Минера́лы (франц. minéral, от ср.-век. лат. minera – руда), физически и химически индивидуализированные, как правило, твёрдые тела, относительно однородные по составу и свойствам, возникшие как продукт природных физико-химических процессов, протекающих на поверхности и в глубинах Земли, Луны и других космических тел; обычно являются составной частью горных пород, руд и метеоритов. Минералы – кристаллические вещества [или ранее находившиеся в кристаллическом состоянии, но утратившие его в результате метамиктного распада (метамиктные минералы)], традиционно к минералам относят и некоторые природные аморфные образования (опал, аллофан), а также немногие жидкие (самородная ртуть, амальгамы).

Кристаллы флюорита. Шахта Роджерли, Вердейл (Англия).Кристаллы флюорита. Шахта Роджерли, Вердейл (Англия).

Подавляющее большинство минералов – неорганические соединения, число кристаллических органических соединений среди минералов ничтожно мало (например, оксалаты).

Среди минералов различают минеральные виды и их разновидности. Основной таксон в минералогической номенклатуре – минеральный вид. При использовании термина «минерал», как правило, подразумевают минеральный вид. Для самостоятельного минерального вида характерны определённые химический состав и внутренняя структура. Минеральные разновидности – это вариации одного минерального вида: цветовые, морфологические, иногда по химическому составу (без изменения кристаллической структуры) или по структуре (при постоянстве состава). Модификации одинакового состава (например, алмаз – графит, кальцит – арагонит), но имеющие различные кристаллическую структуру и физические свойства, относятся к разным минеральным видам (явление полиморфизма). Для минералов, образующих непрерывные изоморфные ряды (например, оливины, вольфрамиты, колумбиты), самостоятельные названия приписываются конечным членам изоморфных серий, а видообразующим считается преобладающий химический элемент (принцип носит название «правило 50 %»).

Общее число известных минеральных видов 5780 (по состоянию на начало 2022). Ежегодно открывается несколько десятков новых минералов. Открытые минеральные виды утверждаются Комиссией по новым минералам, номенклатуре и классификации Международной минералогической ассоциации [The Commission on New Minerals, Nomenclature and Classification (CNMNC) of the International Mineralogical Association (IMA)]. Минералы называют по месту первой находки (например, везувиан), в честь известных людей (ломоносовит), по химическому составу (кальцит), цвету (лазурит), характерным свойствам [пирит (от греч. πῦρ – огонь), назван за свойство давать при ударе искры] и др.

Единичные кристаллы, зёрна и другие минеральные тела, отделённые друг от друга физическими поверхностями раздела, называют минеральными индивидами. Их размеры варьируют в широком диапазоне – от 1–100 нм (коллоидные минералы) до 10 и более м (кристаллы в пегматитах, весом до нескольких тонн).

Гигантские кристаллы селенита. Пещера кристаллов. Окрестности г. Найка (штат Чиуауа, Мексика).Гигантские кристаллы селенита. Пещера кристаллов. Окрестности г. Найка (штат Чиуауа, Мексика).Внутри минеральных индивидов во многих случаях наблюдаются фазовая неоднородность, вариации химического состава, структуры и свойств. Кристаллы минералов часто обнаруживают зональное, секториальное или блочное строение. Срастания минеральных индивидов образуют минеральный агрегат (моно- или полиминеральный).

Химический состав

В химический состав минералов входят все стабильные и долгоживущие изотопы элементов периодической системы Д. И. Менделеева, кроме инертных газов, которые могут накапливаться в структурных полостях кристаллических решёток как радиогенные продукты или вследствие захвата из внешней среды. Распространённость минералов связана с общей распространённостью химических элементов, из которых состоит минерал, и с химической активностью этих элементов. Минералообразующая роль различных элементов неодинакова. Одни из них проявляют тенденцию к образованию собственных минеральных видов и определяют основной состав минералов; другие присутствуют преимущественно в виде изоморфных примесей (т. н. рассеянные элементы – Rb, Tl, Ga, In, Ge и др.), для некоторых элементов собственные минеральные виды неизвестны. Большинство минералов – соединения переменного состава, образующие двух-, трёх- и многокомпонентные изоморфные ряды.

Химический состав минерала, тесно связанный с его кристаллической структурой, выражается химической формулой, составленной по определённым правилам. Для каждого минерального вида используется идеализированная формула, которая отражает главнейшие, повторяющиеся от индивида к индивиду особенности состава, содержит лишь элементы, присутствующие во всех без исключения индивидах данного минерала; второстепенные особенности состава в большинстве случаев игнорируются. Как правило, изоморфные группы элементов (сначала катионов, затем анионов) заключают в круглые, а также квадратные или фигурные скобки; элементы в скобках отделяют друг от друга запятыми, при этом находящиеся в бо́льшем количестве элементы пишутся на 1-м месте. Единственный катион или анион в скобки обычно не заключают. Иногда указывают валентность элемента. Если ионы в структуре минерала занимают различное положение, то в формуле они показываются раздельно. Дополнительные анионы (OH^-, F^–, Cl^– и др.) помещают после анионного радикала. В конце формулы через точку указывается кристаллогидратная вода.

Примеры написания формул: гипс – CaSO₄·2H₂O; альбит– Na(AlSi₃O₈); флогопит– KMg₃(AlSi₃O₁₀)(OH)₂; магнетит, Fe²⁺Fe³⁺₂O₄; малахит – Cu₂(CO₃)(OH)₂; нефелин – Na₃K(Al₄Si₄O₁₆).

Классификация

В современной минералогической систематике, базирующейся на кристаллохимической классификации минералов, в которой за основу принимаются в равной мере химический состав и кристаллическая структура, выделяют:

• самородные элементы и интерметаллические соединения;

• сульфиды, сульфосоли и им подобные соединения (арсениды, селениды и др.);

• галогениды (хлориды, фториды, бромиды, иодиды);

• оксиды (простые и сложные) и гидроксиды;

• кислородные соли (нитраты, карбонаты, сульфаты, хроматы, вольфраматы и молибдаты; фосфаты, арсенаты и ванадаты; бораты, силикаты);

• соли органических кислот (оксалаты и др.).

Силикаты, как наиболее многочисленный класс минералов, подразделяют по типам кристаллической решётки на островные, цепочечные, ленточные, слоистые и каркасные. Представленная классификация не является единственной и исчерпывающей и периодически модифицируется.

В земной коре резко доминируют алюмосиликаты и силикаты (особенно полевые шпаты, а также слюды, амфиболы, пироксены, глинистые минералы и др.); широко распространены оксиды (прежде всего кварц), гидроксиды, карбонаты (кальцит, доломит и др.). Минералы этих классов в сумме слагают свыше 90 % верхней части земной коры.

Полевые шпаты: микроклин. Тарбагатай (Казахстан). Горная энциклопедия. Т. 3.Полевые шпаты: микроклин. Тарбагатай (Казахстан). Горная энциклопедия. Т. 3.

Физические свойства

Химический состав и кристаллическая структура определяют физические свойства минералов. К ним относятся: плотность, оптические, механические, люминесцентные, магнитные, электрические, термические и другие свойства, радиоактивность. По плотности минералы подразделяют на лёгкие (до 2,5 г/см³), средние (2,5–4,0 г/см³), тяжёлые (4,0–8,0 г/см³) и весьма тяжёлые (свыше 8,0 г/см³). Среди оптических свойств: цвет, блеск (различают металлический, полуметаллический, алмазный, стеклянный, жирный, перламутровый, шелковистый и др.), степень прозрачности (минералы разделяют на прозрачные, полупрозрачные, просвечивающие и непрозрачные), светопреломление и отражение, плеохроизм и др. Механические свойства включают: твёрдость, упругие свойства (хрупкость, ковкость и др.), спайность (выделяют минералы с весьма совершенной, совершенной, средней и несовершенной спайностью), излом (характер поверхности раскола, произошедшего не по спайности, – ступенчатый, занозистый, раковистый и др.). Твёрдость минерала – сопротивление минерала внешнему механическому воздействию другого, более твёрдого тела; в зависимости от метода испытания различают твёрдость царапания (наиболее распространён способ царапания эталонными минералами шкалы Мооса), вдавливания, шлифования.

Металлический блеск у пирита. Размер образца 9,5 см. Берёзовское месторождение (Средний Урал, Россия). Фото: Наталья Пекова. Металлический блеск у пирита. Размер образца 9,5 см. Берёзовское месторождение (Средний Урал, Россия). Фото: Наталья Пекова.

Морфология

Форма выделения минералов зависит от его внутренней структуры и условий образования. Кристаллическая структура обусловливает принадлежность минерала к какой-либо кристаллографической сингонии и классу симметрии, которые определяют форму кристаллов. При описании внешнего вида кристаллов используют термины «облик» (описывает соотношение размеров кристаллов в различных направлениях, например, изометричный, вытянутый, уплощённый) и габитус (более детально характеризует форму кристаллов, отражая преобладание тех или иных граней простых форм – кубов, октаэдров, призм и др.). При различных условиях образования кристаллы одного и того же минерала могут иметь различный облик и габитус. Быстрая кристаллизация минералов приводит к искажению формы их кристаллов, возникновению скелетных, дендритных, нитевидных форм, сферокристаллов. Кристаллы минералов нередко несут на гранях характерную штриховку, фигуры роста и растворения. Массовая кристаллизация (например, при образовании интрузивных горных пород) создаёт обстановку стеснённого роста, и минералы образуют зёрна неправильной формы.

Кристалл галенита (штат Миссури, США).Кристалл галенита (штат Миссури, США).

Значительно чаще, чем отдельные кристаллы минералов, встречаются их сростки и агрегаты. Для кристаллов множества минералов характерны закономерные срастания: двойники (часто полисинтетические), параллельные и эпитаксические сростки и др. По морфологии минеральные агрегаты разделяются: на друзы, щётки, дендриты; зернистые, плотные и землистые массы, оолиты, сферолиты, секреции, конкреции, натёчные образования и др.

Друза кристаллов родохрозита (штат Колорадо, США). Экспонат из коллекции Национального музея естественной истории (Вашингтон, США). Смитсоновский институт.Друза кристаллов родохрозита (штат Колорадо, США). Экспонат из коллекции Национального музея естественной истории (Вашингтон, США). Смитсоновский институт.

Диагностика

Физические свойства, химический состав и морфологические особенности минералов – основа их диагностики, поисков, в ряде случаев и практического применения. Предварительная полевая диагностика минералов производится по внешним признакам, морфологии выделений, твёрдости, плотности, цвету черты (цвет минерала в порошке), блеску, побежалости, спайности, излому, люминесценции, магнитности и др.

Цвет черты минералов (слева направо): гематит, малахит, пирит. Фото: Наталья Пекова.Цвет черты минералов (слева направо): гематит, малахит, пирит. Фото: Наталья Пекова.

В лабораторных условиях проводится исследование оптических свойств минералов под микроскопом (в прозрачных шлифах, аншлифах, иммерсионных препаратах). Точная диагностика осуществляется на основе определения химического состава и кристаллической структуры минералов. В изучении минералов широко применяются такие методы, как рентгеноструктурный анализ, электронно-зондовый микроанализ, электронная микроскопия, ИК-спектроскопия, атомно-абсорбционный анализ и др.

Генезис

Понятие «генезис минералов» включает следующие характеристики: геологические условия и геохимическая обстановка возникновения минерала, фазовое состояние среды минералообразования, её физико-химические параметры (температура, давление, активность компонентов, кислородный потенциал, режим основности – кислотности и др.); механизм зарождения, роста и развития минерала, в частности способ образования (свободная кристаллизация, метасоматическое развитие, перекристаллизация, раскристаллизация гелей и др.); процессы последующего изменения и др.

Минералы возникают в различных геологических условиях и геохимических обстановках в связи с процессами магматизма, метаморфизма, метасоматоза, вулканической и гидротермальной деятельностью, с процессами осадкообразования и их последующего преобразования (диагенез, катагенез, метагенез) в коре выветривания, зоне окисления рудных месторождений и др.

В определённом участке земной коры обычно присутствуют несколько минералов, которые образуют минеральные ассоциации. Закономерно образующиеся в ходе единого процесса, ограниченного в пространстве и во времени и протекающего в определённых физико-химических условиях, ассоциации называются парагенезисом минералов (парагенетическими ассоциациями). Поскольку природные процессы протекают в условиях меняющихся температуры, давления и концентрации компонентов, то в ходе их развития одни парагенетические ассоциации минералов закономерно сменяются другими. Парагенетический анализ позволяет предсказывать нахождение минерала в той или иной ассоциации, а также выделять различные стадии процесса минералообразования. Нередко минерал встречается на месторождении в разных парагенетических ассоциациях, т. е. минерал образовался на разных стадиях формирования месторождения. Такие разновременные выделения одного и того же минерала называются генерациями.

Зарождение минерала может происходить в различных по фазовому состоянию средах: твёрдых (при метаморфизме), жидких (из расплава в процессе магматизма, из горячих водных растворов в гидротермальных условиях, из морской воды в осадочном процессе), газообразных (при вулканизме). В процессе роста минерал взаимодействует с минералообразующей средой, при этом он захватывает различные примеси, которые входят в него изоморфно или в форме механических, газово-жидких, расплавных и других включений.

При смене физико-химической обстановки (изменение температуры, увеличение давления, приток новых растворов и т. д.) иногда происходят явления механической деформации, растворение, полиморфные превращения, распад твёрдых растворов, перекристаллизация, изменение химического состава минерала и др. На каждой стадии процесса минералообразования минерал приобретает специфические типоморфные черты (см. Типоморфизм минералов).

Для определения генезиса минерала, кроме наблюдения геологических условий нахождения, парагенетического анализа, исследования включений, выявления типоморфных особенностей, проводят расчёты термодинамических характеристик и экспериментальное моделирование возможных природных процессов образования, изотопный анализ и др. Получение данных о генезисе минерала позволяет реконструировать геологические процессы и историю формирования месторождений полезных ископаемых, что создаёт научную основу для их поисков, разведки и промышленной оценки.

Применение

В технике и промышленности используется 15–20 % всех известных минеральных видов. Минералы являются рудами чёрных и цветных металлов, редких и рассеянных элементов, применяются в качестве минеральных удобрений, сырья для химической промышленности и др. Минералы широко используются при производстве красителей (минеральные краски), огнеупоров, теплоизоляторов, строительных материалов, в керамической промышленности и др. Ряд минералов являются ювелирными и поделочными камнями.

Свинцово-цинковая руда: срастание крупных зёрен и фрагментов кристаллов сфалерита и галенита. Размер образца 10 см. 2-й Советский рудник, Дальнегорск (Приморский край, Россия). Фото: Наталья Пекова.Свинцово-цинковая руда: срастание крупных зёрен и фрагментов кристаллов сфалерита и галенита. Размер образца 10 см. 2-й Советский рудник, Дальнегорск (Приморский край, Россия). Фото: Наталья Пекова.

Применение множества минералов базируется на их физических свойствах: твёрдые минералы (алмаз, корунд и др.) используются как абразивы; минералы с пьезоэлектрическими свойствами (например, кварц) – в радиоэлектронике; электроизоляционные минералы (в том числе слюды) – в электро- и радиотехнике и т. д. Образцы минералов с высокими декоративными свойствами (кристаллы, друзы и др.) обладают музейной и коллекционной ценностью, а также служат для украшения интерьеров. В широких масштабах осуществляется синтез минералов для нужд промышленности, техники и науки.