Мінерал (франц. minéral, від позднелат. minera — руда), природне тіло, що приблизно однорідне по хімічному складу і фізичним властивостям, утворюється в результаті физико-хімічних процесів на поверхні або в глибинах Землі (і інших космічних тіл), головним чином як складова частина гірських порід, руд, метеоритів.
М. в переважній більшості — тверді тіла, що підкоряються всім законам фізики твердого тіла; рідше зустрічаються рідкі М. (наприклад, ртуть самородная). Віднесення води к М. — питання дискусійне, але лід загальноприйнято рахувати М. Разлічают М. кристалічні, аморфні — метаколлоїди (наприклад, опали, лешательеріт, лимоніт і ін.) і метаміктниє мінерали, що мають зовнішню форму кристалів, але що знаходяться в аморфному, стеклоподобном стані.
Кожним М. (мінеральний вигляд) є природне з'єднання певного складу з властивою йому кристалічною структурою. Модифікації М. однакового складу (наприклад, алмаз — графить, кальцит — арагоніт), але що мають різну кристалічну структуру, відносяться до різних мінеральних видів; навпаки, ізоморфні ряди М. (наприклад, олівіни, вольфраміти, колумбіти) із складом, що змінюється в певних межах, але з постійною структурою, відносять до одного мінеральному вигляду. М., в яких невеликі зміни в химиїчеськом складі, деяких властивостях (наприклад, забарвленню) або морфологічних особливостях не приводять до різких відмінностей в структурі (наприклад, в різновидах кварцу — гірському кришталі, аметисті, цитрині, халцедоні), називаються мінеральними різновидами .
Одиничні кристали, зерна та інші мінеральні тіла, відокремлені один від одного фізичними поверхнями розділу, відносяться до мінеральним індивідам . Зростки мінеральних індивідів утворюють мінеральний агрегат.
В природі знайдено і вивчено близько 2,5 тис. мінеральних видів і приблизно стільки ж різновидів. Щорік відкривається близько 30 нового мінерального вигляду.
Більшість М. представлена іонними структурами (див. Крісталлохимія ) . Менш поширені ковалентні і інтерметалеві структури. Молекулярні грати в природі вельми рідкі (наприклад, реальгар ASS, сірка самородная, бітуми і смоли). Реальні структури М. характеризуються наявністю дефектів в кристалах (вакансій, домішкових і межузельних атомів або іонів) і дислокацій . Незрідка в М. виникають т.з. невпорядковані структура, що характеризуються порушенням правильного порядку розташування іонів в гратах і тенденцією до їх подальшому перерозподілу, направленому до підвищення міри впорядкованості (наприклад, в польових шпатах ) . Окремі структурні елементи кристалічної решітки М. (шари, пакети, ланцюжки і т. п.) можуть бути декілька зміщені відносно один одного при повному збереженні структури усередині цих елементів. В результаті виникають політіпниє модифікації (політіпи), що характеризуються однаковими параметрами елементарного вічка в двох напрямах і третім, — змінним. Політіпи особливо часто з'являються в шаруватих мінералів (наприклад: слюди, графіту, молібденіту, глинистих мінералів).
На відміну від утворення поліморфних модифікацій (див. Поліморфізм ) , перехід одного політіпа в іншій відбувається не стрибкоподібно, а поступово і не супроводиться різким тепловим ефектом, що пояснює існування в природі за однакових термодинамічних умов декілька політіпних модифікацій М. Еслі явище поліморфізму пов'язане із змінами температури і тиск, то політіпія М., мабуть, залежить в першу чергу від умов зростання кристалів. Вивчення явищ впорядкування, структурних дефектів, політіпії і інших відхилень в будові реальних М. від ідеальних структур допомагає розшифрувати термодинамічні умови утворення М.
Хімічний склад, формули і класифікація. Роль хімічних елементів в структурі М. різна: одні є головними і визначають основний склад М.; інші, будучи по властивостях і будові атомів (іонів) близькі до головних, присутні в М. переважно у вигляді ізоморфних (див. Ізоморфізм ) домішок (наприклад, Pd, Ge, In, Cd, Ga, Tl, Se, I, Br, Re, Rb, багато рідкоземельних). Для хімії М. характерне різке переважання з'єднань змінного складу, що представляють однорідні змішані кристали (тверді розчини), — ізоморфні ряди М. Цим, а також різною мірою впорядкованості структури, визначаються коливання фізиїчеських і хімічних властивостей усередині одного мінерального вигляду: наприклад, щільності, твердості, кольору, показника заломлення, магнітної сприйнятливості, температури плавлення і ін. Складність і недостатня постійність складу М. визначаються явищами ізоморфізму, наявністю субмікроскопічних включень, а також явищами сорбції, які мають місце при утворенні М. з колоїдних систем (наприклад, урансодержащие опали, лімоніти, монтморіллоніти і ін.). Субмікроскопічні включення в М. можуть виникати: а) унаслідок захвату дисперсних домішок в процесі кристалізації з розплаву, розчину і інших середовищ (наприклад, газово-рідкі включення в кварці, включення гематиту в польовому шпаті); б) при розпаді твердих розчинів унаслідок зміни температурних умов (утворення пертітов в польових шпатів, розпад складних сульфідів і складних оксидів); у) при метаміктних перетвореннях; г) явищах заміщення одного М. іншим або вторинних змінах. Багато М. (наприклад, магнетит) постійно містять різні мікровключення.
В природі найбільш поширені М. класу силікатів — близько 25 % від загального числа М.; оксиди і гидроокисли — близько 12%; сульфіди і їх аналоги складають близько 13 %; фосфати, арсенати (ванадати) — близько 18 %; інші природні хімічні сполуки — 32 %. Земна кора на 92 % складена силікатами, оксидами і гидроокисламі. За типом хімічних сполук М. підрозділяються на прості тіла (самородниє елементи) і складені (бінарні та інші). Окрім простих аніонів S 2- , O 2- , Oh - , Cl - і ін., в структурах части комплексні солетворні аніонні радикали [СО 3 ] 2- , [Sio 4 ] 4- , [Рo 4 ] 3- і ін. У залежності від складу простого або комплексного аніона серед М. виділяють сульфіди і їх аналоги, оксиди, галогеніди, солі кисневих кислот.
В основу сучасної класифікації М. покладені відмінності в типах хімічних сполук і кристалічних решіток (див. таблицю). Склад М. певного структурного типа, а також закономірні його зміни при ізоморфізмі визначаються будовою і крісталлохимічеськимі характеристиками складаючих атомів (іонів), їх радіусами, координаційними числами і типом хімічного зв'язку.
Конституція (склад і структура) М. виражається крісталлохимічеськимі формулами, в яких вказуються: а) валентність іона (якщо присутні елементи в різній мірі валентності); б) комплексні аніони (у квадратних дужках), наприклад [Sio 4 ] 4- , [Аlo 4 ] 5- ; у) ізоморфні групи елементів, що полягають в круглі дужки і що відділяються один від одного комами; при цьому елементи, що знаходяться в більшій кількості, пишуться на першому місці; г) додаткові аніони Oh - F - , Cl - , O 2- і ін., що поміщаються після аніонного радикала; д) молекули води в кристалогідратах (в кінці формули, з'єднуються з нею через крапку); е) цеоліт або адсорбциїонная вода показується також в кінці формули, пишеться через крапку і позначається n H 2 O; же) недолік атомів в дефектних структурах наголошується буквою х; з) якщо катіони в структурі М. займають різне положення, то у формулі вони показуються окремо, при цьому коордінациїонноє число їх позначається римськими цифрами в показнику і праворуч від символу елементу. Приклади розгорнутого крісталлохимічеського написання формул М.: магнетит Fe 2+ Fe 2 3+ O 4 ; андалузит Al VI Ai V [Sio 4 ]O; гіпс Ca[So 4 ]×2H 2 O; пірротін Fe 1-х S, флогопіт K[Mg, Fe] 3 [Aisi 3 O 10 ] (ОН,f) 2 ; обпав Sio 2 ×nH 2 O.
Морфологія М. визначається їх внутрішньою структурою і умовами освіти. Розмір окремих мінеральних індивідів широко варіює: від 1—100 нм (колоїдні М.) до 10 м-код (наприклад, кристали сподумена в пегматітах). Залежно від кристалічної структури і умов зростання виникають кристали М. різної подоби (габітуса) — ізометричного (наприклад, галіт, галеніт, сфалеріт, олівін і ін.), листуватого і лускатого (наприклад, молібденіт, слюда, тальк), дощатого (наприклад, барит), стовпчастого і голкового (рутил, актіноліт, турмалін). На деяких кристалах М. спостерігається характерна штрихування, а також форми зростання і розчинення. Детально вивчаючи морфологію М. і скульптуру граней, тобто проводячи крісталломорфологичеськие дослідження, можна відтворити історію освіти мінеральних індивідів. Поряд з окремими кристалами М. в природі утворюються також зростки М., як закономірно орієнтовані по відношенню один до одного (двійники, паралельні і епітаксичеськие зростки), так і без взаємної орієнтації (мінеральні агрегати). По морфології агрегатів виділяються друзи (щітки), дендрит, зернисті, щільні і землисті маси, ооліти і сфероліти, секреції і конкреції, різні натічні агрегати мінералів, особливо характерні для мінералів екзогенного походження. Вивчення морфології мінеральних агрегатів складає вміст особливого розділу мінералогії — онтогенічеського аналізу М. Знаніє морфологічних особливостей М. допомагає швидко їх визначати.
Фізичні властивості М. обумовлені кристалічною структурою і хімічним складом. Унаслідок ізоморфізму, мікронеоднорідності, разупорядоченності, наявності дефектів і інших особливостей в природних кристалах М., властивості їх зазвичай не є строго постійними. Фізичні властивості М. підрозділяють на скалярних (наприклад, щільність) і векторних, таких, що мають різну величину залежно від кристалографічних напрями (наприклад, твердість, крісталлооптічеськие властивості і ін.). До фізичних властивостей М., які поряд з формами виділень служать основою їх діагностики, відносяться щільність, механічні, оптичні, люмінесцентні, магнітні, електричні, термічні властивості, радіоактивність.
По щільності М. підрозділяються на: легені (до 2500 кг/м-код 3 ) , середні (від 2500 до 4000 кг/м-код 3 ) — переважаюча маса М., важкі (від 4000 до 8000 кг/м-код 3 ) і вельми важкі (більше 8000 кг/м-код 3 ) . Щільність М. залежить від маси атомів або іонів, що входять в кристалічну структуру, і характеру їх упаковки, а також від присутності в М. додаткових аніонів (Oh - , F - і ін.) і води.
Механічні властивості включають твердість (див. Твердість мінералів ), крихкість, ковкість, спайність (див. Спайність мінералів ) , окремість (див. Окремість мінералів ) , злам, гнучкість, пружність. При діагностиці зазвичай визначається відносна твердість М. відповідно до Мооса шкалою .
Спайність — вельми досконала, досконала, середня (ясна), недосконала (неясна) і вельми недосконала — виражається в здатності М. розколюватися по певних напрямах (паралельним сіткам кристалічної решітки з найбільшою ретикулярною щільністю атомів і найменшою силою зчеплення між ними). Злам (рівний ступінчастий, нерівний скалкуватий, раковістий і ін.) характеризують поверхні розколу М., події не по спайності.
Оптичні властивості (див. Крісталлооптіка ) — колір мінералів, блиск, міра прозорості, світлопереломлювання, светоотраженіє, плеохроїзм — можуть бути вивчені на окремих ділянках зерен М. за допомогою оптичної мікроскопії у видимій, ультрафіолетовій і інфрачервоній областях спектру.
Блиск М. (металевий, напівметалевий і неметалічний — діамантовий, скляний, жирний, восковий, шовковистий, перламутровий і ін.) обумовлений кількістю відбиваного від поверхні М. світла і залежить від його показника заломлення. По прозорості М. розділяються на прозорі, напівпрозорі що просвічують в тонких осколках і непрозорі. Кількісне визначення світлопереломлювання і светоотраженія М. можливо лише під мікроскопом, так само як і визначення плеохроїзма. Більшість інших фізичних властивостей М. (люмінесцентні, магнітні, електричні, радіоактивні і ін.) розглядаються в спеціальних статтях (див. Люмінесценція, Магнетизм, П'єзоелектрика, Радіоактивні мінерали ) . В сучасній мінералогії виникло і успішно розвивається особливий напрям — фізика мінералів.
Діагностика М. виробляється заздалегідь в польових умовах головним чином по зовнішніх фізичних ознаках — формі виділення і їх забарвленню, подобі і характеру симетрії кристалів, кольору межі, блиску, спайності, зламу і відносній твердості. За допомогою магнітної стрілки компаса визначаються феромагнітні мінерали (магнетит, пірротін). Карбонати легко діагностуються по «скипанню» з Hcl. Інколи використовуються якісні хімічні реакції. Існують спеціальні визначники, що дозволяють за цими даними відносити виявлений М. до певного мінерального вигляду. Багато М. (наприклад, глинисті) в польових умовах діагностувати не можна. У лабораторних умовах елементний склад М. визначають методами класичного хімічного аналізу, а також емісійного або атомно-адсорбційного спектрохімічного аналізу. Прозорі М., що просвічують, досліджують в проходящем світлі за допомогою поляризаційного мікроскопа, непрозорі М. вивчають у відбитому світлі на спеціальних мікроскопах. Точна діагностика ряду М. виробляється за допомогою рентгенограм. Тонкодисперсні М., які показують нечіткі лінії на рентгенівських порошкограммах (дебаєграммах або дифрактограмах), досліджують електронографічеським методом під електронним мікроскопом. Для швидкої діагностики деяких люмінесцирующих М. (наприклад, шеєліту) застосовують спеціальні прилади — люміноскопи. Для вирішення питання про форму входження води до складу М. використовують термічний аналіз (диференціальні криві нагрівання, криві втрати ваги), інфрачервону спектроскопію, ядерний магнітний резонанс а для визначення форми входження елементу-домішки до складу мінералу — рентгенівський мікроаналізатор з електронним зондом, електронний парамагнітний резонанс; в деяких випадках застосовуються люмінесцентні і радіографічний (для U і Th) методи.
Явища структурного впорядкування М. і політіпії вивчаються методами рентгенівської дифрактометрії і електронографії.
Умови знаходження і утворення. По поширеності в природі всі М. розділяють на породообразующие і рудообразующие (що беруть істотну участь у складі гірських порід або руд), другорядні, або акцесорні (при вмісті не більше 1 %), такі, що рідко зустрічаються і вельми рідкі, виявлені лише в одиничних випадках. Таке розділення умовне, оскільки М., що надзвичайно рідко утворюються в одних природних процесах, виявляються широко поширеними в інших геологічних умовах.
Кожен М. має свою історію розвитку, виникаючи в конкретних геолоїгчеських і физико-хімічних умовах унаслідок певних природних геохімічних процесів. У своєму розвитку М. проходіт стадію зародження, зростання і зміни. Еволюція мінеральних індивідів і агрегатів в часі, що охоплює всі вказані стадії, об'єднана радянським ученим Д. П. Грігорьевим (1961) під назвою онтогенії М. Зарожденіє М. може походити з різних по фазовому стану середовищ (розплаву, розчину, газу) в зваженому стані або на якому-небудь субстраті. В процесі зростання М. ізоморфно або механічно захоплює домішки, що знаходяться в мінералообразующей середовищі (унаслідок чого виникає зональна будова М.), і рідкі, газово-рідкі і газові включення самого середовища. При зміні физико-хімічної обстановки (наприклад, падіння температури, збільшення тиску, приплив нових розчинів і т. д.) можуть відбуватися наступні явища: а) деформації, що приводять до механічного двійникування, появи дислокацій, мозаїчну і блокову будови; б) розчинення М., про який свідчать специфічні фігури на гранях; у) поліморфні перетворення; г) розпад твердих розчинів; д) перекристалізація; е) процеси хімічної зміни, що приводять до заміщення одних М. іншими. Якщо при цих заміщеннях зберігається зовнішня форма раніше існуючого М., виникають псевдоморфози (наприклад, лимоніту по піриту). Псевдоморфози, в яких первинний вторинний М., що утворюється по ньому, представлені поліморфними модифікаціями одного складу, називають параморфозами (наприклад, сфалеріта по вюртциту, графіту по алмазу). Виникаючи унаслідок різних реакцій, будь-який М. не зустрічається ізольовано, а завжди супроводиться іншими М. Еті мінеральні асоціації, що закономірно утворюються в ході єдиного процесу, обмеженого в просторі і в часу і що протікає в певних физико-хімічних умовах, називаються парагенезісом мінералів або парагенетічеськимі асоціаціями. Кількість можливих стійких М. в парагенетічеськой асоціації визначається мінералогічним правилом фаз . Оскільки природні процеси протікають в умовах змінних температури тиск і концентрації компонентів, то в ході їх розвитку одні парагенетічеськие асоціації М. закономірно змінялися іншими. Дослідження виникаючих асоціацій М. за допомогою фіззіко-хімічніх діаграм (склад — парагенезіс) є основою парагенетічеського аналізу, розробленого сов.(радянський) ученим Д. С. Коржінським. Цей метод дозволяє передбачати знаходження М. в тій або іншій асоціації, а також виділяти різні стадії процесу мінералоутворення. М. може зустрічатися на одному родовищі в різних парагенетічеських асоціаціях, тобто виділятися на різних стадіях. Такі різночасні виділення одного і того ж М. називаються генераціями. Будучи продуктом природних реакцій, М. причинно пов'язаний із створюючим його середовищем, її фазовим станом і фізіко-химічськимі параметрами. Все це відбивається на складі і властивостях М., який набуває на кожній стадії розвитку процесу мінералоутворення свої специфічні типоморфні межі. Під тіпоморфізмом розуміють суму хімічних, структурних і фізичних ознак М., зв'язаних причинно-наслідковими стосунками з середовищем, в якому М. утворився. Типоморфними можуть бути як самі мінерали або їх парагенезіси, так і окремі їх ознаки. Типоморфні особливості М. можна використовувати для встановлення генезису М., а також як пошукові ознаки при геологорозвідувальних роботах.
М. виникають при ендогенних екзогенних і метаморфогенних процесах. Сучасне поняття «Генезис мінералів» включає характеристику ряду явищ, що обумовлюють виникнення М., у тому числі: а) хімізм процесу мінералоутворення; б) фазовий стан середовища мінералоутворення; у) фізіко-химічськие параметри системи, при яких відбувалося виникнення М. (температура, тиск, активність компонентів, кисневий потенціал, режим основності — кислотності); г) механізм зародження, зростання і розвитку М., зокрема спосіб його освіти (вільна кристалізація, метасоматічеськоє розвиток, перекристалізація, раськрісталлізация гелів і ін.); д) процеси подальшої зміни М. і явища метаморфізму; е) джерело речовини.
Найголовнішими дорогами визначення генезису М. є: а) спостереження геологічних умов знаходження М.; би) виявлення типоморфних особливостей М.; в) парагенетічеський аналіз; г) онтогенічеськие дослідження; д) вивчення газово-рідких включень в М.; з) розрахунки термодинамічних характеристик природних реакцій; же) визначення термодинамічних параметрів по різних геотермометрам і геобарометрам; з) вивчення физико-хімічних систем; і) експериментальне моделювання можливих природних процесів утворення М.; до) вивчення ізотопного складу М. Полученіє об'єктивних кількісних даних, що характеризують генезис М., дозволяє відновлювати геологічні процеси і історію формування родовищ корисних копалини і тим самим створити наукову основу для їх пошуків, розвідки і промислової оцінки.
Вживання. Властивості М. визначають сфери їх застосування в техніці. Так, наприклад, вельми тверді М. (алмаз, корунд, гранати і ін.) застосовуються як абразиви; М. з п'єзоелектричними властивостями використовуються в радіоелектроніці і так далі На відмінностях фізичних властивостей М. (головним чином щільність, пружних, магнітних, електричних, поверхневих, радіоактивних і ін.) засновані методи збагачення руд, а також геофизичні методи розвідки родовищ корисних копалини. В зв'язку з цим особливо важливого значення набуває всестороннє вивчення властивостей і особливостей М. Большие перспективи відкриває можливість направленої зміни властивостей М. шляхом «генерування» або «заліки» дефектів кристалічної решітки, що може бути здійснене різними дорогами — механічним, акустичним (ультразвукова обробка), термічним (нагріванням і подальшим швидким або повільним охолоджуванням), хімічним (протравленням, обробкою реагентами, здатними «легувати» поверхню М. домішковими іонами), радіаційним (опроміненням рентгенівськими і гамма-променями, потоками швидких часток і т. п.). На сучасному етапі розвитку промисловість використовує не більше 15 % всіх відомих М. Детальноє вивчення поширеності, складу і властивостей М. дозволяє залучати до сфери практичного вживання все новий мінеральний вигляд, використовуючи при цьому майже всі елементи таблиці Менделєєва, увязнені в різних М. у формі основних компонентів (руди чорних, кольорових, частково рідких металів) або елементів-домішок (розсіяні елементи). Широке вживання в оптиці, радіоелектронній техніці, в електроенергетиці придбали монокристали М. і їх синтетичні аналоги. Деякі М. є коштовними і виробами каменями . До числа об'єктів вивчення мінералогів все ширше залучаються М. Луни, космічних тіл і М. мантії Землі.
Літ.: Вернадський Ст І., Історія мінералів земної кори, т. 1, ст 1—2, Л., 1923—27; Дір В. А., Хаун Р. Д., Зусман Дж., Породообразующие мінерали, пер.(переведення) з англ.(англійський), т. 1—5, М., 1965—66; Сучасні методи мінералогічного дослідження. Збірка, ч. 1—2, М., 1969; Основні проблеми в ученні про магматогенних рудних родовищах, 2 видавництва, М., 1955; Ферсман А. Е., Пегматіти, т. 1, Ізбр. праці, т. 6, М., 1960; Бетехтін А, Р., Курс мінералогії, 3 видавництва, М., 1961; Костов І., Мінералогія, [пер. з англ.(англійський)], М., 1971; Лазаренко Е. До., Курс мінералогії, М. 1971; Смольянінов Н. А., Практичне керівництво по мінералогії, 2 видавництва, М., 1972; Питання однорідності і неоднорідності мінералів. Збірка, М., 1971; Мінерали. Довідник, т. 1—3, М., 1960—72; Грігорьев Д. П., Онтогенія мінералів, Львів, 1961; Шафрановський І. І., Кристали мінералів, М., 1961; Тіпоморфізм мінералів і його практичне значення, Сб. ст., М., 1972; Коржінський Д. С., Теоретичні основи аналізу парагенезісов мінералів, М., 1973.
Р. П. Барсанов, А. І. Гинзбург.
Схематична класифікація мінералів
Основні типи хімічних сполук
Класи (по провідному аніону)
Підкласи, розділи (по мірі складності складу або по структурі, просторовій асоціації комплексних аніонів)
1. Прості речовини
Самородниє елементи
а) метали, би) напівметали в) неметали
11. Бінарні з'єднання з аніоном:
S 2- ; S 2 2- ; Se 2- ; As 3- і ін.
1. Сульфіди і їх аналоги (арсеніди, селеніди і ін.)
а) прості, би) дісульфіди діарсеніди і т. п., в) складні (в т.ч. сульфосолі)
О 2- ; (ВІН) -
2. Оксиди, гидроокисли і оксигидрати
а) прості; б) складні; у) гидроокисли і оксигидрати (прості і складні)
F - : Cl - ; Br - ; I -
3. Фториди: 4. Хлориди, броміди, іодіди
а) прості: б) складні (з водою, додатковим аніоном О 2- і ін.)
а) прості (безводі або такі, що містять воду); б) складні (з водою, додатковими аніонами, складним катіонним складом і т. п.)
IV. Органічні сполуки
1. Солі органічних кислот;
2. Смоли, бітуми
Не виділяються
Примітки. 1. Групи мінералів виділяються по складу і структурі (наприклад, група арагоніта, група ромбічних піроксенов). 2. Усередині підкласів, розділів підрозділ заснований на угрупуванні М. з однаковим типом ускладнення складу (додаткові аніони, наявність води і т. д.) або об'єднанні по найголовніших типах структурних мотивів (координаційні, цепочечниє, шаруваті, кільця і ін.), що утворюються просторовим розташуванням катіонів і аніонів в структурі.
