WikiDer > Минеральная

Кристаллы серандит, натролит, анальцим, и эгирин из Мон-Сен-Илер, Квебек, Канада

В геология и минералогия, а минеральная или же минеральные виды является, в общем, прочным химическое соединение с довольно четко определенным химический состав и конкретный Кристальная структура, которое встречается в природе в чистом виде.^[1].^[2]

Геологическое определение минерала обычно исключает соединения, которые встречаются только в живых существах. Однако некоторые минералы часто биогенный (Такие как кальцит) или органические соединения в смысле химии (например, меллит). Более того, живые существа часто синтезируют неорганические минералы (например, гидроксилапатит), которые также встречаются в горных породах.

Понятие минерала отличается от камень, любой массивный твердый геологический материал, который является относительно однородным в достаточно большом масштабе. Камень может состоять из одного типа минерала или может быть совокупность из двух или более различных типов минералов, пространственно разделенных на отдельные фазы.^[3]

Некоторые природные твердые вещества без определенной кристаллической структуры, такие как опал или же обсидиан, правильнее называть минералоиды.^[4] Если химическое соединение встречается в природе с различными кристаллическими структурами, каждая структура считается отдельным минеральным видом. Так, например, кварц и стишовит два разных минерала, состоящих из одного и того же соединения, диоксид кремния.

В Международная минералогическая ассоциация (IMA) - это общепризнанный стандартный орган по определению и номенклатуре минеральных видов. По состоянию на март 2020 г.^{[Обновить]}, IMA признает 5,562 официальных минеральные виды^[5] из более чем 5750 предложенных или традиционных.^[6]

Химический состав названного минерального вида может несколько отличаться за счет включения небольшого количества примесей. Специфический разновидности разновидностей иногда имеют собственные общепринятые или официальные названия.^[7] Например, аметист пурпурная разновидность минеральных видов кварц. Некоторые минеральные виды могут иметь разные пропорции двух или более химические элементы занимающие эквивалентные позиции в структуре минерала; например, формула макинавит дается как (Fe, Ni)
₉S
₈, смысл Fe
_ИксNi
_9-ИксS
₈, куда Икс - переменное число от 0 до 9. Иногда минерал с переменным составом более или менее произвольно разделяется на отдельные виды, образуя минеральная группа; это в случае силикатов Ca
_ИксMg
_уFe
_2-Икс-уSiO
₄, то группа оливина.

Помимо основного химического состава и кристаллической структуры, описание минерального вида обычно включает его общие физические свойства, такие как привычка, твердость, блеск, прозрачность, цвет, полоса, упорство, расщепление, перелом, расставание, удельный вес, магнетизм, флуоресценция, радиоактивность, а также его вкус или запах и его реакция на кислота.

Минералы классифицируются по ключевым химическим компонентам; две доминирующие системы - это классификация Дана и классификация Штрунца. Силикатные минералы составляют примерно 90% земной коры.^[8] Другие важные группы минералов включают родные элементы, сульфиды, оксиды, галогениды, карбонаты, сульфаты, и фосфаты.

Определение

Определение IMA

В Международная минералогическая ассоциация установил следующие требования к веществу, которое считается отдельным минералом:^[9][10]

1. Это должно быть вещество естественного происхождения, образованное естественными геологическими процессами., на Земле или в других внеземных телах. Это исключает соединения, непосредственно и исключительно произведенные в результате деятельности человека (антропогенный) или в живых существах (биогенный), Такие как карбид вольфрама, мочевые камни, оксалат кальция кристаллы в тканях растений, и ракушки. Однако вещества с таким происхождением могут соответствовать требованиям, если в их генезисе участвовали геологические процессы (как в случае эвенкит, полученный из растительного сырья; или же таранакит, из летучая мышь гуано; или же альперсит, из хвостов шахты).^[10] Гипотетические вещества также исключаются, даже если предполагается, что они будут встречаться в недоступных в настоящее время природных средах, таких как ядро ​​Земли или другие планеты.
2. Это должно быть твердое вещество в своем естественном происхождении. Основным исключением из этого правила является родной Меркурий: он по-прежнему классифицируется IMA как минерал, хотя кристаллизуется только при температуре ниже -39 ° C, потому что он был включен до того, как были установлены текущие правила.^[11] Вода и углекислый газ не считаются минералами, хотя часто встречаются как включения в других минералах; но ледяная вода считается минералом.^[12]
3. Он должен иметь четко выраженную кристаллографическую структуру.; или, в более общем смысле, упорядоченное атомное расположение.^[13] Это свойство подразумевает несколько макроскопический физические свойства, такие как форма кристалла, твердость и спайность.^[14] Это исключает озокерит, лимонит, обсидиан и многие другие аморфные (некристаллические) материалы, встречающиеся в геологических условиях.
4. Он должен иметь достаточно четко определенный химический состав.. Однако некоторые кристаллические вещества с фиксированной структурой, но переменным составом могут считаться отдельными минеральными видами. Распространенный класс примеров: твердые растворы Такие как макинавит, (Fe, Ni)₉S₈, который в основном железо сульфид с заменой значительной доли атомов железа на никель атомы.^[13][15] Другие примеры включают слоистые кристаллы с переменной укладкой слоев или кристаллы, которые отличаются только регулярным расположением вакансий и замещений. С другой стороны, некоторые вещества, имеющие непрерывный ряд составов, можно произвольно разделить на несколько минералов. Типичный пример - это оливин группа (Mg, Fe)₂SiO₄, чьи конечные члены, богатые магнием и железом, считаются отдельными минералами (форстерит и фаялит).

Детали этих правил несколько противоречивы.^[13] Например, недавно было несколько предложений отнести аморфные вещества к минералам, но они не были приняты IMA.

IMA также неохотно принимает минералы, которые встречаются в природе только в форме наночастицы несколько сотен атомов в поперечнике, но не определил минимальный размер кристалла.^[9]

Некоторые авторы требуют, чтобы материал был стабильный или метастабильный твердый на комнатная температура (25 ° С).^[13] Однако IMA требует только того, чтобы вещество было достаточно стабильным, чтобы его структура и состав были точно определены. Например, недавно он признал Меридианиит (встречающийся в природе гидрат сульфат магния) как минерал, даже если он образуется и стабилен только при температуре ниже 2 ° C.

Именование минералов

По состоянию на январь 2020 г.^{[Обновить]}, 5 562 минеральных вида одобрены IMA.^[5] Чаще всего они названы в честь человека, за которым следует место обнаружения; названия, основанные на химическом составе или физических свойствах, являются двумя другими основными группами этимологий названий минералов.^[16][17] Большинство имен оканчиваются на «-ite»; исключениями обычно являются названия, которые были хорошо известны до организации минералогии как дисциплины, например галенит и алмаз.

Споры о биогенных минералах

Темой разногласий среди геологов и минералогов было решение IMA исключить биогенные кристаллические вещества. Например, Ловенштам (1981) заявил, что «организмы способны образовывать разнообразный массив минералов, некоторые из которых не могут образоваться неорганическим путем в биосфере».^[18]

Скиннер (2005) рассматривает все твердые тела как потенциальные минералы и включает биоминералы в минеральном царстве, которые создаются в результате метаболической деятельности организмов. Скиннер расширил предыдущее определение минерала, чтобы классифицировать «элемент или соединение, аморфное или кристаллическое, образованное посредством биогеохимический процессы », как минерал.^[19]

Последние достижения в области высокого разрешения генетика и Рентгеновская абсорбционная спектроскопия раскрывают биогеохимические связи между микроорганизмы и минералы, которые могут пролить новый свет на этот вопрос.^[10][19] Например, созданная IMA «Рабочая группа по экологической минералогии и геохимии» занимается минералами в гидросфера, атмосфера, и биосфера.^[20] В сферу деятельности группы входят микроорганизмы, образующие минералы, которые существуют почти на всех скалах, почвах и поверхностях частиц на земном шаре до глубины не менее 1600 метров под землей. морское дно и 70 километров вглубь стратосфера (возможно, вход в мезосфера).^[21][22][23]

Биогеохимические циклы вносили свой вклад в образование полезных ископаемых на протяжении миллиардов лет. Микроорганизмы могут осадок металлы из решение, способствуя формированию руда депозиты. Они также могут катализировать то растворение минералов.^[24][25][26]

До включения в список Международной минералогической ассоциации было обнаружено, названо и опубликовано более 60 биоминералов.^[27] Эти минералы (подмножество, приведенное в таблице Lowenstam (1981))^[18]) считаются собственно минералами согласно определению Скиннера (2005).^[19] Эти биоминералы не включены в официальный список названий минералов Международной минеральной ассоциации.^[28] однако многие из этих биоминеральных представителей относятся к 78 классам минералов, перечисленным в классификационной схеме Дана.^[19]

Определение минерала Скиннера (2005) учитывает этот вопрос, утверждая, что минерал может быть кристаллическим или аморфным.^[19] Хотя биоминералы - не самая распространенная форма минералов,^[29] они помогают определить пределы того, что составляет собственно минерал. В формальном определении Никеля (1995) кристалличность прямо упоминается как ключ к определению вещества как минерала. Статья 2011 года определена икосаэдрит, сплав алюминия, железа и меди в качестве минерала; назван в честь уникального природного икосаэдрическая симметрия, это квазикристалл. В отличие от настоящего кристалла, квазикристаллы упорядочены, но не периодичны.^[30][31]

Камни, руды и драгоценные камни

Сланец это метаморфическая порода характеризуется обилием пластинчатых минералов. В этом примере на скале видны силлиманит порфиробласты размером 3 см (1,2 дюйма).

А камень представляет собой совокупность одного или нескольких минералов^[32] или минералоиды. Некоторые камни, такие как известняк или же кварцит, состоят в основном из одного минерала - кальцит или же арагонит в случае известняка и кварц в последнем случае.^[33][34] Остальные породы можно определить по относительному содержанию ключевых (основных) минералов; а гранит определяется пропорциями кварца, щелочной полевой шпат, и плагиоклаз полевой шпат.^[35] Другие минералы в породе называются акцессорные минералы, и не сильно влияют на объемный состав породы. Камни также могут состоять полностью из неминерального материала; каменный уголь представляет собой осадочную породу, состоящую в основном из углерода органического происхождения.^[32][36]

В породах одних минеральных видов и групп гораздо больше, чем других; их называют породообразующими минералами. Основными примерами этого являются кварц, полевые шпаты, то слюды, то амфиболы, то пироксены, то оливины, и кальцит; За исключением последнего, все эти минералы силикаты.^[37] В целом около 150 минералов считаются особенно важными, будь то с точки зрения их обилия или эстетической ценности с точки зрения сбора.^[38]

Промышленно ценные полезные ископаемые и горные породы относятся к промышленные минералы. Например, москвичБелая слюда может использоваться для окон (иногда ее называют изингласом), в качестве наполнителя или изолятора.^[39]

Руды минералы с высокой концентрацией определенного элемента, обычно металла. Примеры киноварь (HgS), руда ртути; сфалерит (ZnS), руда цинка; касситерит (SnO₂) оловянная руда; и колеманит, руда бор.

Драгоценные камни минералы, имеющие декоративную ценность, и отличаются от не драгоценных камней своей красотой, долговечностью и, как правило, редкостью. Существует около 20 видов минералов, которые квалифицируются как драгоценные минералы, которые составляют около 35 самых распространенных драгоценных камней. Драгоценные минералы часто присутствуют в нескольких разновидностях, поэтому один минерал может составлять несколько разных драгоценных камней; Например, Рубин и сапфир оба корунд, Al₂О₃.^[40]

Этимология

Первое известное использование слова «минерал» в английский язык (Средний английский) был 15 век. Слово пришло из Средневековая латынь минерал, из Minera моя, руда.^[41]

Слово «вид» происходит от латинского разновидность, «особый сорт, вид или тип с отличным внешним видом».^[42]

Химия

Хюбнерит, богатый марганцем конечный член вольфрамит серия, с мелким кварцем на заднем плане

Обилие и разнообразие минералов напрямую контролируется их химическим составом, в свою очередь, зависит от содержания элементов на Земле. Большинство наблюдаемых минералов происходит из земной коры. Восемь элементов составляют большинство ключевых компонентов минералов из-за их большого количества в коре. Эти восемь элементов, в сумме составляющие более 98% корки по весу, в порядке уменьшения содержания: кислород, кремний, алюминий, утюг, магний, кальций, натрий и калий. Кислород и кремний на сегодняшний день являются двумя наиболее важными: кислород составляет 47% корки по весу, а кремний составляет 28%.^[43]

Образующиеся минералы напрямую контролируются химическим составом основного тела. Например, магма богатый железом и магнием образует мафический минералы, такие как оливин и пироксены; Напротив, более богатая кремнеземом магма будет кристаллизоваться с образованием минералов, содержащих больше SiO.₂, например, полевой шпат и кварц. В известняк, кальцит или же арагонит (оба CaCO₃), потому что порода богата кальцием и карбонатом. Следствием этого является то, что минерал не будет обнаружен в породе, объемная химия которой не похожа на объемную химию данного минерала, за исключением микроэлементов. Например, кианит, Al₂SiO₅ формы из метаморфизм богатого алюминием сланцы; это вряд ли произойдет в породах с низким содержанием алюминия, таких как кварцит.

Химический состав может варьироваться от конечный член вид Твердый раствор серии. Например, плагиоклаз полевые шпаты составляют непрерывную серию из натрий-богатый конечный член альбит (NaAlSi₃О₈) к кальций-богатые анортит (CaAl₂Si₂О₈) с четырьмя признанными промежуточными разновидностями между ними (в порядке от богатых натрием к богатым кальцием): олигоклаз, андезин, лабрадорит, и Bytownite.^[44] Другие примеры серий включают оливиновый ряд богатого магнием форстерита и богатого железом фаялита, а также вольфрамит серия марганец-богатые хюбнерит и богатый железом ферберит.

Химическое замещение и координационные полиэдры объясняют эту общую черту минералов. В природе минералы не являются чистыми веществами и загрязнены любыми другими элементами, присутствующими в данной химической системе. В результате можно заменить один элемент другим.^[45] Химическое замещение будет происходить между ионами аналогичного размера и заряда; например, K⁺ не заменит Si⁴⁺ из-за химической и структурной несовместимости, вызванной большой разницей в размере и заряде. Типичным примером химического замещения является Si⁴⁺ автор Al³⁺, близких по заряду, размеру и содержанию в коре. В примере плагиоклаза есть три случая замещения. Все полевые шпаты представляют собой каркасные силикаты, в которых соотношение кремний-кислород составляет 2: 1, а пространство для других элементов обеспечивается замещением Si⁴⁺ автор Al³⁺ дать базовую единицу [AlSi₃О₈]⁻; без замены, формула будет сбалансирована по заряду как SiO₂, дающий кварц.^[46] Значение этого структурного свойства будет объяснено далее на примере координационных полиэдров. Вторая замена происходит между Na⁺ и Ca²⁺; однако разницу в заряде следует учитывать путем второй замены Si⁴⁺ автор Al³⁺.^[47]

Координационные многогранники - это геометрические представления того, как катион окружен анионом. В минералогии координационные полиэдры обычно рассматриваются с точки зрения кислорода из-за его большого количества в коре. Базовая единица силикатных минералов - кремнеземный тетраэдр - один Si⁴⁺ в окружении четырех O²⁻. Альтернативный способ описания координации силиката - это число: в случае кремнеземного тетраэдра кремний, как говорят, имеет координационное число 4. Различные катионы имеют определенный диапазон возможных координационных чисел; для кремния оно почти всегда равно 4, за исключением минералов под очень высоким давлением, где соединение сжато так, что кремний находится в шестикратной (октаэдрической) координации с кислородом. Катионы большего размера имеют большее координационное число из-за увеличения относительного размера по сравнению с кислородом (последний орбитальная подоболочка более тяжелых атомов тоже другое). Изменение координационных чисел приводит к физическим и минералогическим различиям; например, при высоком давлении, например, в мантия, многие минералы, особенно силикаты, такие как оливин и гранат, изменится на структура перовскита, где кремний находится в октаэдрической координации. Другими примерами являются алюмосиликаты. кианит, андалузит, и силлиманит (полиморфы, так как они разделяют формулу Al₂SiO₅), которые отличаются координационным числом Al³⁺; эти минералы переходят друг из друга в ответ на изменения давления и температуры.^[43] В случае силикатных материалов замещение Si⁴⁺ автор Al³⁺ позволяет добывать множество минералов из-за необходимости сбалансировать заряды.^[48]

Когда минералы вступают в реакцию, продукты иногда принимают форму реагента; продукт-минерал называется псевдоморфозом (или после) реагента. Здесь проиллюстрирован псевдоморфизм каолинит после ортоклаз. Здесь псевдоморф сохранил Карловы Вары. побратимство обычен в ортоклазе.

Изменения температуры, давления и состава изменяют минералогию образца породы. Изменения в составе могут быть вызваны такими процессами, как выветривание или же метасоматоз (гидротермальные изменения). Изменения температуры и давления происходят, когда вмещающая порода подвергается тектонический или же магматический переход в различные физические режимы. Изменения в термодинамический условия позволяют минеральным ассоциациям вступать в реакцию друг с другом с образованием новых минералов; как таковые, две породы могут иметь идентичный или очень похожий химический состав валовой породы, не имея схожих минералогических свойств. Этот процесс минералогического изменения связан с рок цикл. Пример серии минеральных реакций проиллюстрирован следующим образом.^[49]

Ортоклаз полевой шпат (KAlSi₃О₈) - минерал, обычно встречающийся в гранит, а плутонический вулканическая порода. При выветривании реагирует с образованием каолинит (Al₂Si₂О₅(ОЙ)₄, осадочный минерал, и кремниевая кислота):

2 КАЛСИ₃О₈ + 5 часов₂O + 2 H⁺ → Al₂Si₂О₅(ОЙ)₄ + 4 часа₂SiO₃ + 2 тыс.⁺

В условиях низкосортного метаморфизма каолинит реагирует с кварцем с образованием пирофиллит (Al₂Si₄О₁₀(ОЙ)₂):

Al₂Si₂О₅(ОЙ)₄ + SiO₂ → Al₂Si₄О₁₀(ОЙ)₂ + H₂О

По мере увеличения степени метаморфизма пирофиллит реагирует с образованием кианита и кварца:

Al₂Si₄О₁₀(ОЙ)₂ → Al₂SiO₅ + 3 SiO₂ + H₂О

В качестве альтернативы минерал может изменить свою кристаллическую структуру в результате изменений температуры и давления, не вступая в реакцию. Например, кварц превратится в разновидность своего SiO.₂ полиморфы, Такие как тридимит и кристобалит при высоких температурах, и коэсит при высоких давлениях.^[50]

Физические свойства

Классификация минералов варьируется от простой до сложной. Минерал можно идентифицировать по нескольким физическим свойствам, некоторые из которых достаточны для полной идентификации без двусмысленности. В остальных случаях минералы можно классифицировать только по более сложным оптический, химический или же дифракция рентгеновских лучей анализ; Однако эти методы могут быть дорогостоящими и трудоемкими. Физические свойства, применяемые для классификации, включают кристаллическую структуру и габитус, твердость, блеск, прозрачность, цвет, полосу, трещины и трещины, а также удельный вес. Другие менее общие тесты включают флуоресценция, фосфоресценция, магнетизм, радиоактивность, прочность (реакция на механические изменения формы или формы), пьезоэлектричество и реакционная способность для разбавления кислоты.^[51]

Кристаллическая структура и привычка

Топаз имеет характерную ромбическую удлиненную кристаллическую форму.

Кристальная структура является результатом упорядоченного геометрического пространственного расположения атомов во внутренней структуре минерала. Эта кристаллическая структура основана на регулярных внутренних атомных или ионный расположение, которое часто выражается в геометрической форме, которую принимает кристалл. Даже когда минеральные зерна слишком малы, чтобы их можно было увидеть, или имеют неправильную форму, основная кристаллическая структура всегда периодична и может быть определена рентгеновский снимок дифракция.^[13] Минералы обычно характеризуются содержанием их симметрии. Кристаллы ограниченный к 32 точечные группы, которые отличаются своей симметрией. Эти группы, в свою очередь, подразделяются на более широкие категории, наиболее всеобъемлющими из которых являются шесть семейств кристаллов.^[52]

Эти семейства можно описать относительными длинами трех кристаллографических осей и углами между ними; эти отношения соответствуют операциям симметрии, которые определяют более узкие точечные группы. Они кратко изложены ниже; a, b и c представляют оси, а α, β, γ представляют собой угол, противоположный соответствующей кристаллографической оси (например, α - угол, противоположный оси a, а именно угол между осями b и c):^[52]

Семейство гексагональных кристаллов также делится на два кристалла. системы - в тригональный, имеющий ось симметрии третьего порядка, и гексагональную, имеющую ось симметрии шестого порядка.

Химия и кристаллическая структура вместе определяют минерал. При ограничении до 32 точечных групп минералы разного химического состава могут иметь идентичную кристаллическую структуру. Например, галит (NaCl), галенит (PbS) и периклаз (MgO) все принадлежат точечной группе гексаоктаэдра (изометрическому семейству), так как имеют аналогичные стехиометрия между их различными составляющими элементами. В отличие, полиморфы представляют собой группы минералов, которые имеют общую химическую формулу, но имеют различную структуру. Например, пирит и марказит, оба сульфида железа имеют формулу FeS₂; однако первый изометричен, а второй ромбический. Этот полиморфизм распространяется на другие сульфиды с общим AX₂ формула; эти две группы вместе известны как группы пирита и марказита.^[53]

Полиморфизм может выходить за рамки чистой симметрии. Алюмосиликаты представляют собой группу из трех минералов: кианит, андалузит, и силлиманит - которые имеют химическую формулу Al₂SiO₅. Кианит является триклинным, а андалузит и силлиманит - ромбическими и принадлежат к группе точечных дипирамид. Эти различия возникают в зависимости от того, как алюминий координируется в кристаллической структуре. Во всех минералах один ион алюминия всегда находится в шестикратной координации с кислородом. Кремний, как правило, имеет четырехкратную координацию во всех минералах; исключение - это случай вроде стишовит (SiO₂полиморф кварца сверхвысокого давления со структурой рутила).^[54] В кианите второй алюминий находится в шестикратной координации; его химическая формула может быть выражена как Al^[6]Al^[6]SiO₅, чтобы отразить его кристаллическую структуру. Андалузит имеет второй алюминий в пятикратной координации (Al^[6]Al^[5]SiO₅) и силлиманита в четырехкратной координации (Al^[6]Al^[4]SiO₅).^[55]

Различия в кристаллической структуре и химическом составе сильно влияют на другие физические свойства минерала. Аллотропы углерода алмаз и графит обладают совершенно разными свойствами; алмаз - самое твердое природное вещество, имеет адамантиновый блеск и принадлежит к семейству изометрических кристаллов, тогда как графит очень мягкий, имеет жирный блеск и кристаллизуется в семействе шестиугольников. Эта разница объясняется различиями в склеивании. В алмазе атомы углерода имеют зр.³ гибридные орбитали, что означает, что они образуют каркас, в котором каждый углерод ковалентно связан с четырьмя соседями тетраэдрическим образом; с другой стороны, графит состоит из листов углерода в пр.² гибридные орбитали, где каждый углерод ковалентно связан только с тремя другими. Эти листы удерживаются вместе гораздо более слабыми силы Ван дер Ваальса, и это несоответствие приводит к большим макроскопическим различиям.^[56]

Контактные близнецы, как показано на шпинель

Twinning представляет собой срастание двух или более кристаллов одного минерального вида. Геометрия двойникования контролируется симметрией минерала. В результате есть несколько типов близнецов, включая контактных близнецов, сетчатых близнецов, коленчатых близнецов, проникающих близнецов, циклических близнецов и полисинтетических близнецов. Контакт, или простые двойники, состоят из двух кристаллов, соединенных в плоскости; этот тип двойникования обычен для шпинели. Сетчатые близнецы, часто встречающиеся в рутиле, представляют собой переплетенные кристаллы, напоминающие сетку. У коленчатых близнецов есть изгиб посередине, вызванный рождением близнеца. Двойники проникновения состоят из двух вросших друг в друга монокристаллов; примеры этого двойникования включают крестообразный ставролит близнецы и карловарское двойникование в ортоклазе. Циклические двойники вызываются повторным двойникованием вокруг оси вращения. Этот тип двойникования происходит вокруг трех, четырех, пяти, шести или восьми осей, и соответствующие паттерны называются тройками, четверками, пятерками, шестигранниками и восьмерками. В арагоните распространены шестигранники. Полисинтетические близнецы похожи на циклических близнецов наличием повторяющегося двойникования; однако вместо того, чтобы происходить вокруг оси вращения, полисинтетическое двойникование происходит вдоль параллельных плоскостей, обычно в микроскопическом масштабе.^[57][58]

Хрустальный габитус относится к общей форме кристалла. Для описания этого свойства используются несколько терминов. Обычные привычки включают игольчатую, которая описывает игольчатые кристаллы, как в натролит, пластинчатая, дендритная (древовидная, обычная в самородная медь), изометричный, что типично для граната, призматический (вытянутый в одном направлении) и пластинчатый, который отличается от лопаточного габитуса тем, что первый пластинчатый, тогда как второй имеет определенное удлинение. Относительно формы кристаллов качество граней кристаллов является диагностическим для некоторых минералов, особенно с помощью петрографического микроскопа. Евэдральные кристаллы имеют определенную внешнюю форму, в то время как анэдральные кристаллы нет; эти промежуточные формы называются субэдральными.^[59][60]

Твердость

Алмаз - самый твердый природный материал, его твердость по шкале Мооса 10.

Твердость минерала определяет, насколько он устойчив к царапинам. Это физическое свойство контролируется химическим составом и кристаллической структурой минерала. Твердость минерала не обязательно постоянна для всех сторон, что является функцией его структуры; кристаллографическая слабость делает одни направления более мягкими, чем другие.^[61] Пример этого свойства существует в кианите, который имеет твердость по Моосу 5½, параллельную [001], но 7, параллельную [100].^[62]

Наиболее распространенной шкалой измерения является порядковая шкала твердости Мооса. Определенный десятью индикаторами, минерал с более высоким индексом царапает те, что ниже. Шкала варьируется от талька, до филлосиликатв алмаз, полиморф углерода, который является самым твердым природным материалом. Шкала представлена ​​ниже:^[61]

Блеск и прозрачность

Пирит имеет металлический блеск.

Блеск показывает, как свет отражается от поверхности минерала в зависимости от его качества и интенсивности. Для описания этого свойства используется множество качественных терминов, которые подразделяются на металлические и неметаллические категории. Металлические и субметаллические минералы имеют высокую отражательную способность, как и металл; примерами минералов с таким блеском являются галенит и пирит. Неметаллические люстры включают: адамантин, например, в алмаз; стекловидный, который представляет собой стекловидный блеск, очень часто встречающийся в силикатных минералах; жемчужный, например, в тальк и апофиллит; смолистые, такие как представители гранатовой группы; шелковистый, который часто встречается в волокнистых минералах, таких как асбестоформ хризотил.^[63]

В прозрачность минерала описывает способность света проходить через него. Прозрачные минералы не уменьшают интенсивность проходящего через них света. Пример прозрачного минерала: москвич (слюда калия); некоторые разновидности достаточно прозрачны, чтобы их можно было использовать для окон. Полупрозрачные минералы пропускают немного света, но меньше, чем прозрачные. Жадеит и нефрит (минеральные формы нефрит примеры минералов с этим свойством). Минералы, не пропускающие свет, называются непрозрачными.^[64][65]

Прозрачность минерала зависит от толщины образца. Когда минерал достаточно тонкий (например, в тонкий срез за петрография), он может стать прозрачным, даже если это свойство не видно на образце руки. Напротив, некоторые минералы, такие как гематит или пирит, непрозрачны даже в шлифах.^[65]

Цвет и полосы

Цвет обычно не является диагностическим свойством минералов. Показаны зеленые уваровит (слева) и красно-розовый гроссуляр (справа), оба гранаты. Диагностические признаки будут включать додекаэдрические кристаллы, смолистый блеск и твердость около 7.

Цвет - наиболее очевидное свойство минерала, но часто не является диагностическим.^[66] Это вызвано электромагнитное излучение взаимодействуя с электронами (кроме случая накал, что не относится к минералам).^[67] Два широких класса элементов (идиохроматические и аллохроматические) определены в отношении их вклада в цвет минерала: идиохроматические элементы важны для состава минерала; их вклад в цвет минерала является диагностическим.^[64][68] Примеры таких минералов: малахит (зеленый) и азурит (синий). Напротив, аллохромные элементы в минералах присутствуют в следовых количествах в виде примесей. Примером такого минерала может быть Рубин и сапфир разновидности минерала корунд.^[68]Цвета псевдохроматических минералов являются результатом вмешательство световых волн. Примеры включают лабрадорит и борнит.

Помимо простого цвета тела, минералы могут обладать и другими отличительными оптическими свойствами, такими как игра цветов, астеризм, болтовня, переливчатость, потускнение и плеохроизм. Некоторые из этих свойств связаны с изменчивостью цвета. Игра цвета, например, в опал, приводит к тому, что образец отражает разные цвета при его повороте, а плеохроизм описывает изменение цвета при прохождении света через минерал в другой ориентации. Радужность - это разновидность игры цветов, при которой свет рассеивается от покрытия на поверхности кристалла, плоскостях спайности или слоях, имеющих незначительные химические градации.^[69] Напротив, игра цветов в опале вызвана преломлением света от упорядоченных микроскопических сфер кремнезема в пределах его физической структуры.^[70] Chatoyancy («кошачий глаз») - это волнистая полоса цвета, которая наблюдается при вращении образца; астеризм, разновидность волнистости, дает вид звезды на зерне минерала. Последнее свойство особенно характерно для корунда ювелирного качества.^[69][70]

Полоса минерала относится к цвету минерала в порошкообразной форме, который может совпадать или не совпадать с цветом его тела.^[68] Чаще всего проверяют это свойство с помощью полосовой пластины, которая сделана из фарфора и окрашена в белый или черный цвет. Полоса минерала не зависит от микроэлементов^[64] или любой погодостойкой поверхности.^[68] Типичный пример этого свойства иллюстрируется гематит, который окрашен в черный, серебристый или красный цвет в ручном образце, но имеет вишнево-красный^[64] до красновато-коричневой полосы.^[68] Полоса чаще характерна для металлических минералов, в отличие от неметаллических минералов, цвет тела которых создается аллохроматическими элементами.^[64] Тестирование полос ограничено твердостью минерала, так как те, что тверже 7, присыпают штриховая пластина вместо.^[68]

Расщепление, расщепление, перелом и упорство

Идеальное базальное декольте, как показано на биотит (черный) и хорошее расщепление в матрице (розовый ортоклаз).

По определению, минералы имеют характерное атомное расположение. Слабость этой кристаллической структуры вызывает плоскости слабости, и разрушение минерала вдоль таких плоскостей называется спайностью. Качество спайности можно охарактеризовать по тому, насколько чисто и легко минерал разрушается; общие дескрипторы в порядке убывания качества: «идеальный», «хороший», «отличный» и «плохой». В особо прозрачных минералах или в шлифах раскол можно увидеть как серию параллельных линий, обозначающих плоские поверхности, если смотреть сбоку. Раскол - не универсальное свойство минералов; например, кварц, состоящий из широко связанных тетраэдров кремнезема, не имеет кристаллографической слабости, которая позволила бы ему расколоться. Напротив, слюды, которые имеют идеальное базальное расщепление, состоят из листов тетраэдров кремнезема, которые очень слабо удерживаются вместе.^[71][72]

Поскольку расщепление является функцией кристаллографии, существует множество типов расщепления. Расщепление обычно происходит в одном, двух, трех, четырех или шести направлениях. Базальный кливаж в одну сторону - отличительное свойство слюды. Двунаправленное расщепление описывается как призматическое и происходит в минералах, таких как амфиболы и пироксены. Минералы, такие как галенит или галит, имеют кубический (или изометрический) раскол в трех направлениях под углом 90 °; при наличии трех направлений расщепления, но не под углом 90 °, например, в кальците или родохрозит, это называется ромбоэдрическим сколом. Октаэдрический скол (четыре направления) присутствует в флюорит и алмаз, и сфалерит имеет шестисторонний додекаэдрический спайность.^[71][72]

Минералы с множеством расщеплений могут не разрушаться одинаково хорошо во всех направлениях; например, кальцит имеет хорошее расщепление в трех направлениях, но гипс имеет идеальное расщепление в одном направлении и плохое расщепление в двух других направлениях. Углы между плоскостями спайности у разных минералов различаются. Например, поскольку амфиболы представляют собой двухцепочечные силикаты, а пироксены - одноцепочечные силикаты, угол между их плоскостями спайности различен. Пироксены раскалываются в двух направлениях примерно под 90 °, тогда как амфиболы отчетливо раскалываются в двух направлениях, разделенных примерно 120 ° и 60 °. Углы скола можно измерить контактным гониометром, который похож на транспортир.^[71][72]

Расщепление, иногда называемое «ложным расщеплением», внешне похоже на расщепление, но вместо этого возникает из-за структурных дефектов в минерале, а не из-за систематической слабости. Разделение варьируется от кристалла к кристаллу минерала, тогда как все кристаллы данного минерала раскалываются, если атомная структура допускает это свойство. Обычно расщепление вызывается некоторым напряжением, приложенным к кристаллу. Источники напряжений включают деформацию (например, повышение давления), распад или двойникование. Минералы, которые часто проявляют расслоение, включают пироксены, гематит, магнетит и корунд.^[71][73]

Когда минерал разрушается в направлении, которое не соответствует плоскости спайности, это называется разломом. Существует несколько видов неравномерного перелома. Классический пример - раковистая трещина, как у кварца; создаются скругленные поверхности, которые обозначаются плавными изогнутыми линиями. Этот тип разрушения встречается только в очень однородных минералах. Другие типы переломов - фиброзные, осколочные и рубчатые. Последний описывает излом по шероховатой неровной поверхности; пример этого свойства находится в самородная медь.^[74]

Упорство связано как с расщеплением, так и с переломом. В то время как трещина и раскол описывает поверхности, которые образуются при разрушении минерала, прочность описывает, насколько минерал устойчив к такому разрушению. Минералы можно охарактеризовать как хрупкие, пластичные, податливые, сектильные, гибкие или эластичные.^[75]

Удельный вес

Галенит, PbS, является минералом с высоким удельным весом.

Удельный вес численно описывает плотность минерала. Размеры плотности делятся на массу, деленную на объем с единицами: кг / м³ или г / см³. Удельный вес показывает, сколько воды вытесняет образец минерала. Удельный вес определяется как отношение массы образца к разнице между весом образца в воздухе и его соответствующим весом в воде. Среди большинства минералов это свойство не является диагностическим. Породообразующие минералы - обычно силикаты или иногда карбонаты - имеют удельный вес 2,5–3,5.^[76]

Высокий удельный вес - диагностическое свойство минерала. Изменение химического состава (и, следовательно, класса минералов) коррелирует с изменением удельного веса. Среди более распространенных минералов оксиды и сульфиды, как правило, имеют более высокий удельный вес, поскольку они включают элементы с более высокой атомной массой. Обобщение состоит в том, что минералы с металлическим или адамантиновым блеском обычно имеют более высокий удельный вес, чем минералы с неметаллическим или тусклым блеском. Например, гематит, Fe₂О₃, имеет удельный вес 5,26^[77] пока галенит, PbS, имеет удельный вес 7,2–7,6,^[78] что является результатом высокого содержания в них железа и свинца соответственно. Очень высокий удельный вес становится очень заметным в самородные металлы; камасит, железо-никелевый сплав, распространенный в железные метеориты имеет удельный вес 7,9,^[79] а золото имеет наблюдаемый удельный вес от 15 до 19,3.^[76][80]

Другие свойства

Карнотит (желтый) - радиоактивный урансодержащий минерал.

Другие свойства могут быть использованы для диагностики минералов. Они менее общие и относятся к конкретным минералам.

Удаление разбавленной кислоты (часто 10% HCl) на минерал помогает отличить карбонаты от других классов минералов. Кислота реагирует с карбонатом ([CO₃]²⁻) группа, которая заставляет пораженный участок кипеть, испуская углекислый газ газ. Этот тест можно расширить, чтобы проверить минерал в его исходной кристаллической форме или порошкообразной форме. Пример этого теста проводится при различении кальцита от доломит, особенно в скалах (известняк и доломит соответственно). Кальцит немедленно вскипает в кислоте, тогда как кислоту необходимо нанести на измельченный доломит (часто на поцарапанную поверхность в камне), чтобы он закипел.^[81] Цеолит минералы не будут вскипать в кислоте; вместо этого они становятся матовыми через 5–10 минут, а если оставить их в кислоте на день, они растворяются или превращаются в силикагель.^[82]

При тестировании магнетизм очень заметное свойство минералов. Среди обычных минералов, магнетит сильно проявляет это свойство, и магнетизм также присутствует, хотя и не так сильно, в пирротин и ильменит.^[81] Некоторые минералы проявляют электрические свойства - например, кварц пьезоэлектрический - но электрические свойства редко используются в качестве диагностических критериев для минералов из-за неполных данных и естественных вариаций.^[83]

Минералы также можно проверить на вкус или запах. Галит, NaCl, поваренная соль; его калийсодержащий аналог, сильвит, имеет ярко выраженную горечь. Сульфиды имеют характерный запах, особенно если образцы растрескиваются, вступают в реакцию или превращаются в порошок.^[81]

Радиоактивность редкое свойство; минералы могут состоять из радиоактивных элементов. Они могут быть определяющим компонентом, например уран в уранинит, объединяться, и карнотит, или как следовые примеси. В последнем случае распад радиоактивного элемента повреждает кристалл минерала; результат, названный радиоактивный ореол или же плеохроический ореол, можно наблюдать с помощью различных методов, таких как петрография тонких срезов.^[81]

Классификация

Самые ранние классификации

В 315 г. До н.э., Теофраст представил свою классификацию минералов в своем трактате На камнях. На его классификацию повлияли идеи его учителей. Платон и Аристотель. Теофраст классифицировал минералы как камни, землю или металлы.^[84]

Георгиус Агриколаклассификация минералов в своей книге Ископаемое De Natura, опубликованный в 1546 году, разделил минералы на три типа веществ: простые (камни, земля, металлы и застывшие соки), сложные (тщательно перемешанные) и сложные (разделяемые).^[84]

Линней

Ранняя классификация минералов была дана Карл Линней в его основополагающей книге 1735 года Systema Naturae. Он разделил мир природы на три царства - растений, животных и минералов - и классифицировал каждое по одной и той же иерархии.^[85] В порядке убывания это были Тип, Класс, Порядок, Семья, Племя, Род и Вид.

Однако в то время как его система была оправдана Чарльз Дарвинтеории видообразования, и была в значительной степени принята и расширена биологи в последующие века (который до сих пор использует свои греческие и латинские биномиальное именование схема), у минералогов она не имела особого успеха.

Современная классификация

Минералы классифицируются по разновидностям, видам, сериям и группам в порядке возрастания общности. Базовый уровень определения - это минеральные виды, каждый из которых отличается от других уникальными химическими и физическими свойствами. Например, кварц определяется его формула, SiO₂, и конкретный кристаллическая структура что отличает его от других минералов с той же химической формулой (называемых полиморфы). Когда существует диапазон состава между двумя видами минералов, определяется ряд минералов. Например, биотит серия представлена ​​переменным количеством участники флогопит, сидерофиллит, аннит, и истонит. Напротив, группа минералов - это группа видов минералов с некоторыми общими химическими свойствами, которые имеют общую кристаллическую структуру. В пироксен группа имеет общую формулу XY (Si, Al)₂О₆, где X и Y оба катионы, причем X обычно больше чем Y; пироксены представляют собой одноцепочечные силикаты, которые кристаллизуются либо в ромбический или же моноклинический кристаллические системы. Наконец, разновидность минералов - это особый тип минералов, который отличается некоторыми физическими характеристиками, такими как цвет или внешний вид кристаллов. Примером является аметист, который представляет собой пурпурный вид кварца.^[16]

Для минералов используются две общие классификации: Дана и Струнц; оба зависят от состава, особенно в отношении важных химических групп, и структуры. Джеймс Дуайт Дана, ведущий геолог своего времени, впервые опубликовал Система минералогии в 1837 г .; по состоянию на 1997 год он находится в восьмом издании. Классификация Dana присваивает минеральным видам номер из четырех частей. Его номер класса основан на важных композиционных группах; тип показывает отношение катионов к анионам в минерале, а последние два числа группируют минералы по структурному сходству в пределах данного типа или класса. Менее часто используемые Классификация Струнца, названный в честь немецкого минералога Карл Хьюго Струнц, основан на системе Дана, но сочетает в себе как химические, так и структурные критерии, последний из которых касается распределения химических связей.^[86]

Поскольку в составе земной коры преобладают кремний и кислород, силикатные элементы на сегодняшний день являются самым важным классом минералов с точки зрения образования и разнообразия горных пород. Однако несиликатные минералы имеют большое экономическое значение, особенно в виде руд.^[87][88]

Несиликатные минералы подразделяются на несколько других классов по их доминирующему химическому составу, который включает самородные элементы, сульфиды, галогениды, оксиды и гидроксиды, карбонаты и нитраты, бораты, сульфаты, фосфаты и органические соединения. Большинство несиликатных минералов встречаются редко (составляют в общей сложности 8% земной коры), хотя некоторые из них относительно обычны, например кальцит, пирит, магнетит, и гематит. В несиликатах наблюдаются два основных структурных стиля: плотная упаковка и силикатоподобные связанные тетраэдры. плотно упакованные конструкции это способ плотной упаковки атомов при минимизации межузельного пространства. Гексагональная плотная упаковка предполагает наложение слоев, где все остальные слои одинаковы («ababab»), тогда как кубическая плотная упаковка включает наложение групп из трех слоев («abcabcabc»). Аналоги связанных тетраэдров кремнезема включают SO₄ (сульфат), PO₄ (фосфат), AsO₄ (арсенат) и ВО₄ (ванадат). Несиликаты имеют большое экономическое значение, поскольку они концентрируют элементы больше, чем силикатные минералы.^[89]

Самую крупную группу минералов на сегодняшний день составляют силикаты; большинство горных пород состоит более чем на 95% из силикатных минералов, и более 90% земной коры состоят из этих минералов.^[90] Двумя основными составляющими силикатов являются кремний и кислород, которые являются двумя наиболее распространенными элементами в земной коре. Другие общие элементы силикатных минералов соответствуют другим общим элементам земной коры, таким как алюминий, магний, железо, кальций, натрий и калий.^[91] Некоторые важные породообразующие силикаты включают: полевые шпаты, кварц, оливины, пироксены, амфиболы, гранаты, и слюды.

Силикаты

Эгирин, железо-натриевый клинопироксен, является частью подкласса иносиликатов.

Базовая единица силикатного минерала - [SiO₄]⁴⁻ тетраэдр. В подавляющем большинстве случаев кремний находится в четырех- или тетраэдрической координации с кислородом. В ситуациях очень высокого давления кремний будет иметь шестикратную или октаэдрическую координацию, например, в структура перовскита или кварцевый полиморф стишовит (SiO₂). В последнем случае минерал имеет уже не силикатную структуру, а структуру рутил (TiO₂) и связанной с ней группой, которые представляют собой простые оксиды. Эти тетраэдры диоксида кремния затем до некоторой степени полимеризуются для создания различных структур, таких как одномерные цепочки, двумерные листы и трехмерные каркасы. Основной силикатный минерал, в котором не произошла полимеризация тетраэдров, требует, чтобы другие элементы уравновешивали основной 4-заряд. В других силикатных структурах требуются различные комбинации элементов, чтобы уравновесить результирующий отрицательный заряд. Для Si характерно⁴⁺ заменить на Al³⁺ из-за сходства ионного радиуса и заряда; в этих случаях [AlO₄]⁵⁻ тетраэдры образуют те же структуры, что и незамещенные тетраэдры, но их требования к балансировке заряда другие.^[92]

Степень полимеризации может быть описана как сформированной структурой, так и количеством общих тетраэдрических углов (или координирующих атомов кислорода) (для алюминия и кремния в тетраэдрических узлах).^[93] Ортосиликаты (или несосиликаты) не имеют связи многогранников, поэтому тетраэдры не имеют общих углов. Дисиликаты (или соросиликаты) имеют два тетраэдра, разделяющих один атом кислорода. Иносиликаты представляют собой цепочечные силикаты; одноцепочечные силикаты имеют два общих угла, тогда как двухцепочечные силикаты имеют два или три общих угла. В филлосиликатах образуется листовая структура, которая требует трех общих атомов кислорода; в случае двухцепочечных силикатов некоторые тетраэдры должны иметь два общих угла вместо трех, иначе в результате получится листовая структура. Каркасные силикаты, или тектосиликаты, имеют тетраэдры, которые имеют все четыре общих угла. Кольцевые силикаты, или циклосиликаты, нуждаются только в тетраэдрах, чтобы иметь общие два угла, чтобы сформировать циклическую структуру.^[94]

Подклассы силикатов описаны ниже в порядке уменьшения полимеризации.

Тектосиликаты

Натролит минеральный ряд из группы цеолитов; этот образец имеет очень заметную форму игольчатых кристаллов.

Тектосиликаты, также известные как силикаты каркаса, имеют самую высокую степень полимеризации. Когда все углы тетраэдра общие, соотношение кремний: кислород становится 1: 2. Примеры: кварц, полевые шпаты, фельдшпатоиды, а цеолиты. Каркасные силикаты имеют тенденцию быть особенно химически стабильными в результате сильных ковалентных связей.^[95]

Образуя 12% земной коры, кварц (SiO₂) - самый распространенный минеральный вид. Он характеризуется высоким химическим и физическим сопротивлением. Кварц имеет несколько полиморфов, в том числе тридимит и кристобалит при высоких температурах, высоком давлении коэсит, и сверхвысокое давление стишовит. Последний минерал может образоваться на Земле только в результате ударов метеорита, и его структура была составлена ​​настолько сильно, что она изменилась с силикатной на структуру рутил (TiO₂). Полиморф кремнезема, который наиболее стабилен на поверхности Земли, - это α-кварц. Его аналог, β-кварц, присутствует только при высоких температурах и давлениях (превращается в α-кварц при температуре ниже 573 ° C при давлении 1 бар). Эти два полиморфа отличаются «изгибом» связей; это изменение структуры придает β-кварцу большую симметрию, чем α-кварц, поэтому их также называют высококварцем (β) и низким кварцем (α).^[90][96]

Полевые шпаты - самая распространенная группа в земной коре, составляющая около 50%. В полевых шпатах Al³⁺ заменители Si⁴⁺, что создает дисбаланс заряда, который должен быть объяснен добавлением катионов. Базовая структура становится либо [AlSi₃О₈]⁻ или [Al₂Si₂О₈]²⁻ Существует 22 минеральных вида полевых шпатов, которые подразделяются на две основные подгруппы - щелочные и плагиоклазные - и две менее распространенные группы - кельсианский и баналсит. Щелочные полевые шпаты чаще всего входят в ряд между богатым калием ортоклазом и богатым натрием. альбит; в случае плагиоклаза наиболее распространенный ряд колеблется от альбита до богатого кальцием анортит. Двойникование кристаллов является обычным явлением в полевых шпатах, особенно полисинтетических двойниках в плагиоклазе и двойниках Карловых Вар в щелочных полевых шпатах. Если последняя подгруппа медленно охлаждается из расплава, она образует ламели распада, поскольку два компонента - ортоклаз и альбит - нестабильны в твердом растворе. Масштаб распада может быть от микроскопического до легко наблюдаемого в ручном образце; Пертитовая текстура образуется, когда богатый натрием полевой шпат растворяется в богатой калием хозяине. Противоположная текстура (антипертитовая), когда богатый калием полевой шпат выделяется из богатого натрием хозяина, встречается очень редко.^[97]

Фельдшпатоиды структурно похожи на полевой шпат, но отличаются тем, что образуются в условиях дефицита Si, что позволяет в дальнейшем замещать их на Al³⁺. В результате фельдшпатоиды нельзя ассоциировать с кварцем. Типичный пример фельдшпатоида: нефелин ((Na, K) AlSiO₄); по сравнению со щелочным полевым шпатом нефелин имеет Al₂О₃: SiO₂ соотношение 1: 2, в отличие от 1: 6 в полевом шпате.^[98] Цеолиты часто имеют характерные формы кристаллов, встречающиеся в иглах, пластинах или глыбовых массах. Они образуются в присутствии воды при низких температурах и давлениях и имеют в своей структуре каналы и пустоты. Цеолиты имеют несколько промышленных применений, особенно при очистке сточных вод.^[99]

Филлосиликаты

Мусковит, минеральный вид в группе слюды, в подклассе филлосиликатов

Филлосиликаты состоят из листов полимеризованных тетраэдров. Они связаны в трех кислородных центрах, что дает характерное соотношение кремний: кислород 2: 5. Важные примеры включают слюда, хлорит, а каолинит-змеевик группы.Листы слабо связаны силы Ван дер Ваальса или же водородные связи, что вызывает кристаллографическую слабость, что в свою очередь приводит к заметному базальному расщеплению среди филлосиликатов.^[100] В дополнение к тетраэдрам, у филлосиликатов есть лист октаэдров (элементы в шестикратной координации кислородом), которые уравновешивают основные тетраэдры, которые имеют отрицательный заряд (например, [Si₄О₁₀]⁴⁻) Эти тетраэдрические (Т) и октаэдрические (О) листы уложены друг на друга в различных комбинациях для создания филлосиликатных групп. Внутри октаэдрического листа есть три октаэдрических узла в единичной структуре; однако не все сайты могут быть заняты. В этом случае минерал называется диоктаэдрическим, а в другом случае - триоктаэдрическим.^[101]

Каолинит-серпентиновая группа состоит из стопок Т-О (глинистые минералы 1: 1); их твердость колеблется от 2 до 4, так как листы удерживаются водородными связями. Глинистые минералы 2: 1 (пирофиллит-тальк) состоят из стопок T-O-T, но они более мягкие (твердость от 1 до 2), так как они удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса. Эти две группы минералов подгруппированы октаэдрическим заполнением; в частности, каолинит и пирофиллит являются диоктаэдрическими, тогда как серпентин и тальк - триоктаэдрическими.^[102]

Слюды также являются филлосиликатами с T-O-T-стопкой, но отличаются от других подклассов T-O-T и T-O-stacked тем, что они включают алюминий в тетраэдрические листы (глинистые минералы содержат Al³⁺ в октаэдрических узлах). Общие примеры слюды: москвич, а биотит серии. Группа хлорита относится к группе слюды, но брусит-подобный (Mg (OH)₂) слой между стопками T-O-T.^[103]

Из-за своей химической структуры филлосиликаты обычно имеют гибкие, эластичные, прозрачные слои, которые являются электрическими изоляторами и могут быть разделены на очень тонкие чешуйки. Слюду можно использовать в электронике в качестве изоляторов, в строительстве, в качестве оптического наполнителя или даже в косметике. Хризотил, разновидность серпентина, является наиболее распространенным минеральным видом промышленного асбеста, поскольку он менее опасен для здоровья, чем амфиболовый асбест.^[104]

Инозиликаты

Асбестоформ тремолит, часть группы амфиболов в подклассе иносиликатов

Иносиликаты состоят из тетраэдров, многократно связанных в цепочки. Эти цепи могут быть одиночными, когда тетраэдр связан с двумя другими, образуя непрерывную цепочку; в качестве альтернативы, две цепи можно объединить с образованием двухцепочечных силикатов. Одноцепочечные силикаты имеют соотношение кремний: кислород 1: 3 (например, [Si₂О₆]⁴⁻), тогда как двухцепочечная разновидность имеет соотношение 4:11, например [Si₈О₂₂]¹²⁻. Иносиликаты содержат две важные группы породообразующих минералов; одноцепочечные силикаты чаще всего пироксены, а двухцепочечные силикаты часто амфиболы.^[105] Существуют цепи более высокого порядка (например, трехчленные, четырехчленные, пятичленные цепи и т. Д.), Но они встречаются редко.^[106]

Группа пироксенов состоит из 21 вида минералов.^[107] Пироксены имеют общую структурную формулу XY (Si₂О₆), где X - октаэдрический узел, а координационное число Y может варьироваться от шести до восьми. Большинство разновидностей пироксена состоят из перестановок Са²⁺, Fe²⁺ и Mg²⁺ чтобы уравновесить отрицательный заряд на позвоночнике. Пироксены распространены в земной коре (около 10%) и являются ключевым компонентом основных магматических пород.^[108]

Химический состав амфиболов очень разнообразен, их можно описать как «минералогический мусорный бак» или «минералогическую акулу, плавающую в море элементов». Основа амфиболов - [Si₈О₂₂]¹²⁻; он уравновешен катионами в трех возможных положениях, хотя третье положение используется не всегда, и один элемент может занимать оба оставшихся. Наконец, амфиболы обычно гидратированы, то есть имеют гидроксильную группу ([OH]⁻), хотя он может быть заменен фторидом, хлоридом или ионом оксида.^[109] Из-за различного химического состава существует более 80 видов амфибола, хотя вариации, как и в пироксенах, чаще всего включают смеси Ca²⁺, Fe²⁺ и Mg²⁺.^[107] Некоторые виды минералов амфибола могут иметь асбестоформный хрустальная привычка. Эти минералы асбеста образуют длинные, тонкие, гибкие и прочные волокна, которые являются электрическими изоляторами, химически инертными и термостойкими; как таковые, они имеют несколько применений, особенно в строительных материалах. Однако асбест является канцерогеном и вызывает различные другие заболевания, такие как: асбестоз; амфибол асбест (антофиллит, тремолит, актинолит, грюнерит, и рибекит) считаются более опасными, чем хризотил змеиный асбест.^[110]

Циклосиликаты

Пример эльбаита, разновидности турмалина, с характерными цветными полосами.

Циклосиликаты или кольцевые силикаты имеют отношение кремния к кислороду 1: 3. Шестичленные кольца являются наиболее распространенными с базовой структурой [Si₆О₁₈]¹²⁻; примеры включают турмалин группа и берилл. Существуют и другие кольцевые структуры, с описанием 3, 4, 8, 9, 12.^[111] Циклосиликаты имеют тенденцию быть прочными, с удлиненными, полосатыми кристаллами.^[112]

Турмалины обладают очень сложным химическим составом, который можно описать общей формулой XY.₃Z₆(BO₃)₃Т₆О₁₈V₃W. The T₆О₁₈ - основная кольцевая структура, где T обычно Si⁴⁺, но заменяется на Al₃₊ или B³⁺. Турмалины можно разделить на подгруппы по степени занятости сайта X, а оттуда далее подразделять по химическому составу сайта W. В позициях Y и Z могут размещаться различные катионы, особенно различные переходные металлы; эта изменчивость в содержании структурных переходных металлов придает турмалиновой группе большую изменчивость цвета. Другие циклосиликаты включают берилл, Al₂Быть₃Si₆О₁₈, разновидности которого включают изумруд (зеленый) и аквамарин (голубоватый). Кордиерит структурно подобен бериллу и является обычным метаморфическим минералом.^[113]

Соросиликаты

Эпидот часто имеет характерный фисташковый цвет.

Соросиликаты, также называемые дисиликатами, имеют связь тетраэдр-тетраэдр у одного кислорода, что приводит к соотношению кремния и кислорода 2: 7. В результате общим структурным элементом является [Si₂О₇]⁶⁻ группа. Наиболее распространенными дисиликатами на сегодняшний день являются члены эпидот группа. Эпидоты встречаются в различных геологических условиях, от срединно-океанических хребтов до гранитов и метапелиты. Эпидоты строятся вокруг структуры [(SiO₄) (Si₂О₇)]¹⁰⁻ структура; например, минерал разновидность В эпидоте есть кальций, алюминий и трехвалентное железо для баланса: Ca₂Al₂(Fe³⁺, Al) (SiO₄) (Si₂О₇) О (ОН). Наличие железа в виде Fe³⁺ и Fe²⁺ помогает понять кислород летучесть, что, в свою очередь, является важным фактором петрогенезиса.^[114]

Другие примеры соросиликатов включают: лавсонит, метаморфический минерал, образующийся в синий сланец фации (постановка зоны субдукции с низкой температурой и высоким давлением), везувианит, который занимает в своей химической структуре значительное количество кальция.^[114][115]

Ортосиликаты

Черный андрадит, конечный член группы ортосиликатных гранатов.

Ортосиликаты состоят из изолированных тетраэдров, у которых заряд уравновешен другими катионами.^[116] Также называемые несосиликатами, этот тип силиката имеет соотношение кремний: кислород 1: 4 (например, SiO₄). Типичные ортосиликаты имеют тенденцию образовывать блочные равные кристаллы и довольно твердые.^[117] К этому подклассу относятся несколько породообразующих минералов, например алюмосиликаты, группа оливина и группа граната.

Алюмосиликаты - бкианит, андалузит и силлиманит, все Al₂SiO₅ - структурно состоят из одного [SiO₄]⁴⁻ тетраэдр и один Al³⁺ в октаэдрической координации. Оставшийся Al³⁺ может иметь шестикратную координацию (кианит), пятикратную (андалузит) или четырехкратную (силлиманит); какие минеральные формы в данной среде зависят от давления и температурных условий. В структуре оливина основной ряд оливина (Mg, Fe)₂SiO₄ состоят из богатого магнием форстерита и богатого железом фаялита. И железо, и магний находятся в октаэдрическом состоянии по кислороду. Существуют и другие минеральные виды, имеющие такую ​​структуру, такие как тефроит, Mn₂SiO₄.^[118] Группа граната имеет общую формулу X₃Y₂(SiO₄)₃, где X - большой катион с восьмигранной координацией, а Y - катион с шестиконечной координацией меньшего размера. Существует шесть идеальных концевых частей граната, разделенных на две группы. Пиралспитовые гранаты содержат Al³⁺ в позиции Y: пироп (Мг₃Al₂(SiO₄)₃), альмандин (Fe₃Al₂(SiO₄)₃), и спессартин (Mn₃Al₂(SiO₄)₃). Гранаты уграндиты содержат Ca²⁺ в позиции X: уваровит (Ca₃Cr₂(SiO₄)₃), гроссуляр (Ca₃Al₂(SiO₄)₃) и андрадит (Ca₃Fe₂(SiO₄)₃). Хотя существует две подгруппы граната, твердые растворы существуют между всеми шестью конечными элементами.^[116]

Другие ортосиликаты включают: циркон, ставролит, и топаз. Циркон (ZrSiO₄) полезен в геохронологии, поскольку Zr⁴⁺ можно заменить на U⁶⁺; кроме того, из-за очень прочной конструкции его сложно настроить как хронометр. Ставролит - распространенный метаморфический минерал среднего содержания. Он имеет особенно сложную кристаллическую структуру, которая была полностью описана только в 1986 году. Топаз (Al₂SiO₄(F, OH)₂, часто встречается в гранитных пегматитах, связанных с турмалин, является обычным минералом драгоценного камня.^[119]

Несиликаты

Родные элементы

Самородное золото. Редкий образец массивных кристаллов, растущих на центральной ножке, размером 3,7 x 1,1 x 0,4 см, из Венесуэлы.

Родные элементы те, которые химически не связаны с другими элементами. В эту группу минералов входят самородные металлы, полуметаллы и неметаллы, а также различные сплавы и твердые растворы. Металлы удерживаются вместе металлической связью, которая придает отличительные физические свойства, такие как их блестящий металлический блеск, пластичность и ковкость, а также электропроводность. Самородные элементы подразделяются на группы по их структуре или химическим свойствам.

Группа золота с кубической плотноупакованной структурой включает такие металлы, как золото, серебро и медь. Платиновая группа аналогична по структуре золотой группе. Группа железо-никель характеризуется несколькими видами сплавов железо-никель. Два примера: камасит и тенит, которые находятся в железных метеоритах; эти разновидности различаются количеством Ni в сплаве; камасит содержит менее 5–7% никеля и является разновидностью самородное железо, тогда как содержание никеля в тэните колеблется в пределах 7–37%. Минералы группы мышьяка состоят из полуметаллов, которые имеют только некоторые металлические свойства; например, им не хватает ковкости металлов. Самородный углерод встречается в двух аллотропах, графите и алмазе; последний образуется при очень высоком давлении в мантии, что придает ему гораздо более прочную структуру, чем графит.^[120]

Сульфиды

Красная киноварь (HgS), ртутная руда, на доломите.

Кристалл сфалерита частично заключен в кальцит от Девонский Формация Милуоки из Висконсин

В сульфидные минералы представляют собой химические соединения одного или нескольких металлов или полуметаллов с серой; теллур, мышьяк или селен могут заменить серу. Сульфиды - это мягкие, хрупкие минералы с высоким удельным весом. Многие порошковые сульфиды, такие как пирит, при измельчении имеют сернистый запах. Сульфиды подвержены выветриванию, и многие из них легко растворяются в воде; эти растворенные минералы могут быть позже переотложены, что создает месторождения обогащенной вторичной руды.^[121] Сульфиды классифицируются по соотношению металла или полуметалла к сере, например M: S, равное 2: 1 или 1: 1.^[122] Много сульфидные минералы экономически важны как металл руды; примеры включают сфалерит (ZnS), руда цинка, галенит (PbS), свинцовая руда, киноварь (HgS), руда ртути, и молибденит (MoS₂, руда молибдена.^[123] Пирит (FeS₂), является наиболее часто встречающимся сульфидом и может быть обнаружен в большинстве геологических сред. Однако это не железная руда, а вместо этого ее можно окислить с образованием серной кислоты.^[124] К сульфидам относятся редкие сульфосоли, в котором металлический элемент связан с серой и полуметаллом, таким как сурьма, мышьяк, или же висмут. Как и сульфиды, сульфосоли обычно представляют собой мягкие, тяжелые и хрупкие минералы.^[125]

Оксиды

Оксидные минералы делятся на три категории: простые оксиды, гидроксиды и множественные оксиды. Простые оксиды характеризуются O²⁻ в качестве основного аниона и в первую очередь ионной связи. Их можно дополнительно разделить по соотношению кислорода к катионам. В периклаз группа состоит из минералов в соотношении 1: 1. К оксидам с соотношением 2: 1 относятся: куприт (Cu₂O) и водяным льдом. Минералы группы корунда имеют соотношение 2: 3 и включают такие минералы, как корунд (Al₂О₃), и гематит (Fe₂О₃). Минералы группы рутила имеют соотношение 1: 2; одноименный вид, рутил (TiO₂) - главная руда титан; другие примеры включают касситерит (SnO₂; руда банка), и пиролюзит (MnO₂; руда марганец).^[126][127] В гидроксидах доминирующим анионом является гидроксильный ион ОН⁻. Бокситы являются основной алюминиевой рудой и представляют собой гетерогенную смесь гидроксидных минералов. диаспора, гиббсит, и бохмит; они образуются в районах с очень высокой скоростью химического выветривания (в основном в тропических условиях).^[128] Наконец, множественные оксиды - это соединения двух металлов с кислородом. Основную группу в этом классе составляют шпинель, с общей формулой X²⁺Y³⁺₂О₄. Примеры видов включают шпинель (MgAl₂О₄), хромит (FeCr₂О₄), и магнетит (Fe₃О₄). Последний легко отличить по сильному магнетизму, который возникает, когда железо состоит из двух частей. состояния окисления (Fe²⁺Fe³⁺₂О₄), что делает его множественным оксидом вместо одного оксида.^[129]

Галогениды

Розовый кубический галит (NaCl; класс галогенидов) кристаллы на нахколит матрица (NaHCO₃; карбонат и минеральная форма бикарбоната натрия, используемого в качестве пищевая сода).

В галогенидные минералы соединения, в которых галоген (фтор, хлор, йод или бром) является основным анионом. Эти минералы обычно мягкие, непрочные, хрупкие и водорастворимые. Общие примеры галогенидов включают галит (NaCl, поваренная соль), сильвит (KCl), флюорит (CaF₂). Галит и сильвин обычно образуются как эвапориты, и могут быть доминирующими минералами в химических осадочных породах. Криолит, Na₃AlF₆, является ключевым минералом при извлечении алюминия из бокситы; однако, как единственное существенное событие на Ивиттуут, Гренландия, в гранитном пегматите был обеднен, синтетический криолит может быть получен из флюорита.^[130]

Карбонаты

В карбонатные минералы те, в которых основной анионной группой является карбонат, [CO₃]²⁻. Карбонаты имеют тенденцию быть хрупкими, многие из них имеют ромбоэдрическое расщепление и все реагируют с кислотой.^[131] Из-за последней характеристики полевые геологи часто используют разбавленную соляную кислоту, чтобы отличить карбонаты от некарбонатов. Реакция кислоты с карбонатами, наиболее часто встречающаяся в виде полиморфного кальцита и арагонит (CaCO₃), относится к растворению и осаждению минерала, который играет ключевую роль в образовании известняковых пещер, таких особенностей в них, как сталактит и сталагмиты, и карст формы рельефа. Карбонаты чаще всего образуются в морской среде в виде биогенных или химических отложений. Карбонатная группа структурно представляет собой треугольник, в котором центральная C⁴⁺ катион окружен тремя O²⁻ анионы; различные группы минералов образуются из разного расположения этих треугольников.^[132] Наиболее распространенным карбонатным минералом является кальцит, который является основным компонентом осадочного известняка и метаморфического мрамора. Кальцит, CaCO₃, может иметь высокое содержание магния. В условиях высокого содержания магния вместо этого образуется его полиморфный арагонит; морскую геохимию в этом отношении можно охарактеризовать как арагонит или же кальцитовое море, в зависимости от того, какой минерал предпочтительно образуется. Доломит представляет собой двойной карбонат с формулой CaMg (CO₃)₂. Обычна вторичная доломитизация известняка, при которой кальцит или арагонит превращаются в доломит; эта реакция увеличивает поровое пространство (объем элементарной ячейки доломита составляет 88% от объема кальцита), что может создать резервуар для нефти и газа. Эти два минеральных вида являются членами одноименных минеральных групп: группа кальцита включает карбонаты с общей формулой XCO₃, а группа доломита - это минералы с общей формулой XY (CO₃)₂.^[133]

Сульфаты

Гипсовая роза пустыни

В сульфатные минералы все содержат сульфат-анион [SO₄]²⁻. Они, как правило, от прозрачного до полупрозрачного, мягкие, а многие из них хрупкие.^[134] Сульфатные минералы обычно образуются в виде эвапориты, где они выпадают в осадок из испаряющихся соленых вод. Сульфаты также можно найти в системах гидротермальных жил, связанных с сульфидами,^[135] или как продукты окисления сульфидов.^[136] Сульфаты можно разделить на безводные и водные минералы. Самый распространенный водный сульфат - это гипс, CaSO₄⋅2H₂О. Он образует эвапорит и связан с другими эвапоритами, такими как кальцит и галит; если он включает песчинки при кристаллизации, гипс может образовывать пустынные розы. Гипс имеет очень низкую теплопроводность и сохраняет низкую температуру при нагревании, поскольку он теряет это тепло в результате обезвоживания; как таковой гипс используется в качестве изолятора в таких материалах, как гипс и гипсокартон. Безводный эквивалент гипса ангидрит; он может образовываться непосредственно из морской воды в сильно засушливых условиях. Группа барита имеет общую формулу XSO₄, где X - большой 12-координированный катион. Примеры включают барит (BaSO₄), Селестина (SrSO₄), и англезит (PbSO₄); ангидрит не входит в группу барита, поскольку меньший Ca²⁺ только в восьмикратной координации.^[137]

Фосфаты

В фосфатные минералы характеризуются тетраэдрическим [PO₄]³⁻ ед., хотя структура может быть обобщенной, а фосфор заменяется сурьмой, мышьяком или ванадием. Самый распространенный фосфат - это апатит группа; распространенными видами в этой группе являются фторапатит (Ca₅(PO₄)₃F), хлорапатит (Ca₅(PO₄)₃Cl) и гидроксилапатита (Ca₅(PO₄)₃(ОЙ)). Минералы этой группы являются основными кристаллическими составляющими зубов и костей позвоночных. Относительно обильный монацит группа имеет общую структуру АТО₄, где T - фосфор или мышьяк, а A - часто редкоземельный элемент (REE). Монацит важен по двум причинам: во-первых, как «поглотитель» РЗЭ, он может концентрировать эти элементы в достаточной степени, чтобы превратиться в руду; во-вторых, элементы группы монацита могут включать относительно большие количества урана и тория, которые могут быть использованы в монацит геохронология датировать породу на основе распада U и Th на свинец.^[138]

Органические минералы

Классификация Струнца включает класс для органические минералы. Эти редкие соединения содержат органический углерод, но может быть образован геологическим процессом. Например, уэвеллит, CaC₂О₄⋅H₂O - это оксалат которые могут откладываться в гидротермальных рудных жилах. Хотя гидратированный оксалат кальция может быть обнаружен в угольных пластах и ​​других осадочных отложениях, содержащих органические вещества, считается, что гидротермальные явления не связаны с биологической активностью.^[88]

Последние достижения

Схемы классификации минералов и их определения развиваются, чтобы соответствовать последним достижениям минераловедения. Последние изменения включают добавление органического класса как в новой Dana, так и в Классификация Струнца схемы.^[139][140] Органический класс включает очень редкую группу минералов с углеводороды. Комиссия IMA по новым минералам и названиям минералов приняла в 2009 году иерархическую схему наименования и классификации групп минералов и названий групп и учредила семь комиссий и четыре рабочие группы для обзора и классификации минералов в официальный список их опубликованных названий.^[141][142] Согласно этим новым правилам, «минеральные виды могут быть сгруппированы по-разному, на основе химического состава, кристаллической структуры, встречаемости, ассоциации, генетической истории или ресурсов, например, в зависимости от цели, которую должен выполнять классификация ".^[141]

Астробиология

Было высказано предположение, что биоминералы могут быть важными индикаторами внеземная жизнь и таким образом может сыграть важную роль в поиске прошлой или настоящей жизни на планете. Марс. Более того, органические компоненты (биосигнатуры), которые часто связаны с биоминералами, как полагают, играют решающую роль как в пребиотических, так и в биотический реакции.^[143]

24 января 2014 года НАСА сообщило, что текущие исследования Любопытство и Возможность вездеходы на Марсе теперь будут искать свидетельства древней жизни, в том числе биосфера на основе автотрофный, хемотрофный и / или хемолитоавтотрофный микроорганизмы, а также древняя вода, в том числе флювио-озерные среды (равнины связанные с древними реки или же озера) которые могли быть обитаемый.^{[144][145][146][147]} Поиск доказательств обитаемость, тафономия (относится к окаменелости), и органический углерод на планете Марс теперь первичный НАСА цель.^[144][145]

Смотрите также

Примечания

Рекомендации

Общие ссылки

• Басби, А.Б .; Coenraads, R.E .; Корни, D .; Уиллис, П. (2007). Камни и окаменелости. Сан-Франциско: Fog City Press. ISBN 978-1-74089-632-0.
• Chesterman, C.W .; Лоу, К. (2008). Полевой справочник по скалам и минералам Северной Америки. Торонто: Случайный дом Канады. ISBN 978-0394502694.CS1 maint: ref = harv (связь)
• Дьяр, доктор медицины; Гюнтер, M.E. (2008). Минералогия и оптическая минералогия. Шантильи, Вирджиния: Минералогическое общество Америки. ISBN 978-0939950812.CS1 maint: ref = harv (связь)

дальнейшее чтение

• Hazen, R.M .; Грю, Эдвард С .; Ориглиери, Маркус Дж .; Даунс, Роберт Т. (март 2017 г.). «О минералогии эпохи антропоцена»'" (PDF). Американский минералог. 102 (3): 595. Bibcode:2017AmMin.102..595H. Дои:10.2138 / am-2017-5875. S2CID 111388809. Получено 14 августа, 2017. О создании новых минералов в результате деятельности человека.

внешняя ссылка

Викискладе есть медиафайлы по теме Минералы.

Викибук Историческая геология есть страница по теме: Минералы

Викибук Высшая школа наук о Земле есть страница по теме: Минералы Земли

• Минералогическая база данных Миндат, крупнейшая база данных минералов в Интернете
• "База минералогии" Дэвид Бартелми (2009)
• «Ключ идентификации минералов II» Минералогическое общество Америки
• "База данных американских минералогов о кристаллической структуре"
• Минералы и происхождение жизни (Роберт Хазен, НАСА) (видео, 60м, апрель 2014).
• Частная жизнь минералов: выводы из минералогии больших данных (Роберт Хазен, 15 февраля 2017 г.)