ЛЕКЦИЯ № 6
КЛАССИФИКАЦИЯ
МИНЕРАЛОВ.
Современная
научная классификация рассматривает минералы как продукты природных химических реакций и поэтому она
основывается на важнейших
и существенных внутренних свойствах минералов - химическом составе и кристаллической структуре.
В такой
классификации все встречающиеся в природе минералы (генеральная совокупность)
делятся на три типа, характеризующиеся определенным видом химической формулы.
Типы
минералов делятся на классы по сходству их химического состава и структуре, а классы - на минеральные
виды по строению кристаллической решетки и составу слагающих их частиц (атомов, ионов).
Таким
образом, основной классификационной единицей является
минеральный вид - конкретный и идентифицируемый
объект. Далее минеральные виды группируются
в классы и типы по мерам
сходства и различия, образуя классификационную схему по правилам субординации по вертикали (тип -> класс
-> минерал) и горизонтальной координации по этажам группировок (табл. 3).
Таблица 3.
Классификация минералов
Схема
современной кристаллохимии и ческой классификации
минералов может быть представлена в следующем виде (А, Аn - катионы; X или [ВХm] - анионы, (n или m - число атомов в формуле):
Тип 1.
А, Аn
Класс I. Простые вещества (самородные элементы).
Тип 2. Аn, Xm
Класс II. Сульфиды, арсениды и др. X = S, Se, Те, As.
Класс III. Галоиды
(хлориды, фториды и др.); X = Сl, F, Br, J.
Класс IV. Окислы и гидроокислы; X = 0, (ОН).
Тип 3.
Аn [ВХm]
X - обычно О, иногда с замещением на (ОН),
F, CS; реже S (сложные
сульфиды).
Класс V. Титанаты, титано-тантало-ниобаты; X = 0,(ОН); В = Ti, Nb, Та. Размеры атомов А
и В примерно равны.
Класс VI. Нитраты; В = N (азот).
Класс VII. Карбонаты; В = С
(углерод).
Класс V1I1. Сульфаты, В = S (cepa).
Класс IX. Хроматы, вольфраматы,
молибдаты, В - Сг, .. Mo, W
Класс X. Фосфаты, арсенал 1, ванадаты; В = Р, As, V.
Класс XI. Бораты; В = В
(бор).
Класс XII. Силикаты, алюмосиликаты и др.; В = Si, A1; X = О,(ОН), F, С1: редко S.
An[SiXm] - силикаты
An [(А1, Si)Xm] - алюмосиликаты
В
написании химических формул минералов отражается прежде всего их элементарный состав: А, Аn - катионы, X
или [ВХm] - анионы; n или m - число
атомов (ионов) в формуле. Способ
написания химических формул отражает не только состав минералов, но и их
кристаллическую структуру: квадратными скобками выделяются атомы или
группировки атомов (комплексные
радикалы), определенным образом связанные
друг с другом в кристаллической решетке; в круглые скобки заключены химические
элементы, способные занимать место
друг друга в кристаллической решетке, т.е. обладают атомами или ионами одинакового размера и близкими химическими свойствами.
Первый
тип состоит из одного класса и объединяет минералы, состоящие из одного
элемента, второй тип объединяет
три класса, состоящие из минералов относительно простого химического состава (АnXm) и, наконец, третий тип наиболее обширный по числу классов и минералов,
имеющих более сложный химический состав и включающих
комплексные радикалы (An[ВХm]). Таким образом, последовательность типов
и классов минералов от 1 до XII отражает рост сложности их химического состава и кристаллической структуры.
В
нижеследующем описании классы минералов располагаются в соответствии с принятой классификацией.
В
описании дается общая
характеристика классов минералов. Описание
минералов дается в приложении к настоящему
пособию (Практикум по геологии), в которое включены наиболее распространенные и практически значимые
минералы
Класс 1. Простые вещества (самородные
элементы).
В этот
класс входят минералы, состоящие из одного элемента.
В земной коре в самородном состоянии встречается более 30 минералов, преимущественно химически инертных. Это прежде всего, благородные металлы (золото, серебро, платина и др.), цветные металлы (медь, ртуть,
свинец), неметаллы (углерод, сера),
а также газы (кислород, азот, гелий и др.).
Многие из этих элементов встречаются в природе в нескольких структурных разновидностях, например,
углерод в форме алмаза или графита.
Самородные
металлы характеризуются сходными особенностями:
наилучшая электро- и теплопроводность, сильный металлический блеск, высокий удельный вес.
Минералы весьма устойчивы к
физико-химическим воздействиям - не разрушаются
при выветривании, не истираются механически, часто накапливаются в россыпях
из-за своей тяжести. Среди самородных элементов наиболее широко распространены графит и
сера.
Класс II. Сульфиды.
К классу сульфидов относится
более 200 минералов, представляющих собой
сернистые соединения различных металлов
(железо, медь, свинец, цинк, ртуть и др.). Сульфиды имеют ограниченное
распространение, но вместе с тем крайне
важны как основные руды перечисленных выше металлов. Общими отличительными признаками сульфидов
являются непрозрачность, металлический или алмазный блеск, сравнительно
небольшая твердость, высокий удельный вес. Сульфидные минералы с алмазным
блеском часто называют обманками
(сфалерит или цинковая обманка), а с металлическим - блесками (галенит или свинцовый блеск).
Сульфиды
образуются главным образом в высокотемпературных гидротермальных жилах при
эндогенных (магматических) процессах. На земной поверхности сульфиды неустойчивы, легко окисляются и могут нанести большой ущерб для окружающей среды (тяжелые металлы)
Класс III. Галоиды.
Класс
галоидов включает в себя около 100 минералов, представляющих собой хлориды и фториды металлов - соли
соляной и плавиковой кислот.
Наибольшее
распространение в природе имеют хлориды калия
(сильвин), натрия (галит) и магния (карналлит), которые образуются в результате осаждения из морских
вод е жарком и сухом климате. В месторождениях ископаемых солей хлориды
образуют мощные залежи каменной и калийной солей в толщах осадочных пород. В жизни человека хлориды превосходят все
другие минеральные виды, за исключением воды.
Хлориды
гигроскопичны, хорошо растворяются в воде, обладают сильным соленым или горько-соленым вкусом, совершенной спайностью, низкой твердостью и
небольшим удельным весом.
В отличие от хлоридов,
фториды не образуют в земной коре больших скоплений, встречаются редко,
образуются главным образом в гидротермальных
и пневматолитовых жилах, т.е имеют эндогенное происхождение. Наиболее
распространенным минералом фторидов является флюорит (CaF2), который занимает четвертую позицию
в шкале твердости Мооса, служит сырьем для получения фтора.
Хлориды
всегда присутствуют в подземных и поверхностных водах и являются основными источниками засоления почв, что
существенно снижает их продуктивность.
Класс IV. Окислы и гидроокисям.
Соединения металлов с кислородом [окислы) составляют обширный класс минералов, включающий распространенные и практически важные минеральные виды. Все устойчивые в условиях темной коры окислы нерастворимы в
воде и слабо поддаются
выветриванию.
Существуют окислы простые и
сложные (содержат атомы нескольких
элементов), безводные и гидроокислы. Кроме этого, по составу класс делят
на две большие группы; в первую группу
входят окислы и гидроокислы кремния (кварц, халцедон, опал), во вторую - окислы и гидроокислы металлов (железа, марганца, хрома, алюминия и др.). Во
вторую группу входят такие минералы
как корунд (ювелирные разновидности
- рубин и сапфир), гематит и др.
Безводные
окислы (кварц, корунд, касситерит, рутил и др.) образуются преимущественно при
эндогенных процессах;
а водные окислы - в экзогенных условиях при выветривании горных пород, руд и переотложении продуктов их выветривания.
Большинство
окислов - промышленно ценные рудные минералы важнейшие металлы (железо,
алюминий, хром, марганец,
титан, олово, уран) получают в основном из их природных окислов и гидроокислов.
Класс V. Титанаты.
В этот класс объединена сравнительно небольшая группа минералов,
представленных кислородными соединениями металлов, близкие к сложным окислам, но отличающиеся от них кристаллической
структурой. Типичными представителями титанатов являются ильменит (FeTiO3) и перовскит (CaTiO3).
Титанатам
свойственны темная окраска, отсутствие спайности, раковистый излом, смолистый блеск. Происхождение титанатов
эндогенное (пегматитовое), т.е. образуются на начальных стадиях остывания магмы в пегматитовых жилах.
Используются в качестве руды на титан.
Класс VI. Нитраты.
Минералы
данного класса представляют собой соли азотной кислоты (HNO3),
включают в себя лишь несколько минералов
(селитра KNO3, натриевая селитра
– NaNО3), имеют
ограниченное распространение. Все
природные нитраты
легко растворимы в воде, обладают весьма низкой твердостью, представляют собой белые,
светлоокрашенные минералы в
виде землистых масс, кристаллических корочек или выцветов, солоноваты на вкус.
Образуются
нитраты исключительно при экзогенных процессах, часто в связи с разложением
органических остатков и
деятельностью бактерий. Встречаются только в очень сухом климате, например, в пустынях Чили.
Натриевая
селитра и селитра - важнейшее азотное удобрение, применяется в химической
промышленности, в производстве пороха, других взрывчатых веществ, а также в
стекольной и даже пищевой промышленности (при консервировании мясных и рыбных продуктов),
Класс VII. Карбонаты.
Минералы
этого класса - соли угольной кислоты (Н2СОз) широко распространены в земной коре (около
100 видов), что обусловлено
высоким содержанием в коре кислорода, углерода и
связанных с ними металлов (железо, кальций, марганец, магнии).
В
классе карбонатов различают безводные (простые и сложные) и водные
карбонаты. Сложные безводные карбонаты представляют собой двойные углекислые
соли различных металлов, а водные (гидрокарбонаты) содержат в решетке гидроксилы или кристаллизационную воду.
Из
общих для всех карбонатов особенностей следует отметить невысокую твердость (кальцит входит в шкалу Мооса на
третьей позиции), повышенную растворимость в разбавленных кислотах, обычно хорошую спайность.
Многие
карбонаты бесцветны и прозрачны. Исключение составляют гидрокарбонаты меди,
окрашенные в яркие синие (азурит) и зеленые (малахит) цвета.
Большинство
карбонатов имеет экзогенное происхождение, широко распространены карбонаты гидротермального происхождения при средних и низких
температурах приповерхностных условий.
Минералы
класса карбонатов имеют широкое практическое применение в металлургии, химической промышленности, оптике, в ювелирном деле, а также в
качестве красивого отделочного и декоративного материала.
Класс VIII. Сульфаты.
Природные сульфаты - соли серной и сернистой кислот - известны для
многих металлов (Са, Ва. Sr, Na, К и др.) весьма многочисленны
и пользуются широким распространением. Характеризуются они малой устойчивостью, небольшой твердостью и легкой растворимостью.
Это
объясняется крупными размерами комплексного аниона [SО4]2,
который образует устойчивые кристаллохимические структуры с катионами с большими ионными радиусами,
Различаются
простые, сложные и водные сульфаты. Они образуются как при эндогенных (барит),
так и при экзогенных (большинство
сульфатов) процессах. В последнем случае различают сульфаты осадочного происхождения (усыхающие озера, лагуны, заливы и т.п.) как, например,
гипс, мирабилит и др., а
также гипергенные сульфаты, образующиеся в зоне
окисления рудных месторождений цветных металлов.
Большинство
сульфатов окрашены в белые цвета или бесцветны
(гипс, ангидрит), голубая окраска характерна для целестина, в яркие зеленоватые цвета окрашены
минералы, содержащие медь.
Сульфаты
добываются для технических целей (гипс, барит), для химической промышленности (мирабилит) и как руды марганца и др.
Распространенные минералы класса сульфатов: барит, целестин, ангидрит, гипс, мирабилит, алунит
и др.
Класс IX. Хроматы, вольфраматы,
молибдаты.
Природные
хроматы (соли хромовой кислоты), вольфраматы (соли вольфрамовой кислоты) и молибдаты
(соли молибденовой кислоты)
встречаются редко, но, несмотря на это, имеют важное практическое значение.
Образуются они преимущественно
в зоне окисления рудных месторождений (хроматы, молибдаты), либо в высокосреднетемпературных гидротермальных месторождениях (вольфроматы). Типичные представители класса: вольфрамит - (Mn, Fe) [WO4],
шеелит -Ca[WO4] и крокоит- Рb[СгО4].
Вольфрамит
- важнейшая вольфрамовая руда используется в производстве специальных сортов сталей и сплавов, в электротехнике (нити накаливания электроламп) и др. Шеелит, как и вольфрамит, является рудой на вольфрам
Класс
X. Фосфаты.
Природные
фосфаты - соли фосфорной кислоты, где анион [РО4] - многочисленны и весьма
разнообразны по составу. Наиболее
распространены минералы группы апатита. Образуются они как при эндогенных (пегматитовые, гидротермальные месторождения), так и при экзогенных
(в осадочных породах)
процессах. Существуют простые и сложные, водные и безводные фосфаты Форма выделения, окраска и другие физические свойства минералов отличаются
большим разнообразием и зависят от входящих в их
состав металлов (железо, медь, алюминий и
др.). Твердость их невелика (апатит занимает пятую позицию в шкале твердости Мооса), цвет и удельный вес зависят от катионного состава.
Минералы легко растворяются в кислотах.
Наибольшее
практическое значение имеет апатит - камень плодородия, который используется для получения фосфора и его соединений, в металлургии и стекольной
промышленное™. Другой распространенный минерал - бирюза применяется как красивый драгоценный камень ярко синего
цвета.
Класс
XI. Бораты.
Природные
соли борной кислоты - бораты - известны для Mg, Fe, Mn, Ca, Na других элементов, но наиболее распространены бораты Mg и Са. Класс включает в себя ограниченное число минералов, их общее содержание в земной
коре не превышает тысячные
доли процента. Известны безводные и водные бораты Большинство боратов имеют экзогенное происхождение: осаждаются из вод замкнутых усыхающих
бассейнов (озер, лагун),
вследствие чего они находятся в сочетании с хлоридами и сульфатами,
образующимися в аналогичных условиях. Бораносные
озера - главный источник получения промышленного пора и его соединений. Бораты имеют белый цвет или бесцветны, образуют натечные агрегаты и скопления.
Твердость и удельный вес низкие. Несмотря на ограниченное распространение бораты весьма ценны как источник
получения борной кислоты,
буры и других соединений бора.
Класс
XII. Силикаты и алюмосиликаты.
Минералы
этого класса представляют собой солеобразные природные химические соединения, содержащие SiO2. Основу кристаллохимической структуры
силикатов составляет
кремнекислородный тетраэдр [SiO4]4, в центре которого находится ион кремния. Иногда часть атомов (ионов) кремния замещается ионами алюминия
и такие минералы называются алюмосиликатами.
Силикаты
- наиболее распространенные природные неорганические соединения: они составляют 75-80% всей земной коры и более 30% всего количества известных
минералов. Большинство породообразующих минералов - силикаты; существенно силикатный состав имеют все изверженные и подавляющее
большинство осадочных и метаморфических горных пород.
Подавляющее
большинство силикатов имеет магматическое или метаморфическое происхождение.
Строение
кристаллических решеток силикатов сложно и разнообразно, поэтому класс
силикатов делится па несколько подклассов, объединяющих минералы сходного
строения и свойств. В их числе I)
островные, 2) кольцевые, 3) цепочечные, 4)
слоистые и 5) каркасные силикаты.
1)
Островные силикаты. В этот
подкласс входят минералы
(оливин, гранат, топаз и др.), решетка которых состоит из изолированных кремнекислородных тетраэдром. Благодаря плотной упаковке ионов, минералы обладают
большой твердостью. Физические
характеристики минералов зависят от состава и происхождения.
Оливин (Mg. Fe)2[SiO4] - прозрачен, имеет зеленый или зеленовато-черный цвет, хрупкий, твердость 6-7. Происхождение
магматическое, образуется при остывании магмы бедной кремнеземом преимущественно в
пегматитовых жилах. Применяется
для изготовления огнеупорных кирпичей
Гранат
(СазА12)[SiO4]3 образует правильные кристаллы в виде изометричных
многогранников. Цвет минерала золотисто-желтый, винно-желтый и
буровато-красный, красный. Твердость
6-7, удельный вес 3-4 г/см3 . Происхождение магматическое, метаморфическое, пегматитовое.
Применяется для изготовления различных абразивных материалов. Крупные и интенсивно окрашенные прозрачные кристаллы граната используются в ювелирном деле.
Топаз Al2[SiO4](OH,F)2 - правильные кристаллы, иногда крупные до гигантских (25-
Прозрачные, бесцветные или
слабоокрашенные в голубой, розовый или
винно-желтый цвета топазы относятся к драгоценным камням второго класса.
2) Кольцевые силикаты. Сравнительно небольшой по числу минералов (турмалин, берилл и др.) подкласс силикатов, состоящих из замкнутых колец
кремнекислородных тетраэдров [S1O4]. Форма колец и определяет
форму соответствующих
геометрически правильных кристаллов преимущественно столбчатого или призматического облика.
Они характеризуются высокой твердостью, лишены выраженной спайности, прозрачны и часто содержат примеси
хромофоров, окрашивающих их в разнообразные красивые цвета, поэтому среди них много ювелирных, поделочных
камней.
Турмалин
- минерал сложного и переменного химического состава (более 10 элементов). Призматические кристаллы столбчатой, игольчатой формы, достигающие
иногда
Розовые,
зеленые, синие и прозрачные разности турмалина используются в ювелирном деле как полудрагоценный и поделочный камень.
Берилл- Al2Be3[SiO18] образует шестиугольные,
столбчатые или призматические кристаллы от
нескольких миллиметров до 3-
Происхождение магматическое высокотемпературное
(пегматитовое,
гидротермальное).
Главный
источник бериллия, применяемого в рентгеновских трубках, атомной
промышленности, а также в керамике. Окрашенные
прозрачные разновидности берилла (изумруд,
аквамарин, гелиодор)
известны как драгоценные камни первого класса.
3) Цепочечные силикаты. Название происходит от строения кристаллической решетки, в которой кремнекислородные тетраэдры расположены в виде одинарных или
спаренных цепочек. Подкласс включает в себя большое число минералов, которые делятся на две группы в зависимости от расположения
цепочек - пироксены и амфиболы.
Цепочные силикаты образуют
кристаллы, резко вытянутые в одном направлении, т.е. вдоль цепочек.
Окраска минералов зависит от
присутствия хромофоров (Fe, Mn), большинство
окрашено в темные цвета вплоть до черного
Происхождение
и характеристика цепочных минералов рассмотрим на примере наиболее распространенных представителей
пироксенов - авгита и амфиболов - роговой обманки.
Авгит
- Ca4(Mg,Fe)3Alx[(Si,Al)2O6]4
призматические кристаллы
черного, зеленовато-черного цвета твердостью 5-6.
Происхождение
магматическое, породообразующий минерал многих ультраосновных и основных
горных пород (пироксенит. перидотит, габбро и др.).
Роговая обманка - Ca2Na(MgFe+2)4x[(SiAl)4O11(OH)2, призматические, столбчатые
кристаллы зеленовато-бурого, зеленовато-черного цвета твердостью 5,5-6,0. Происхождение магматическое, типичный минерал гранитоидов, габброидов и метаморфических пород.
4) Слоистые силикаты. Подкласс охватывает большое число минералов, в том числе широко
распространенные породообразующие
минералы. Название подкласса происходит от расположения кремнекислородных тетраэдров в виде плоских слоев,
параллельных основанию кристалла, что обусловливает их слоистое, листоватое,
пластинчатое строение. Кристаллы
прозрачны или полупрозрачны в тонких пластинках, обладают стеклянным блеском и
небольшой твердостью (от 1
до 4).
Все
слоистые силикаты богаты летучими компонентами -водой, фтором и др. К слоистым силикатам относятся тальк, слюды, хлориты,
а также глинистые минералы - каолин, монтмориллонит, гидрослюды и др.
Тальк
- Mg3[Si4O10](OH)2
образует листоватые и чешуйчатые агрегаты или таблитчатые кристаллы,
легко расщепляющиеся на тонкие
пластинки и листочки. Цвет светло-зеленый, иногда белый, а может быть и
бесцветным. Твердость
1, т.е. минерал является эталоном самой низкой твердости по шкале Мооса.
Образуется при гидротермальной переработке ультраосновных горных пород (пироксениты,
перидотиты и др.) или в результате метаморфизма
осадочных пород богатых магнием
(доломиты).
Применяется в виде порошка в
медико-гигиенических целях, в парфюмерии,
косметике и др.
Слюды
- широко распространенные минералы, на долю которых приходится около 4% массы
земной коры. По химическому
составу выделяют магнезиальные (флогопит, биотит) и калиевые (мусковит) слюды.
Все слюды имеют магматическое происхождение, образуются в эндогенных условиях
в гранитных пегматитах, в ультраосновных и щелочных породах, а также на
контакте магнезиальных осадочных пород.
Практическое
значение имеют все слюды: мусковит и флогопит в электро-
и радиотехнике, приборостроении как диэлектрик,
электроизолятор в конденсаторах и радиолампах и др.
5)
Каркасные силикаты и алюмосиликаты.
Подкласс включает большое
число распространенных (преимущественно
породообразующих) минералов, построенных из алюмо- и кремнекислородных тетраэдров [SiO4] и [А1О4]
и образующих трехмерный каркас. Внутри каркаса
располагаются щелочные или щелочно-земельные металлы (Na, К, Са, Ва и др.). Общими свойствами каркасных минералов являются:
светлая окраска, относительно высокая твердость, небольшой удельный вес, изометричная форма
кристаллов.
Происхождение
минералов преимущественно магматическое, реже пегматитовое и метасоматическое на контакте щелочных гранитов и пегматитов с
известняками и доломитами
Каркасные
силикаты делятся на две группы: фельдшпатиты
(лазурит, нефелин и др.) и полевые шпаты (ортоклаз, плагиоклаз и др.)
Лазурит
- Na6Ca2[AlSiO4]6(SO4,S)2
плотные сплошные массы,
кристаллы редки Цвет интенсивный лазурно - или васильково-синий, непрозрачен. Встречается редко.
Происхождение
метасоматическое - на контакте щелочных гранитов и пегматитов с известняками
или доломитами.
Лазурит
- один из самых распространенных поделочных камней, а также сырье для
изготовления стойких темно-синих и лазурно-голубых
красок.
Ортоклаз
- (K,Na) [AISl3O8] призматические и таблитчатые кристаллы неправильной формы. Отдельные кристаллы могут достигать
2-
Весьма
распространенный минерал. Происхождение магматическое, метаморфическое, метасоматическое.
Главный
потребитель ортоклаза - производство фарфора, фаянса, стеклоделие в качестве
добавки и производство глазурей
и эмалей.