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, А_n - катионы; X или [ВХ_m] - анионы, (n или m - число атомов в формуле):

Тип 1. А, А_n

Класс I. Простые вещества (самородные элементы).

Тип 2. А_n, X_m

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. А_n [ВХ_m]

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.

A_n[SiX_m] - силикаты

A_n [(А1, Si)X_m] - алюмосиликаты

В написании химических формул минералов отражается прежде всего их элементарный состав: А, А_n - катионы, X или [ВХ_m] - 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 (А_nX_m) и, наконец, третий тип наиболее обширный по числу классов и минералов, имеющих более сложный химический состав и включающих комплексные радикалы (A_n[ВХ_m]). 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 (Са_зА₁₂)[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 (25-30 кг) призматической формы. Цвет в зависимости от примесей желтоватый, розовый, голубоватый, фиолетовый, также бесцветный, водяно-прозрачный. В шкале твердости Мооса занимает 8 позицию. Характерный минерал пегматитов в сочетании с кристаллами горного хрусталя (кварц).

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 1 м в длину. В зависимости от примесей - хромофоров цвет черный, желтый, розовый, зеленый, красный и т.п. Происхождение магматическое, высокотемпературное в пегматитовых и гидротермальных месторождениях.

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 3-5 м весом до 16 т. Цвет разнообразен и зависит от примесей, что служит для выделения разновидное теп берилла: аквамарин - прозрачный голубой или зеленовато-голубой; гелиодор - прозрачный золотистый; изумруд, или смарагд -густо крашенный травяно-зеленый, прозрачный.

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 2-3 м и более в поперечнике. Цвет белый, светло-желтый, бледно-розовый до мясо-красного. Бесцветная разновидность - адуляр или ледяной шпат, зеленая - амазонит.

Весьма распространенный минерал. Происхождение магматическое, метаморфическое, метасоматическое.

Главный потребитель ортоклаза - производство фарфора, фаянса, стеклоделие в качестве добавки и производство глазурей и эмалей.