысокой твёрдости, совершенной спайности. В твёрдом состоянии они не проводят ни тепла, ни электричества, а в растворённом состоянии проводят тепло и электричество.

2. 2 тип: это катионы с большой валентностью и маленьким радиусом (серебро, золото, железо, медь). Эти минералы не прозрачны, химически пассивны, спайность отсутствует и их генезис контактово-метасоматические процессы.

Примеры: галит – каменная соль (NaCl); сильвин (KCl); флюорит (плавиковый шпат) – CaF₂; карналлит MgCl₂*KCl*6H₂O; бишофит MgCl₂*6H₂O.

Окислы и гидроокислы – представляют собой соединения катионов металлов с кислородом и гидроксильной группой. Их катионы представлены порядка 40 элементами таблицы Менделеева (Fe, Cu, Co, Ni, Mn, Ti, Cr, Sn, Al, Si) и также катионы типа Ca, Mg, кроме того редкометальные элементы типа ниобия, тантала, лития, скандия и т.д. Исходя из того, что при одном и том же типе связи ионном, характерны разнообразные типы структур (цепочечные, ленточные, слоистые, каркасные) и разнообразные сингонии. Они имеют разнообразные химические и физические свойства. Минералы разноцветные, степень спайности различна, твёрдость от 1 (тальк) – до 9 (корунд). Их генезис связан с разработанными процессами (эндогенными, экзогенными, пегматитовыми, гидротермальными, пневматолитовыми, метаморфическими и магматическими).

Примеры: магнетит (Fe₃O₄); гематит (Fe₂O₃); куприт (Cu₂O); брусит (Mg(OH)₂); диаспор (AlO(OH)); корунд (Al₂O₃); пиролюзит MnO₂; хромит FeCr₂O₄; кварц SiO₂ и др.

Сульфиды и сульфосоли представляют собой соединения катионов с сероводородом. Для этой группы характерен металлический тип связи. Катионы представлены Fe, Cu, Co, Ni, Pb, Zn, As, Hg и др. Для них характерны координационная, цепочечная, слоистая, островная, ленточная структуры. Для минералов этих соединений характерен металлический блеск, часто совершенная спайность, среднее значение твёрдости. Все минералы химически активны. Реагируют хорошо с кислотой. Их образование связано главным образом с гидротермальными процессами, хотя возможны магматические и экзогенные.

Примеры: пирит FeS₂, халькопирит CuFeS₂, молибденит MoS₂, антимонит (сурьмяный блеск) Sb₂S₂; Sb (стибиум); аурипигмент (жёлтая мышьяковая обманка) As₂S₃; ковеллин (медный колчедан) СuS; пентландит (железо-никелевый колчедан) (FeNi)₉S₈ и др.

Карбонаты представляют собой соли угольной кислоты, то есть с радикалом [CO₃]₂, и наиболее прочные соединения в силу ионной связи, они образуют с Ca, Mg, иногда Pb и Zn. Трёхвалентные катионы, также встречаются только вместе с K или в двойном количестве (Cu и Fe). Четырёхвалентных карбонатов не существует. Они часто имеют островную или ленточную структуры и кристаллизуются в основном в тригональной и ромбической сингониях. Это светлоокрашенные минералы, с совершенным типом спайности, химически активны, генезис их связан с экзогенными процессами. Хотя для них возможно гидротермальное минералообразование.

Примеры: кальцит и арагонит CaCO₃, доломит Ca, Mg(CO₃)₂, магнезит MgCO₃, сидерит FeCO₃, смитсонит ZnCO₃, церруссит PbCO₃, малахит и др.

Сульфаты – представляют собой соли серной кислоты, их анионный радикал [SO₄]₂, тип связи ионный и поэтому наиболее прочные соединения будут образовываться с двухвалентными катионами большого радиуса, это, прежде всего Ca, Mg, Pb, Zn. Если в их состав входят одновалентные катионы типа Na, K, то они присутствуют с гидроксильной группой OH, или в присутствии воды. Если в состав входят трёхвалентные катионы типа Al и Fe, то они всегда присутствуют с одновалентным K и гидроксильной группой OH (алунит KAl₃SO₄*(OH)₆).Для сульфатов характерна в основном островная и цепочечная структура, они кристаллизуются чаще всего в тригональной и ромбической сингонии. С физической точки зрения, это в основном светлоокрашенные минералы, невысокая твёрдость, совершенная спайность, химически активны. Чаще их генезис связан с экзогенными процессами, бывает гидротермальный.

Примеры: барит BaSO₄, целестин SrSO₄, англезит PbSO₄, гипс СaSO₄*2H₂O, каинит MgSO₄*KCl*3H₂O, ярозит и др.

Фосфаты, арсенаты и ванадаты – соли фосфорной кислоты [PO₄]₃, арсеньковой кислоты [AsO₄]₃, ванадатной кислоты [VO₄]₃. Для фосфатов характерны следующие катионы – это Ca, Fe, Mg, Mn. Для арсенатов Fe, Co, Ni. Для ванадатов Fe, Pb, Zn. Все они имеют ковалентно-ионную связь. Чаще всего характеризуются островные и цепочечные структуры. Кристаллизуются в основном в ромбической и тригональной сингониях. Твёрдость 4. Минералы хрупкие, химически активны и все практически разноокрашенные. Генезис связан главным образом с процессами выветривания и окисления сульфидных руд. Кроме того, они могут иметь контактово-метасоматический процесс образования.

Примеры: апатит – фторапатит Сa₅(PO₄)₃F и хлорапатит Ca₅(PO₄)₃Cl, ксенотим YPO₄ (где Y – итрий); фосфорит Сa₅(PO₄)₃F, Cl, скородит, вивианит и др.

Вольфраматы, молибдаты и хроматы – это соли хроматовой кислоты [CrO₄]₃, фольфраматовой кислоты [WO₄]₃, молибдатовой кислоты [MoO₄]₃. Для вольфраматов характерны катионы – Ca, Mg, Fe. Для молибдатов – Ca, Fe. Хроматы – для них характерны редко-метальные щелочные элементы – Pb, Zn, Fe. Для них характерна ковалентно-ионная связь. Кристаллизуются в ромбической, тетрагональной и моноклинной сингониях. Имеют островную и цепочечную структуру. Характеризуются средними значениями твёрдости 4-5, несовершенная спайность, жирный до алмазного блеск. Генезис – из зоны окисления, гидротермальный, магматический, контактово-метасоматический.

Примеры: крокоит PbCrO₄, гюбнерит MnWO₄, вольфрамит (Fe, Mn)WO₄, шеелит CuWO₄, повеллит CaMoO₄ и др.

Бораты представляют собой соединения катионов металлов с основанием [BO₃]₂, [BO₄]. Они характеризуются ионно-ковалентной связью, их катионы Ca, Mg, K, Na, также возможно присутствие Fe, Al, Ag. Для них характерны наивысшие сингонии (моноклинная, ромбическая), хотя возможна гексагональная. Для них установлены островные, каркасные и координационные структуры. Минералы в основном светлоокрашенные, их твёрдость не больше 4, хотя имеются и минералы с твёрдостью 5-7. Их происхождение связано с гидротермальными и вулканическими процессами.

Примеры: колеманит (водный борат); людвигит; бура Na₂B₄O₇*10H₂O; улексит; борацит и др.

Силикаты и алюмосиликаты – самый обширный класс минералов, который по подсчетам В.И. Вернадского составляет 85% земной коры.

Главным структурным мотивом этих минералов является тетраэдр SiO_4, где большие ионы кислорода тетраэдрически окружают сравнительно небольшой ион кремния. Все многообразие силикатов и алюмосиликатов зависит, прежде всего, от бесконечного количества геометрических комбинаций кремнекислородных тетраэдров.

В зависимости от того, как сочетаются между собой данные тетраэдры, различают следующие структуры силикатов:

1. Силикаты островной структуры:

а) одиночные изолированные тетраэдры, где каждый кислород принадлежит только одному кремнию, и имеет по одному свободному заряду. Тетраэдры между собой не связаны, связь происходит через катионы, заполняющие тетраэдрические пустоты.

Пример: оливин (Mg, Fe)₂[SiO₄]

б) изолированные сдвоенные кремнекислородные тетраэдры, соединенные одним атомом кислорода.

Пример: каламин Zn₂[Si₂O₇](OH)₂ * H₂O

в) изолированные кольца – тетраэдры, соединенные вершинами, образуют замкнутые кольца, которые могут состоять из 3, 4 и 6 тетраэдров.

Пример: берилл Be₃Al₂[Si₆O₁₈]

Среди катионов островных силикатов преобладают Mg²⁺, Fe²⁺, Ca²⁺ а также Al³⁺, Fe³⁺, иногда Ве²⁺, Ti⁴⁺, Zr⁴⁺. Щелочные элементы Na и К встречаются в исключительных случаях. Алюминий, в отличие от других типов силикатов, практически никогда не входит в структуру минералов в координации 4, т.е. не заменяет Si в его тетраэдрических группах. Физические свойства островных силикатов довольно характерны и обусловлены особенностями кристаллических решеток этих минералов. Форма кристаллов, как правило, изометричная. Минералы обладают высокой твердостью и относительно повышенным удельным весом, вследствие плотной упаковки ионов. Это бесцветные или слабо окрашенные минералы. Характерны: первые признаки спайности (несовершенная);

2. Силикаты цепочечной структуры – соединяющиеся вершинами тетраэдры образуют вытянутые бесконечные цепи с различным периодом повторяемости. В данном случае только 2 иона кислорода принадлежат своему тетраэдру, а 2 других являются общими в цепочке. Между отрицательно заряженными цепочками находятся катионы. Структура такого типа характерна для группы пироксенов.

Пример: диопсид CaMg[SiO₃]₂

По химическому составу это силикаты Ca, Mg, Fe, Mn, в некоторых присутствует Al и щелочи (Na, Li). Для пироксенов характерно широкое изоморфное замещение одних элементов другими. В соответствии с кристаллической структурой для пироксенов характерна средняя спайность под углом, близким к прямому; ромбическая и моноклинная сингонии; средняя твёрдость.

3. Ленточные силикаты – две цепочки тетраэдров соединены общими ионами кислорода в ленты. Такая структура характерна для группы амфиболов.

Пример: тремолит Ca₂ Mg₅[Si₄O₁₁]₂ (OH)₂

К амфиболам относятся минералы, близкие по составу к пироксенам, но в отличие от них содержат дополнительные анионы (ОН)^-. Для амфиболов также характерны широкие изоморфные замещения; тетрагональная, тригональная сингонии; удлинённо-призматическая или короткопризматическая форма кристаллов; совершенная спайность, невысокая твёрдость.

4. Слоистые силикаты – слои образованы тетраэдрами, соединенными тремя общими вершинами, при этом только один кислород остается при своем тетраэдре. Все активные ионы кислорода направлены на одну сторону (по отношению в плоскости слоя) и образуют активную прослойку. Следовательно, каждый слой с помощью активной прослойки может быть связан катионами с аналогичным слоем и образует пакеты.

Пример: серпентин Mg₆[Si₄O₁₀] (OH)₈

К силикатам и алюмосиликатам слоистой структуры относятся группы минералов, в состав которых кроме кремния и алюминия входят ионы Mg²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Ni²⁺, K⁺, Na⁺, Li⁺. Они содержат гидроксильные группы (ОН) и другие дополнительные анионы, а иногда воду. Характерны: твёрдость не больше 3; спайность суперсовершенная в одном направлении; облик кристаллов досчатый; моноклинная сингония.

5. Каркасные силикаты – представляют собой трехмерную структуру непрерывного каркаса, где все ионы кислорода общие. В таких структурах, где все центры тетраэдров заняты, нет места для катионов. Такие кремнекислородные каркасы характерны для полиморфных модификаций кварца.

Появление катионов в каркасном силикате возможно при замещении части Si⁴⁺ - Al³⁺. Возникает возможность вхождения в структуру одновалентного катиона. В катионной части находятся крупные ионы Na, K, Ca, реже Ba, Sr, Cs и некоторых других элементов. При большем замещении алюминия в радикале, появляется возможность вхождения и больше зарядных катионов. Поэтому минералы данного класса каркасной структуры следует всегда рассматривать как алюмосиликаты. Каркасные алюмосиликаты имеют довольно разнообразные свойства, в зависимости от размеров ячеек каркаса и наличии примесей. Так широко изменяется плотность, спайность.

Пример: полевые шпаты – анортит Ca [Si₂Al₂O₈]

Характерны: наименьшая плотность; более низкая твёрдость; спайность, совершенная в трёх направлениях.

В некоторых минералах алюмосиликатные радикалы могут образовываться уже в ленточной структуре. Достаточно распространенные алюмосиликаты слоистой структуры (например, в слюде).

Силикаты отличаются сложным химическим составом, т.к. в них развито явление изоморфизма. Причем изоморфные замещения наблюдаются как в катионной, так и в анионной части. Широкие замещения наблюдаются и среди дополнительных анионов (например, у топаза, апатита и минералов группы слюд).

Свойства силикатов и алюмосиликатов очень разнообразны и соответствуют их конституции. Происхождение в основном эндогенное. Экзогенные минералы представляют собой продукты выветривания или замещения первичных (эндогенных) минералов.

Силикаты – важные неметаллические полезные ископаемые (керамическое, строительное, огнеупорное сырье). Некоторые минералы являются рудами на редкие металлы (бериллий, литий, циркон, цезий и др.). К ним относятся многие ювелирные камни (изумруд, аквамарин, топаз, турмалин). А также поделочные материалы (нефрит, жадеит, родонит).

Парагенезис – совместное нахождение в природе минералов, возникших в результате проявления единого генетического процесса. Примерами парагенезиса могут служить такие сочетания минералов как: киноварь и антимонит, золото и кварц, алмаз и гранат, галенит, сфалерит и халькопирит (часто и пирит), пирротин и пентландит, касситерит и вольфрамит, азурит и малахит и другие. Изучение парагенетических минеральных ассоциаций позволяет разобраться в сложном процессе формирования месторождений ПИ и способствует организации целенаправленных поисков ряда месторождений. Так на Якутском месторождении при шлиховой съёмке обнаружили сперва гранат (пироп), а затем, зная о парагенезисе его с алмазом, нашли алмазы.