Изверженные породы. Изверженные, или магматические, породы образуются при охлаждении и кристаллизации расплавленной магмы. Процентное содержание различных минералов и, следовательно, тип образовавшейся породы зависят от соотношения элементов, содержавшихся в магме во время ее затвердевания. Каждый тип изверженной горной породы обычно состоит из ограниченного набора минералов, называющихся главными породообразующими. В дополнение к ним могут присутствовать в меньших количествах второстепенные и акцессорные минералы. Например, главными минералами в граните могут быть калиевый полевой шпат (30%), натрий-кальциевый полевой шпат (30%), кварц (30%), слюды и роговая обманка (10%). В качестве акцессорных минералов могут присутствовать циркон, сфен, апатит, магнетит и ильменит.
Изверженные породы обычно классифицируют в зависимости от вида и количества каждого из содержащихся в них полевых шпатов. Однако в некоторых породах полевой шпат отсутствует. Далее изверженные породы классифицируют по их структуре, которая отражает условия затвердевания породы. Медленно кристаллизующаяся глубоко в недрах Земли магма порождает интрузивные плутонические породы с крупно- или среднезернистой структурой. Если магма извергается на поверхность в виде лавы, она быстро остывает, и возникают тонкозернистые вулканические (эффузивные, или излившиеся) породы. Иногда некоторые вулканические породы (например, обсидиан) остывают столь быстро, что не успевает произойти их кристаллизация; подобные породы имеют стекловидный облик (вулканические стекла).
Осадочные породы. Когда коренные породы выветриваются или размываются, обломочный или растворенный материал оказывается включенным в состав осадочных пород. В результате химического выветривания минералов, происходящего на границе литосферы и атмосферы, формируются новые минералы, например, глинистые - из полевого шпата. Некоторые элементы высвобождаются при растворении минералов (например, кальцита) в поверхностных водах. Однако другие минералы, например кварц, даже механически раздробленные, сохраняют устойчивость к химическому выветриванию.
Высвободившиеся при выветривании механически и химически устойчивые минералы с достаточно высокой плотностью образуют на земной поверхности россыпные месторождения. Из россыпей, чаще всего аллювиальных (речных), добывают золото, платину, алмазы, иные драгоценные камни, оловянный камень (касситерит), минералы других металлов. В определенных климатических условиях формируются мощные коры выветривания, нередко обогащенные рудными минералами. С корами выветривания бывают сопряжены промышленные месторождения бокситов (руд алюминия), скопления гематита (железных руд), водных силикатов никеля, минералов ниобия и других редких металлов.
Основная масса продуктов выветривания выносится по системе водотоков в озера и моря, на дне которых образует слоистую осадочную толщу. Глинистые сланцы сложены в основном глинистыми минералами, а песчаник состоит преимущественно из сцементированных зерен кварца. Растворенный материал может извлекаться из воды живыми организмами или выпадать в осадок в результате химических реакций и испарения. Карбонат кальция поглощается из морской воды моллюсками, которые строят из него свои твердые раковины. Большая часть известняков образуется в результате аккумуляции раковин и скелетов морских организмов, хотя частично карбонат кальция осаждается химическим путем.
Эвапоритовые залежи формируются в результате испарения морской воды. Эвапориты - обширная группа минералов, в число которых входят галит (поваренная соль), гипс и ангидрит (сульфаты кальция), сильвин (хлорид калия); все они имеют важное практическое применение. Эти минералы осаждаются также при испарении с поверхности соляных озер, но в этом случае повышение концентрации редких элементов может привести к дополнительному осаждению некоторых других минералов. Именно в такой обстановке образуются бораты.
Метаморфические породы. Региональный метаморфизм. Изверженные и осадочные породы, захороненные на большой глубине, под действием температуры и давления испытывают преобразования, называющиеся метаморфическими, в ходе которых меняются первоначальные свойства горных пород, а исходные минералы перекристаллизовываются или полностью трансформируются. В результате минералы обычно располагаются вдоль параллельных плоскостей, придавая породам сланцеватый облик. Тонкосланцеватые метаморфические породы называются сланцами. Они часто бывают обогащены пластинчатыми силикатными минералами (слюдой, хлоритом или тальком). Более грубосланцеватые метаморфические породы - гнейсы; в них чередуются полосы кварца, полевого шпата и темноцветных минералов. Когда сланцы и гнейсы содержат какой-либо типично метаморфический минерал, это отражается в названии породы, например, силлиманитовый или ставролитовый сланец, кианитовый или гранатовый гнейс.
Контактовый метаморфизм. При подъеме магмы в верхние слои земной коры в породах, в которые она внедрилась, обычно происходят изменения, т.н. контактовый метаморфизм. Эти изменения проявляются в перекристаллизации первоначальных или образовании новых минералов. Степень метаморфизма зависит как от типа магмы, так и от типа породы, которую она пронизывает. Глинистые и близкие им по химическому составу породы преобразуются в контактовые роговики (биотитовые, кордиеритовые, гранатовые и др.). Наиболее интенсивные изменения происходят, когда гранитная магма внедряется в известняки: термическое воздействие является причиной их перекристаллизации и образования мрамора; в результате химического взаимодействия с известняками отделяющихся от магмы растворов образуется большая группа минералов (силикаты кальция и магния: волластонит, гроссуляровый и андрадитовый гранаты, везувиан, или идокраз, эпидот, тремолит и диопсид). В некоторых случаях при контактовом метаморфизме привносятся рудные минералы, что делает породы ценными источниками получения меди, свинца, цинка и вольфрама.
Метасоматоз. В результате регионального и контактового метаморфизма не происходит существенного изменения химического состава исходных пород, а меняются лишь их минеральный состав и внешний облик. Когда растворами привносятся одни элементы и выносятся другие, происходит значительное изменение химического состава пород. Такие вновь образовавшиеся породы называются метосоматическими. Например, взаимодействие известняков с растворами, выделяемыми гранитной магмой в ходе кристаллизации, приводит к образованию вокруг гранитных массивов зон контактово-метасоматических руд - скарпов, которые нередко вмещают оруденение.
2. Первые открытия
Минерал - это встречающийся в природе материал, сформировавшийся посредством геологических процессов, который имеет характерный химический состав, высоко организованное строение атома и определенные физические свойства. Горные породы, для сравнения, это совокупность минералов и они могут не иметь определенного химического состава. Минералы располагаются по составам от чистых элементов и простых солей к очень сложным силикатам с тысячами известных форм. Исследование минералов называют минералогией.
Немногие горные породы преобладающе состоят только из одного минерала. Например, известняк - осадочная горная порода, состоящая почти полностью из минерального кальцита. Другие горные породы содержат много минералов, и определенные минералы могут часто встречаться в разных породах.
Некоторые минералы, такие как кварц, слюда или полевой шпат достаточно распространены, в то время как другие встречались только в одном или двух местах во всем мире. Огромное количество горных пород земной коры состоит из кварца, полевого шпата, слюды, хлорита, каолина, кальцита, эпидота, оливина, авгита, хорнбленда, магнетита, гематита, лимонита и некоторых других минералов. Более половины известных разновидностей минералов настолько редки, что удалось найти лишь горстку их образцов, а многие известны только по одному или двум маленьким зернам.
Коммерчески ценные минералы и горные породы называются индустриальными минералами. Горные породы, из которых добываются минералы в экономических целях, упоминаются как руды (горные породы и минералы, которые остаются, после того, как полезный минерал был отделен от руды, называются пустой породой).
Главный фактор определения в формировании минералов в массе горной породы - это химический состав массы, поскольку определенный минерал может быть сформирован только тогда, когда необходимые элементы присутствуют в породе. Кальцит является самым обычным элементом в известняках, поскольку они состоят по существу из карбоната кальция; кварц обычно встречается в песчаниках и в определенных вулканических породах, которые содержат высокий процент кремния.
Другие факторы имеют равное значение в определении естественного комплекса или парагенезиса породоформирующих минералов, преимущественно способ происхождения горной породы и стадий, через которые она проходит для достижения ее существующего состояния. Две массы горных пород могут иметь почти такой же состав и все же состоять из полностью различных соединений минералов. Склонность к образованию всегда у тех составов, которые будут устойчивыми в момент создания массы горной породы.
Например, гранит возникает при консолидации литой магмы при высоких температурах и больших давлениях, и ее составляющие являются минералами, которые устойчивы при таких условиях. Подвергаемые влажности, углеродистой кислоте и другим субаэральным агентам в обычных температурах поверхности Земли, некоторые оригинальные минералы, такие как кварц и белая слюда относительно устойчивы и остаются незатронутыми. Другая погода или выветривание приводят к новым комбинациями устойчивых соединений.век ознаменован огромным прогрессом в развитии научных представлений о минералах. До 1800 года было известно менее 100 самостоятельных минеральных видов. Начиная с этого рубежа темп открытия новых минералов непрерывно растет. Так, за период с 1800 по 1819 год было открыто 87 минералов. Затем с 1820 по 1919 год за каждые 20 лет регистрировалось в среднем по 185 минералов. В период с 1920 по 1939 год было описано 256 новых минералов, а с 1940 по 1959 год - 342. С 1960 года ежегодно открываются 40-50 новых минералов, и, таким образом, уже сейчас общее число установленных на Земле минералов превысило 4000 (рис. 1). Среди них лишь 20-30 минералов, главнейшие из которых - кварц, полевой шпат и роговая обманка, слагают 99,5% земной коры, а остальные встречаются относительно редко. При этом большая часть известных минералов образуется в приповерхностных условиях, 200 являются продуктами глубинных магматических процессов, а около 1000 связано с химическими реакциями, в которых участвуют нагретые подземные воды (гидротермальные растворы). Совершенствование научных методик и аппаратуры способствует углублению минералогических исследований. Так, на месторождении Сан-Мари-о-Мин (Франция), занимающем около 30 км2, в начале XX века было описано 53 минерала, а спустя 80 лет - уже 140. В.В. Ляхович выявил в гранитах кроме восьми главных породообразующих минералов еще 56 более редких, причем в результате анализа 1 кг раздробленного гранита было найдено лишь 25 минералов, а в образцах с общей массой 116 кг, собранных с поверхности 400 м2, установлено 46 различных минералов. Подобные данные позволили французским исследователям Ж. Буйе и А. Кайо прийти к выводу, что общее число минералов (N ), находящихся на той или иной площади (S ), определяется соотношением N = 7,5 " S 0,18 (где S - площадь, измеряемая в м2). Приведенная формула справедлива в широком интервале значений S, меняющихся от 10 мм2 до размеров всей свободной ото льдов площади земной поверхности, находящейся над уровнем моря и составляющей около 134 " 106 км2.
Как уже отмечалось, в настоящее время на Земле открыто около 4000 минералов. По сравнению с 89 минералами, установленными на Луне, это количество, безусловно, значительно, но по сравнению с числом возможных сочетаний примерно из 90 химических элементов, устойчивых в природе, это число не очень велико. Конечно, численное превосходство земных минералов над лунными имеет свои причины. Сопоставляя эти величины, надо иметь в виду, что масса лунных пород, доставленных на Землю двумя российскими космическими кораблями "Луна" и шестью американскими кораблями "Аполлон", не превышает 380 кг. Это относительно немного, а число минералов, как отмечено выше, растет пропорционально анализируемой массе и площади, с которой они собраны.
Важным фактором, ограничивающим разнообразие лунных минералов, является отсутствие воды в химическом составе Луны. До сих пор на Луне не установлено водосодержащих минералов, и лишь в одном - гетите присутствуют гидроксильные группы. Наоборот, примерно для половины минералов, известных на Земле, характерно участие в их составе молекул воды и ОН-групп. К водосодержащим минералам относятся ~ 75% фосфатов, 65% карбонатов и около 50% силикатов .
Следует подчеркнуть, что и в настоящее время открытие нового минерала является событием в науке. Созданные природой химические соединения расширяют наши представления о формах концентрации химических элементов не только на Земле, но и на других планетах, а также о способах объединения атомов в кристаллических структурах. Анализируя состав, структуру, физические свойства минералов, их соотношения с другими минеральными видами можно воссоздать историю формирования вмещающих горных пород. Многие из открываемых минералов находят и практическое применение. Сейчас трудно представить, что еще 30 лет назад не был известен один из красивейших минералов - чароит, изделия из которого теперь можно найти во многих странах мира (рис. 2). Наконец, открытие нового минерала вносит вклад в минералогическую систематику, которая будит воображение исследователя и помогает выявить параметры, способствующие установлению связей между составом, структурой и физическими свойствами.
Следует особо отметить, что разнообразие геологических и геохимических обстановок на территории России - фактор, благоприятствующий находкам различных минералов. В качестве примера можно привести щелочные породы Кольского полуострова и Карелии, в которых установлено около 500 минералов. Это количество заметно больше числа минералов, установленных в крупнейших минералогических заповедниках мира: Стерлинг (США) - 260, Лангбан (Швеция) - более 200, Цумеб (Намибия) - более 150, Ильменские горы (Россия) - 145, Пршибрам (Чехия) - 108.
Каждый предположительно новый минерал всесторонне анализируют, после чего данные о его составе, структурных особенностях и физических свойствах направляют в комиссию по новым минералам Международной минералогической ассоциации. Одновременно исследователь, нашедший новый минерал, предлагает комиссии свой вариант его названия, которое принимают или отвергают путем тайного голосования.
Обзор утвержденных минеральных видов показывает, что названия примерно 40% из них образованы от фамилий, а иногда и просто имен каких-либо людей . Впервые такие названия начали появляться в конце XVIII века. Первым, кто ввел в минералогию персональные названия, был немецкий минералог Авраам Вернер (1750-1817), который внес большой вклад в создание минералогии как самостоятельной науки. Это нововведение было воспринято многими исследователями не слишком благожелательно. Критика использования персональных названий для минералов продолжается и сейчас. Основным ее аргументом является то, что такие названия никак не связаны со свойствами или какими-либо другими особенностями минералов. Подобная практика, по мнению известного украинского минералога А.С. Поваренных, была оправданна, когда финансирование науки почти целиком зависело от благосклонности аристократов, как это было в Германии, России и некоторых других странах.
Хотя имена некоторых из этих людей стали основой для названий ряда минералов, все же в большинстве названий увековечены имена ученых, и в первую очередь тех, которые связаны с изучением Земли. Это минералоги, кристаллографы, геологи, петрологи, геохимики, горные инженеры, а также коллекционеры и торговцы минералами. Есть минералы, названные в честь ученых других специальностей - химиков, физиков, математиков, астрономов, медиков, а также в честь писателей, поэтов, философов, путешественников, политических деятелей. Например, фосфат беловит, назван в честь академика Н.В. Белова, который основал российскую школу рентгеноструктурного анализа, а Са-борат колеманит - в честь американского коммерсанта У. Коллемана, основателя промышленности по добыче бора в Калифорнии. Один из широко распространенных слюдяных минералов - биотит ,назван в честь французского физика Жана Батиста Био, изучавшего магнетизм и оптику и совместно с Д. Брюстером, открывшим в кристаллах оптическую двуосность. К этой группе можно отнести и минералы, названные в честь В. Рентгена, описавшего в 1895 году новый вид электромагнитных волн, П. Кюри, открывшего полоний и радий, А. Беккереля, установившего радиоактивность урана и его солей.
Некоторые минералы названы в честь исследователей и путешественников, а также в честь космонавтов, исследовавших Космос и Луну. Так, структурно связанный с флюоритом CaF2 гагаринит - редкоземельный катион) назван в честь Ю.А. Гагарина - первого человека, совершившего в 1961 году полет в Космос. Са,Zr-силикат армстронгит ,назван по имени Нила Олдена Армстронга, американского космонавта, впервые ступившего в 1961 году на поверхность Луны.
Чести быть увековеченными в названиях минералов удостаиваются не только ученые, но и личности, известные своими достижениями в других сферах человеческой деятельности. Например, гетит ,назван в честь И. фон Гёте (1749-1832), немецкого писателя, поэта и философа, который неизменно интересовался минералами и даже подарил в 1797 году одну из коллекций музею Санкт-Петербургского горного института. Некоторым минералам присвоены имена президентов США (джеферсонит, рузвельтит), первого премьер-министра Австралии Х.Э. Холта (холтит) и других политических деятелей. В 1998 году опубликованы данные по найденному на Чукотке минералу сороситу Cu(Sn, Sb), открытому российскими, финскими и украинскими исследователями и названному в честь Дж. Сороса, основателя Международного научного фонда, поддержка которого чрезвычайно важна для ученых из республик бывшего Советского Союза .