Минералогия
МИНЕРАЛОГИЯ (от
минерал и греч.
λόγος - логос, слово, учение / англ.
Mineralogy; нем.
Mineralogie; фр. Minйralogie;
ит. Mineralogнe) - наука о
минералах. Изучает состав, свойства, морфологию, особенности структуры,
процессы образования и изменения минералов, закономерности их совместного
нахождения в природе, а также условия и методы искусственного получения
(синтеза) и практического использования. Главные задачи: разработка научной
классификации минералов, выявление связей между вариациями их состава,
строения, свойств и условиями образования и нахождения в природе; создание
научных основ для поисков и оценки месторождений минерального сырья,
совершенствования технологии его переработки, вовлечения новых видов
минерального сырья в промышленное использование; разработка методов
искусственного выращивания и облагораживания кристаллов ценных минералов.
Минералогия - древнейшая из наук геологического цикла. Термин
"минералогия" введён в 1636 году итальянским натуралистом Б. Цезием.
Постепенная дифференциация минералогии в ходе развития наук привела к
отделению от неё геологии и кристаллографии (XVIII в.),
петрографии (XIX в.), учения о
полезных ископаемых, геохимии и металлогении (конец XIX в. - начало XX
в.), учения о каустобиолитах (XX в.), кристаллохимии (середина XX века). В своём развитии
минералогия наиболее тесно связана с физикой твёрдого тела и химией; методы
и теоретическая концепция этих наук особенно интенсивно внедряются в
современной минералогии с 50-х гг. XX в. Объекты исследования в
минералогии - минеральные индивиды, агрегаты, парагенезисы и ассоциации.
Современная минералогия включает ряд основных
направлений. Описательная минералогия
охватывает весь круг вопросов, относящихся к характеристике отдельных
минералов: их конституции, физических свойств, морфологии выделений.
Описательная минералогия занимается также вопросами систематики и
классификации минералов, устанавливает вариации их химического состава,
изучает зависимости между физическими свойствами минералов и особенностями
их состава или кристаллической структуры. Самостоятельный раздел
описательной минералогии - физика минералов, использующая методы физики
твёрдого тела при исследовании реальных кристаллов минералов. Особый раздел
описательной минералогии - минераграфия, занимающаяся изучением рудных
минералов с применением специфических методов исследования (оптики
отражённого света, микрохимических реакций и др.).
Генетическая минералогия
выясняет условия, процессы и способы образования и изменения минералов в
природе. Различают несколько самостоятельных разделов: учение о типоморфизме
минералов, связывающее особенности морфологии, состава, структуры и
физических свойств минералов с геологическими и физико-химическими условиями
их формирования (учение о типоморфизме распространяется и на минеральные
ассоциации); термобаро-геохимию (исследование твердофазных и газово-жидких включений в
минералах), дающую информацию о химизме минералообразующей среды и
физико-химических параметрах (температура, давление, pH,
окислительно-восстановительные условия); изотопические исследования,
помогающие вскрыть источник вещества при минералообразовании; трифогенезис,
рассматривающий способ питания минералов и их агрегатов в процессе
образования; топогенез, охватывающий закономерности распределения минералов
в пространстве и механизмы формирования различных типов минералогической
зональности; парагенетический анализ как метод изучения эволюции процессов
минералообразования путём выявления последовательно сменяющих друг друга во
времени и пространстве минеральных парагенезисов и закономерностей,
управляющих этой сменой; учение о сосуществующих минералах, базирующееся на
принципе фазового соответствия, который позволяет (исходя из предпосылки о
равновесности процессов формирования парагенезисов) использовать
сосуществующие минералы как геотермометры и геобарометры; энергетические и
термодинамические расчёты в минералогии, дающие возможность оценивать
кислотно-основные свойства минеральных фаз и вероятную последовательность их
возникновения, т.е. судить о физико-химических тенденциях процессов
минералообразования; онтогенический и
кристалломорфологический анализ, расшифровывающий историю и механизм
образования минеральных индивидов и агрегатов.
Онтогения (онтогенез) минералов - раздел
генетической минералогии, посвященный изучению генезиса минеральных
индивидов и агрегатов, их общему или индивидуальному
развитию, включая возникновение (зарождение), рост и агрегацию на разных
уровнях (формирование агрегатов), взаимодействия при росте и изменение
вплоть до разрушения или полного исчезновения (растворения).
С позиций современной генетической минералогии,
включающей онтогению и филогению минералов, минерал в особенностях своего
состава (в т.ч. состава микропримесей), тонких деталях структуры,
микрогетерогенности, вариациях физических свойств несёт богатую информацию о
своём происхождении и позднейшем изменении, расшифровка которой становится
возможной лишь с применением новейших физических, физико-химических и
кристаллохимических методов исследования.
Экспериментальная
минералогия примыкает к генетической минералогии и дополняет
её лабораторным моделированием природных процессов минералообразования и
изучением физико-химических систем, воспроизводящих (обычно с известными
упрощениями) природные минеральные парагенезисы и обстановку их
формирования. Самостоятельный раздел экспериментальной минералогии, близкий
к ней в методическом отношении, - синтез и облагораживание минералов,
имеющих многообразное применение в ювелирном деле и технике (алмаз,
пьезокварц, оптический флюорит, слюда, рубин, сапфир, гранаты, аметист,
изумруд, малахит, опал и др.).
Региональная минералогия
и топоминералогия осуществляют
минералогическое изучение отдельных участков и территорий - от конкретных
рудных месторождений до крупных геологических (рудных, металлогенических)
провинций или экономико-географических регионов. Основная задача
региональной минералогии - выявление закономерностей пространственного
распределения и локализации минералов и минеральных ассоциаций в связи с
геологической историей развития провинции (региона) или формирования
месторождения. Региональная минералогия непосредственно связывает
минералогию с металлогенией и минерагенией.
Топоминералогия рассматривается
как самостоятельное научное направление современной минералогии, изучающее
закономерности формирования и распределения минералов в различных
геологических системах (Юшкин Н.П., 1982)
Минералогия космических тел (Луны и планет, а также
метеоритов) - новая область минералогии, существенно расширяющая сферу её
интересов и связывающая минералогию с быстро развивающейся сравнительной
планетологией.
Астроминералогия (Astromineralogy) - одно из перспективных направлений
современной минералогии, возникшее на стыке минералогии, физики и
астрономии. Астроминералогия занимается изучением минералов и минерального
состава астероидов, метеоров и других небесных тел, а также астрономической
спектроскопией астероидов, комет, метеоров и пыли околозвёздной среды в
целом. С другой стороны, в кристаллах минералов и толщах пород фиксируются и на
протяжении миллиардов лет геологической истории сохраняются признаки,
характеризующие не только эволюцию планеты Земля, но и её взаимодействие с
космосом, с другими небесными объектами и космическими явлениями (Жабин,
1982).
Прикладная минералогия в её современном понимании включает три главных
раздела. Поисковая минералогия опирается на учение о типоморфизме минералов
и минералах-индикаторах оруденения. Она ставит перед собой задачу повышения
эффективности геологоразведочных работ путём выявления новых
минералогических поисковых и прогнозно-оценочных критериев,
совершенствования минералогических методов поисков и оценки перспектив
оруденения, разработки научных основ комплексирования минералогических
методов поисков с геохимическими и геофизическими методами.
Технологическая
минералогия направлена на интенсификацию использования минер, сырья, т.е. на
повышение полноты и комплексности его использования. Она охватывает:
минералогическое и минералого-технологическое картирование рудных полей и
месторождений полезных ископаемых с целью оценки запасов полезных
компонентов (в т.ч. попутных) в извлекаемой минеральной форме,
технологические прогнозирования, планирования добычи и стабилизации
минерального состава руды, поступающей на обогатительную фабрику; изучение
технологических свойств минералов, слагающих руды (электрических, магнитных,
плотностных, поверхностных, ионообменных, гранулометрии и морфологии рудных
минералов, их тонких структурных особенностей, растворимости в воде и в
водных растворах электролитов при различных значениях pH и т.д.); разработку
методов направленного изменения состава, структуры и свойств минералов путём
радиационного, термического (обжиг), акустического (ультразвук) и прочих
воздействий с целью повышения извлечения полезных компонентов при обогащении
и сортности концентратов, а также улучшения их вскрытия при
химико-металлургическом переделе; текущий минералогический контроль состава
концентратов на действующих горно-металлургических предприятиях и разработку
рекомендаций по оптимизации технологических режимов передела концентратов с
целью повышения сквозного извлечения конечных продуктов в металлургическом
процессе. Минералогия новых видов сырья занимается выявлением особенностей
состава и свойств минералов, пока не нашедших практического применения,
которые могут представить интерес для промышленности, а также возможных
областей использования этих минералов и их распространённости в природе с
целью вовлечения новых минералов в промышленное освоение и расширения сфер
применения уже известных видов минерального сырья.
Помимо традиционных методов полевого и лабораторного определения и анализа
минералов, а также давно вошедших в минералогическую практику оптического,
рентгенографического, и термического методов, минералогия вооружена
разнообразными прецизионными физическими методами исследования, такими, как
просвечивающая электронная микроскопия (растровая и сканирующая), электроно-
и нейтронография, электронно-зондовый (микрорентгено-спектральный) и
локальный спектральный (лазерный) анализ, магнетохимия, магнитостатические
(метод Фарадея) и термомагнитные измерения, электрофизические методы
(определение диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических
потерь и термо-эдс), серия спектроскопических методов (оптическая,
люминесцентная, ИК-спектроскопия), группа резонансных методов: ЯГР (мёссбауэровская
спектроскопия), ЭПР (электронный парамагнитный резонанс), ЯМР (ядерный
магнитный резонанс) и другие радиоспектроскопии, методы, позволяющие
вскрывать весьма тонкие особенности кристаллической структуры минералов,
наличие в них точечных дефектов и т.д. Всё шире используются в минералогии
изотопические методы, методы термобарогеохимии с анализом состава жидкой и
газовой фаз включений и привлечением спектроскопии комбинационного рассеяния
к исследованию состава минералообразующих сред по индивидуальным включениям.
Определение палеотемператур и давлений производится также по составу
сосуществующих минералов. Интенсивно развиваются методы количественного
фазового анализа в минералогии. Создана, и всё шире применяется в
минералогии разнообразная аппаратура для выделения и изучения
высокодисперсных минералов.
Исторический очерк
Минералогия возникла в глубокой древности.
Развитие минералогии шло параллельно с развитием горного дела и металлургии.
Элементы минералогических знаний встречаются у античных натурфилософов с
середины IV века до н.э. Аристотель различал в минеральном мире 2 класса тел
- камни и руды. Его ученик Теофраст в специальном трактате "О камнях" (около
315 до н.э.) выделял 3 класса - металлы, камни (обыкновенные и драгоценные)
и земли. Всего им упоминается 73 названия минеральных тел, в т.ч. 32
минерала. В I в. н.э. древнеримскому натуралисту Плинию Старшему был
известен 41 минерал; в последних 5 книгах своей "Естественной истории" он
рассматривает металлы, руды, камни, драгоценные и поделочные камни.
В средние века на развитие минералогии оказывали значительное
влияние алхимия и медицина. В раннем средневековье наибольший вклад в
минералогию внесли учёные Востока - Бируни (973-1048) и Ибн Сина (980-1037).
Первый описал около 100 минеральных веществ (среди них 36 минералов), второй
- дал их новую классификацию, выделив 4 класса: камни, плавкие тела (т. е.
металлы), горючие тела ("серы") и соли (тела, растворимые в воде). В
средневековой Европе минералогическими исследованиями занимались главным
образом алхимики. Один из них - Альберт Великий - опубликовал в XIII веке
(после 1262) специальный трактат "De Mineralibus" - полный свод знаний той
эпохи об объектах минерального царства. В средневековых европейских
лапидариях вплоть до IV-XVI вв. упоминалось не более 50-60 минералов, хотя
общее число рассматриваемых минеральных образований постепенно росло. У
истоков научной минералогии стоит Г. Агрикола; в его трактатах приведены
названия свыше 100 минеральных тел, систематизированных в соответствии с
новой классификацией, представляющей дальнейшее развитие классификации Ибн
Сины. В ней простые тела, т.е. минералы, подразделяются на земли, камни,
металлы и "загустевшие соки", жирные и тощие. В XVII в. трудами датских (Э. Бартолин, Н. Стено),
английских (Р. Бойль, Р. Гук), голландских (Х. Гюйгенс) учёных были заложены
основы геометрической кристаллографии и кристаллооптики, что способствовало
в дальнейшем быстрому прогрессу минералогии. Новый этап в её развитии
начался в XVIII - начале XIX вв., когда
работы французского кристаллографа Ж. Б. Роме де Лиля, выполнившего точные
измерения межгранных углов на кристаллах ряда минералов (1783), и Р. Ж. Аюи
(Гаюи), создавшего первую научную модель их внутреннего строения ("Трактат о
минералогии", 1801), а также английского химика и кристаллографа У.
Волластона (1766-1828) стимулировали оформление кристалломорфологического
направления в описательной минералогии. В те же годы в Германии А. Г. Вернер
(1749-1817) и его ученики активно развивали в минералогии
качественно-описательное (физиографическое) направление. Вернер, отделивший
геологию от минералогии, впервые чётко разграничил минералы и горные породы,
введя понятие о минерале, в основном чертах близкое к современным
представлениям. Выдающуюся роль в становлении минералогии как науки сыграли
русские учёные IVIII - начала XIX вв., особенно М. В. Ломоносов и В. М.
Севергин. Идеи Ломоносова в области минералогии и кристаллографии (например,
в вопросе о внутреннем строении кристаллов) далеко опередили своё время.
Замечательный минералог и химик В. М. Севергин стал первым и крупнейшим в
России представителем вернеровского физиографического направления в
минералогии. Им описано несколько новых минералов, созданы фундаментальные
обобщающие труды по минералогии, чётко сформулированы задачи минералогии и
дано определение минералогии как науки. Ломоносов и Севергин наряду с их
западноевропейскими современниками - шведами И. Г. Валериусом (1747), А.
Кронштедтом (1758) и Й. Я. Берцелиусом (1814), французами А. Лавуазье
(1743-94) и Л. Вокленом (1763-1829), немецкими учёными минералогии Г.
Клапротом (1743-1817) и И. Ф. А. Брейтгауптом (1791-1873) положили начало
развитию химического направления в минералогии.
XIX век в истории минералогии ознаменован быстрым накоплением фактического
материала, резким расширением числа минералов, дальнейшей дифференциацией
минералогии и ответвлением от неё ряда самостоятельных наук. В этот период
складываются такие основополагающие понятия минералогии, как полиморфизм,
изоморфизм, псевдоморфозы, парагенезис, типоморфизм минералов и др. На
протяжении XIX - начала XX вв. в минералогии, носившей преимущественно
описательный характер, параллельно развиваются кристаллографические
(кристалломорфологические) и химические направления. В России становление
первого из них связано с именами Н. И. Кокшарова, П. В. Еремеева, М. А.
Толстопятова и особенно Е. С. Фёдорова, а развитие второго направления - с
именами В. В. Докучаева, П. А. Земятченского, но особенно В. И. Вернадского
и А. Е. Ферсмана. В связи с рентгенографическими работами У. Г. и У. Л.
Брэггов и Г. В. Вульфа (1915) в развитии минералогии начинается новый
период. Первые сводки полученных результатов по расшифровке кристаллических
структур минералов появились в 1930-х гг. (Р. Уайкофф, 1931-35; У. Л. Брэгг,
1937). В развитие кристаллохим. исследований существенный вклад внесли также
Г. В. Вульф, Л. Полинг, Э. Шибольд, У. Г. Тейлор, Ф. Лавес, У. Захариасен,
Н. В. Белов и др. На основе этих исследований стало возможным построить
общую теорию кристаллической структуры минералов, по-новому рассмотреть
проблемы изоморфизма, энергетики кристаллов, подойти к структурной
интерпретации физических свойств минералов и дать их кристаллохимическую
классификацию. Хотя кристаллография и кристаллохимия формально обособились
от минералогии, но связь их с минералогией по-прежнему очень прочна:
фактически обе они насквозь пронизывают всю современную минералогии,
составляя её теоретическую базу. Одновременно в XX веке в минералогии
активизировались экспериментальные и физико-химические направления; решающее
влияние на них оказало учение о правиле фаз, приспособленное норвежским
химиком В. М. Гольдшмидтом и советским геологом Д. С. Коржинским к анализу
процессов минералообразования.
В современной минералогии происходит синтез её исторически сложившихся,
ранее автономных направлений. Так, слияние кристаллографического направления
в минералогии с химическим послужило основой возникновения учения о
конституции минералов (Д.П. Григорьев, А.С. Поваренных). С другой стороны,
проникновение в минералогию методов физики твёрдого тела, расширяющих
возможности изучения и интерпретации внутреннего строения и свойств
минералов, позволяет извлекать заключённую в них генетическую информацию,
что приводит к синтезу описательного и генетического направлений в
минералогии.
Потребности бурно развивающейся с первых лет Советской власти
горнодобывающей промышленности и соответственно геологоразведочной службы, с
которыми тесно связана минералогия, в сочетании с плановым подходом к
организации науки предопределили ускоренный рост в бывшем CCCP минералогических
центров и стимулировали широкомасштабные топоминералогические исследования
всей страны. Этими исследованиями в 1920-х - 30-х гг. руководили крупнейшие
советские геологи А.Е. Ферсман, Д.И. Щербаков, Н.М. Федоровский, С.С.
Смирнов, Н.А. Смольянинов и др. В результате было открыто и освоено
множество месторождений и горнорудных районов (Кольский полуостров,
KMA,
северо-восток CCCP, Средняя Азия, Северный Кавказ, Приморье, Центральный
Казахстан и др.), получен новый минералогический материал, ставший основой
для глубоких теоретических, кристаллохимических и геохимических обобщений.
Одновременно это ускорило развитие прикладной минералогии, привело к
вовлечению в промышленное освоение новых видов минерального сырья (апатита,
нефелина, лопарита, пирохлора, кианита, фенакита, бертрандита и др.), к
выявлению новых областей практического использования минералов. Быстрыми
темпами стала развиваться генетическая минералогия, особенно применительно к
изучению рудных месторождений. Открыта и исследована
кристалломорфологическая эволюция минералов, послужившая основой для
разработки новых методов поисков и оценки месторождений полезных ископаемых
(Д.П. Григорьев, И.И. Шафрановский, И.Н. Костов, Н.П. Юшкин и др.).
Значительные успехи достигнуты в области промышленного синтеза минералов и
геммологии. Большое развитие в Pоссии получила прикладная минералогия,
основоположниками которой были Н.М. Федоровский и А.И. Гинзбург. Особое
внимание уделяется развитию технологической минералогии.
Со второй половины XX в. и особенно бурно в
начале XXI в. усилиями прежде всего Российских учёных акад. Н.П. Юшкина, чл-корр. РАН А.М. Асхабова
и ряда других исследователей успешно развивается наноминералогия, рассматривающая
структурно-морфологические особенности, конституционную
специфику и разнообразие минеральных наноструктур и наноиндивидов, анализирующая
формы существования и кластерную самоорганизацию вещества на наноуровне, генезис
минеральных микро- и наноструктур.
Конец XX - начало XXI вв. ознаменовались
также бурным развитием органической минералогии
и биоминералогии.
Биоминералогия - учение о преобразовании минералов, протекающем в
геологической среде с разнообразным участием живых организмов. Минералы
находятся не только в недрах Земли, но и во всём живом на планете, включая
человека. При этом в качестве биоминералов рассматриваются те минералы,
кристаллизация которых происходит с участием живых организмов. Понятие "биоминерал"
не может быть относимо к тому или иному минеральному виду в целом, но только
к тем его индивидам или агрегатам, которые непосредственно были включены в
биологические циклы при своём образовании. В рамках этих новых направлений
минералогии изучается широкий круг биогенных объектов, являющихся как
минералами органического происхождения, так и органо-минеральными и органическими субстанциями (жемчуг,
янтарь, перламутр, угли и твёрдые битумы, шунгиты и антраксолиты).
Органическая минералогия имеет дело и с минеральными продуктами
жизнедеятельности животных и человека (почечные, желчные и др. камни,
костные образования и тд.). Несмотря на то, что многие такие объекты не являются
минералами в строгом смысле слова, применение в их исследовании
минералогических методик и подходов оказалось весьма плодотворным.
Минералогические исследования в Pоссии проводятся институтами PАН, вузами, НИИ и объединениями
системы Министерства геологии Pоссии и других ведомств. Основные работы в области
минералогии ведутся в Москве (ИГЕМ, Минералогический музей им. А.Е. Ферсмана РАН, ГИН, МГУ,
ВИМС, ИМГРЭ, МГРУ (бывш. МГРИ), Институт экспериментальной минералогии - ИЭМ, ЦНИГРИ,
ВНИИСИМС, Гиредмет, ГИГХС и др.), Санкт-Петербурге (Санкт-Петербургский Государственный
Горный Институт (СПбГУ), ВСЕГЕИ, МЕХАНОБР и др.), Сыктывкаре (Институт геологии Коми НЦ УрО РАН),
Апатитах (Геологический институт), Екатеринбурге (Уральский государственный горный
университет), Миассе (Институт минералогии УрО РАН, Ильменский заповедник), Казани
(Геологический факультет КГУ, ВНИИГеолнеруд), Новосибирске (ИГГ, Геолого-геофизический
факультет НГУ), Иркутске (ИГХ), Хабаровске (ДВИМС), Владивостоке (ДВГИ).
Большую работу по пропаганде и внедрению достижений минералогии проводят
минералогические общества, существующие в Pоссии (РМО) и за рубежом: Франция, Германия,
скандинавские страны, Италия, Швейцария, Испания, Великобритания, США, Канада, Бразилия, Индия,
Япония и др.). Эти общества объединены в Европейский минералогический союз (EMU) и Международную
минералогическую ассоциацию (IMA), съезды которой собираются каждые 4 года. Значительная роль
в распространении и популяризации минералогических знаний принадлежит минералогическим
музеям (в Pоссии крупнейший - Минералогический музей им. А.Е.Ферсмана PАН, а также
Государственный геологический музей им. В.И. Вернадского (ГГМ) в Москве, и Горный музей в
Санкт-Петербурге).
--------------------------------------------
Также на сайте:
• Формы нахождения минералов
в природе
• Очерки по региональной минералогии
•
Астроминералогия
