Страницы Список страниц 1 2 3 4 5 · · ·  21

ВВЕДЕНИЕ В МИНЕРАЛОГИЮ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МИНЕРАЛОГИИ, КРИСТАЛЛОГРАФИИ И ДРУГИХ СМЕЖНЫХ РАЗДЕЛАХ НАУКИ ГЕОЛОГИИ

Наружная оболочка земного шара — земная кора — изучается различными науками, объединенными под общим названием геология. В состав геологии входит ряд разделов, превратившихся в настоящее время в самостоятельные отрасли знаний. Главнейшие науки, изучающие Землю: минералогия — наука о природных химических соединениях — минералах; кристаллография — наука о кристаллах и кристаллическом состоянии вещества; петрография и литология — науки о горных породах, слагающих земную кору; геохимия — наука о химическом составе Земли и законах распределения, сочетания и движения химических элементов (атомов) в земной коре при различных природных процессах; геофизика — наука о физических явлениях и процессах, протекающих в различных оболочках земного шара: геоморфология— наука об образовании и развитии форм земной поверхности (рельефа); гидрогеология — наука о подземных водах, их происхождении, распределении в земной коре, химической и механической деятельности в недрах Земли; геология четвертичных отложений, изучающая новейшие геологические образования, возникшие сравнительно недавно и залегающие в поверхностных слоях Земли; учение о полезных ископаемых и ряд других наук, тесно связанных с указанными выше, взаимно дополняют друг друга и в целом составляют науку геологию.

Место минералогии и кристаллографии среди других родственных ей наук иллюстрируется схемой:

Геохимия                           Петрография               Учение о полезных ископаемых

        |                                                     |                                                       |

Химия                                Минералогия                                  Геология

       ↓                                                   |

Кристаллохимия

                                   ↘

                                        Кристаллография

                                ↙                                                    ↘ 

                                                                                       Кристаллофизика

                                                                                                             ↓

Математика                                                                           Физика

Существует ряд других разделов геологии, которые имеют большое значение в познании строения и развития Земли и земной коры, в восстановлении физико-географических условий древних геологических эпох.

Геотектоника

Наука о структурах земной коры, их происхождении и развитии, о закономерностях тектонических движений; палеогеография, рассматривающая древние физико-географические условия; стратиграфия — наука о последовательности накопления осадочных толщ горных пород: палеонтология — наука о древних вымерших животных и растительных организмах, населявших Землю в прошедшие геологические эпохи; вулканология, изучающая процессы вулканизма. Данные стратиграфии, палеонтологии, исторической тектоники, палеогеографии и других наук используются в процессе преподавания исторической геологии.

Земная кора состоит из различных горных пород. Каждая горная порода слагается одним или несколькими минералами. В повседневной жизни мы встречаемся с самыми разнообразными минералами и горными породами, используемыми в различных отраслях народного хозяйства: в промышленности и строительстве, в ювелирном деле и сельском хозяйстве.

Даже не изучая геологию, не зная названия минералов, нельзя не любоваться красивыми узорами и оттенками декоративных камней, применяемых при облицовке различных строений. В оформлении метрополитена можно увидеть белоснежный и сургучно-красный мрамор, пестроцветные уральские яшмы, красивые красные и серые крупнозернистые граниты, изумрудно-зеленые змеевики и листвениты, ярко-зеленый малахит с кружевными узорами, вишнево-розовый орлец, или родонит, медово-желтые ониксы и другие поделочные и облицовочные камни.

Многие из этих камней известны только в нашей стране, как, например, родонит. Нигде, кроме Советского Союза, нет сказочного камня малахита, густого по тону темно-зеленого нефрита и пестроцветных яшм.
Всем знаком красивый серый камень лабрадорит с яркими синими иногда сине-зелеными и голубыми мерцающими переливами, из которого высечена плита над входом в Мавзолей В. И. Ленина на Красной площади.
Разнообразные камни используются в ювелирной промышленности: алмазы, рубины, сапфиры, гранаты и др. Прекрасны по своей окраске нежно-голубой аквамарин, ярко-зеленый изумруд и кроваво-красный рубин.

Некоторые драгоценные камни имеют различную окраску при дневном ;и электрическом освещении. Так, александрит при естественном солнечном свете темно-зеленый, при искусственном — малиново-красный с фиолетовым оттенком.
Роль минералов и горных пород в практической жизни человека огромна. Велико значение разнообразных полезных ископаемых: угля, нефти, торфа, руд ценных Металлов свинца, цинка, молибдена, вольфрама, олова и др. Незаменимы апатит и фосфориты, калийные соли—это камни плодородия, без которых не может успешно развиваться сельское хозяйство.
В природе известно более 2500 минералов. Они разнообразны по сдоим свойствам, строению и происхождению. Одни минералы твердые и непрозрачные, как сталь, другие легкие и пропускают свет, как стекло, а третьи — легко ломаются и царапаются ногтем. Для того чтобы распознавать минералы и уверенно их определять, мы познакомимся с минералогией — наукой о минералах, и кристаллографией — наукой о кристаллах и кристаллическом состоянии вещества, так как большинство природных минералов имеет кристаллическое строение.

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ МИНЕРАЛОГИИ И КРИСТАЛЛОГРАФИИ

Минералогия

Самая древняя геологическая наука. Старинный термин minera (лат.) обозначает штуф, кусок руды. Еще в глубокой древности, на заре развития человеческого общества, появилась необходимость использования людьми ряда камней — минералов и минеральных агрегатов в качестве орудий труда, руды — для изготовления оружия в борьбе с врагами, а позднее — для хозяйственных и культурных нужд.
О времени зарождения минералогии, являющейся составной частью учения о полезных ископаемых, говорят находки медных изделий, обнаруженных в Египте и Передней Азии в IV тыс. до н. э. Золото стало известно людям еще раньше. К. Маркс считает золото первым металлом, открытым человеком.
С разработкой руд возникла необходимость распознавания и изучения минералов и различных полезных ископаемых. Так зародилась наука минералогия.
Наиболее раннее упоминание о минералах имеется в труде китайского ученого Сан Хейдина «Древнее сказание о горах и людях» (500 г. до и. э.). В манускрипте упоминается 17 минералов, главным образом самородных металлов.
Археологические исследования показали, что в палеолите первобытный человек знал около 20 минералов, в неолите их количество увеличилось до 40. В история развития человеческого общества знакомство людей с различными металлами обусловило переход от каменных изделий к культуре меди, бронзы и железа.
Одной из первых специальных работ по минералогии был трактат «О камнях» греческого философа Теофраста (372—287 гг. до н. э.). В нем он описывал несколько десятков минералов и минеральных веществ, подразделив их на металлы, камни и земли. В труде приводятся данные о свойствах минералов, способах их извлечения, обработки и применения. Описаны также известные месторождения этих минералов.

Римский ученый Плиний-старший, погибший при извержении Везувия в 79 г. н. э., приводит интересные сведения о всех известных к тому времени минералах в четырех трактатах.
Значительные успехи в развитии минералогии были достигнуты на Востоке в X—XI вв. Большой вклад в минералогию внес среднеазиатский ученый, врач, философ Абу Али Ибн-Сина (Авиценна, 980—1037). Авиценна создал первую классификацию минеральных тел, общепринятую в Европе до конца XVIII в. Он написал сочинение «Книга исцеления», где изложены основы естествознания. Все минералы Авиценна подразделил на четыре группы: камни и земли, серные минералы, металлы, соли. В книге дается характеристика минералов и указывается их происхождение.

Ученый из Хорезма Ал-Бируни (972—1048) вошел в историю минералогии как первый ученый, использовавший точные физические константы в описании драгоценных камней и металлов. Он написал труд под названием «Собрание сводок для познания драгоценностей», где приводится описание 36 минералов, включая органические соединения (жемчуг, камни .мускусных животных) и искусственные камни (стекло, эмаль, фарфор), а также 12 металлов (в том числе и некоторые сплавы).

В дальнейший период развития минералогии от Ал-Бируни до XVIII в. значительный вклад в развитие науки сделал чешский ученый Георгий Бауэр (1494—1555), известный под именем Агрикола. Занимаясь изучением условий залегания рудных тел и горной практикой, Агрикола обобщил большой фактический материал. Он написал несколько трудов: «О природе ископаемых» (1546), «О происхождении минералов» (1546), «О горном деле» (1550) и др. Его работы представляли полную сводку всех имевшихся в то время данных по минерало-гии, геологии, рудному делу и металлургии.

Агрикола впервые четко разделил минералы и гор-ные породы. Среди минералов он выделяет земли, соли, драгоценные камни, металлы и прочие минералы. Особое внимание в своих работах Агрикола уделяет характеристике диагностических свойств минералов: морфологии, твердости, цвету, спайности, блеску и т. д.
Крупный ученый эпохи Возрождения Леонардо да Винчи в 1502 г. опубликовал минералогический трактат, где приводит описание ряда минералов и их свойств: твердости, удельного веса, степени прозрачности, формы и др. В своей работе Леонардо да Винчи дает советы, как отличать настоящие драгоценные камни от поддельных.

В XV—XVII вв. получает мощное развитие капиталистический способ производства, приведший к повышению темпов разведки и добычи полезных ископаемых. К этому периоду относится становление минералогии как науки. Впервые термин «минералогия» употребил в 1636 г. итальянский ученый Бернард Цезий применительно к науке о полезных ископаемых.

XVII век характеризуется дальнейшим накоплением фактического материала по рудам и различным минералам. Естествознание в этот период носит описательный характер. Наряду с этим появляются работы, вносящие новый вклад в развитие минералогии. В конце XVII в. профессор Копенгагенского университета Эразм Бартолин (1625—1698) обнаруживает двойное лучепреломление в исландском шпате и способность его при ударе раскалываться на одинаковые многогранники (свойство спайности), а его соотечественник Нильс Стеной (1636—1687) открывает на кристаллах кварца и гематита закон постоянства гранных углов (1669), закладывая основы ноной науки кристаллографии.

Интересно отметить, что открытия Э. Бартолина не были признаны при его жизни. Назначенная Английским королевским обществом проверочная комиссия, куда входили такие известные ученые, как Ньютон, Гук, Бойль и др., сочла обнаруженные явления случайными, а законы — несуществующими.
Бурное развитие промышленного капитализма в XVII-ХIХ вв. стимулирует значительный рост многих отраслей науки и промышленности. Получают мощный толчок такие науки, как физика и химия, которые, в свою очередь, определяют ускоренное развитие минералогии и возникновение кристаллографии.

Впервые термин «кристаллография» был предложен для названия «науки о кристаллах» швейцарским ученым М. Капеллером в 1723 г.
Основоположником минералогии в России по праву считают М. В. Ломоносова (1711 —1765). Широко известны труды Ломоносова: «О слоях земных» (1757), «Слово о рождении металлов от трясения земли» (1757), «Первые основания металлургии или рудных тел» (1763). В работах Ломоносова отражаются его материалистические взгляды на геологические процессы, на строение кристаллического вещества, на генезис минералов и даются конкретные рекомендации горщикам и рудознатцам — исследователям минеральных богатств.

Ломоносов составил (1745) первый русский каталог минералов, собранных в коллекции Академии наук, начало которой было заложено Петром I в его знаменитой кунсткамере. Ломоносов, развивая закон постоянства гранных углов кристаллов, сформулированный Н. Сте-ноном, связал его с внутренним строением селитры (1749). К этому же периоду относится составление классификации минералов как химических соединений шведским химиком А. Кронштедтом (1722—1765). Для изучения минералов он использует метод паяльной трубки.
В XVIII в. минералогия получает свое дальнейшее развитие. В России в этот период углубляются минералогические работы в Академии наук и Московском университете, основанном в 1755 г. Ломоносовым. Следует отметить заслуги акад. К. Г. Лаксмана (1737—1796) и его ученика Ф. П. Моисеенко (1754—1781) в развитии минералогии.

На Западе в это время наблюдается расцвет так называемой «естественноисторической» школы профессора Фрейбергской горной академии А. Г. Вернера (1750— 1817). Вернер создал новую классификацию минералов, основывающуюся на внешних признаках минералов. Его ученик, австрийский минералог Фридрих Мосс (1773— 1839) составил 10-балльную шкалу твердости минералов. С именем А. Г. Вернера связано выделение из мине- ралогии геогнозии (так именовалась ранее геология), кристаллографии и, несколько позже, петрографии и палеонтологии.

Значительный вклад в развитие минералогии внес русский академик В. М. Севергнн (1765—1826). Он осуществил замысел своего предшественника и учителя Ломоносова но зданию минералогического описания России. Севергин написал ряд работ по минералогии. Главнейшие из них: «Опыт минералогического землеописания Государства Российского», «Подробный словарь минералогический», «Первые основания минералогии или естественной история тел», «Новая система минералов, основанная на наружных отличительных признаках». Севергин в приводимой классификации минералов пытается применить химические принципы. Он впервые вводит понятие о парагенезисе минералов, употребляя термин «смежность минералов».

Конец XVIII и XIX вв. характеризуется бурным развитием горной промышленности как в России, так и за рубежом. В 1773 г. в Петербурге создается Горное училище (теперь — Горный институт). В 1817 г. основывается «Минералогическое общество», а в 1819 г. — университет.
Большие исследования проводит минералогическая школа Горного училища, созданная Д. И. Соколовым (1788—1852), последователем Севергина. Соколов считает химический состав главным фактором, определяющим все свойства минералов.

Продолжавшиеся исследования в области строения кристаллов позволили французскому ученому Ж. Б. Ро-мэ де Лилю (1736—1790) сформулировать закон постоянства гранных углов для всех кристаллов в работе «Опыт кристаллографии» (1772). Позднее, в 1783 г., им был опубликован трактат «Кристаллография, или описание форм, присущих всем телам минерального царства». Это были первые крупные работы по кристаллографии.
В XIX в. происходит развитие главным образом описательной минералогии. Минералогия окончательно становится наукой о минералах. В минералогии развивается два направления: кристаллографическое, базирующееся на изучении геометрических форм кристаллов, и химическое, основывающееся на исследовании химического состава минералов.

Представителями кристаллографического направления в минералогии были: во Франции Р. Ж. Гаюи (1743— 1822), О. Бравэ (1811 — 1863); в Германии — X. С. Вейс (1780—1856); в Англии -У. X. Миллер (1801 — 1880); в России — Н. И. Кокшаров (1818—1892), А. В. Гадолин (1828—1892), П. В. Еремеев (1830—1899).
В 1831 г. в Лейпциге была издана книга немецкого минералога И. Гесселя «Кристалл», где был приведен полный вывод всех групп симметрии конечных фигур. Работа была написана тяжелым языком, со многими опечатками и не привлекла к себе внимания современников. В 1862 г. Гессель опубликовал статью о выводе 32 групп кристаллографической симметрии, которая также осталась незамеченной.

В 1867 г. Гадолиным были выведены независимо от Гесселя чисто теоретически 32 вида симметрии кристаллов и разработаны математические основы кристаллографии. Им была написана работа «Вывод всех кристаллографических систем и их подразделений из одного начала» (1867). Выводы Гадолина были приняты кристаллографами всего мира и используются без существенных изменений до сих пор.
Известный русский минералог Кокшаров опубликовал 11-томный труд «Материалы для минералогии России». Кокшаров и Еремеев возглавляли в Петербурге Российское Минералогическое общество и преподавали в Горном институте. Еремеев был редактором 22 томов записок Минералогического общества и 14 томов «Материалов для геологии России».
Химическое направление разрабатывалось шведским ученым И. Я. Берцелиусом (1779—1848), немецкими учеными Э. Митчерлихом (1794—1863), П. Гротом (1843— 1927), профессором Венского университета Г. Чермаком (1836—1927). Работы ученых данного направления помогли установить точный химический состав многих минералов и разработать методику химического анализа.

Современное развитие кристаллографии и минералогии началось с конца XIX в. Начало этому положили работы Е. С. Федорова (1853—1919) о законах построения кристаллов. В 1890 г. Федоров установил 230 возможных пространственных групп или способов расположения атомов в кристаллах. К такому же открытию пришел в 1891 г. немецкий кристаллограф А. Шенфлис. Этот вывод был практически подтвержден М. Лауэ в 1912 г. после открытия рентгеновских лучей.
В течение многих лет Федоров занимался вопросами взаимозависимости внутреннего строения кристаллов с их химическим составом и свойствами. Им был написан ряд ценных работ: «Симметрия правильных фигур» (1893), «Теодолитный метод в минералогии и кристалло-графии» (1893), «Курс кристаллографии» (1897), «Основания петрографии» (1897) и др.

Федоров изобрел теодолитный гониометр и универ-сальный столик, известный под названием «федоровского столика». Эти изобретения стимулировали дальнейшее развитие кристаллографии и минералогии: первое позволило точно установить пространственное расположение граней кристалла, второе послужило основой для точных кристаллооптических исследований минералов. Данные приборы до сего времени используются кристаллографами всего мира. Федоров создал новое направление исследований, так называемый кристал-лохимическнй анализ, дающий возможность по внешней форме кристалла определять его химический состав.

Детальные минералогические исследования во второй половине XIX в. получили успешное развитие благодаря достижениям микроскопического метода исследования, основы которого заложили А. А. Иностранцев (1843—1919), А. П. Карпинский (1847—1936), Г. Сорби (1826—1908), К. Розенбуш (1836—1914) и др.
Значительную роль в развитии кристаллографии сыграли фундаментальные сводки, сделанные немецкими учеными П. Гротом и В. М. Гольдшмидтом (1853—1933). П. Грот написал «Физическую кристаллографию» и пятитомную «Химическую кристаллографию». Гольдшмидт опубликовал 10-томный «Атлас кристаллических форм», где собрал все ранее публиковавшиеся изображения кристаллов минералов.

Открытие Х-лучей В. Рентгеном (1895), явлений естественной радиоактивности А. Беккерелем (1896) и дифракции рентгеновских лучей в кристаллах М. Лауэ в 1912 г. обеспечили широкие перспективы для становления раздела кристаллографии — кристаллохимии, изучающей связь состава и внутреннего строения кристаллов. Открытие М. Лауэ позволило измерить расстояние между материальными частицами кристаллической решетки.
В 1913 г. английский ученый У. Л. Брэгг и русский кристаллограф Г. В. Вульф вывели формулу, которая связывала межплоскостные расстояния в кристаллах с длиной волны рентгеновских лучей. Эта формула (Брэгга — Вульфа) до сих пор является основной формулой рентгеноструктурного анализа, давшего возможность изучать атомную структуру кристаллов.
Основы кристаллохимии были заложены норвежским ученым В. М. Гольдшмидтом (1888—1947) и русским ученым Вульфом (1863—1925).

Важным этапом в развитии минералогии считается возникновение новой науки — геохимии. Основоположниками этой науки являются русские академики В. И. Вернадский (1863—1945) и А. Е. Ферсман (1883—1945), американский геохимик Ф. У. Кларк (1847—1931) и норвежец Гольдшмидт. Вернадский рассматривал минералы как продукты природных химических реакций, протекающих в определенных физико-химических условиях. Изучение геологических процессов, генезиса минералов и минеральных ассоциаций позволило ему заложить основы геохимии и генетической минералогии.

В возникновении геохимии как науки сыграло решающее значение открытие Д. И. Менделеевым (1834—1907) периодического закона химических элементов (1869). Большой вклад в развитие геохимии и минералогии сделал Ферсман, прекрасный знаток минеральных богатств нашей страны и зарубежных месторождений. Им написаны фундаментальные труды и популярные работы по геохимии и минералогии; «Геохимия» (в 4-х томах), «Пегматиты», «Очерки по истории камня» (в 2-х томах), «Драгоценные и цветные камни России», «Занимательная минералогия», «Цвета минералов», «Рассказы о самоцветах» и др.

В XX столетии появляется кроме вышеназванных ученых целый ряд крупных минералогов, кристаллографов, геохимиков и других специалистов-геологов, внесших неоценимый вклад в развитие геологической науки. К ним относятся Я. В. Самойлов (1870—1925), А. К. Болдырев (1883—1946), С. С. Смирнов (1895—1947), П. П. Пилипенко (1877—1940), В. П. Виноградов, Д. Д. Дэна, Е. С. Дэна, Д. И. Щербаков, И. И. Гинзбург, А. А. Сауков, А. В. Шубников, Г. М. Попов, И. И. Шафрановский, Ф. Махачка, Г. Штрунц, В. Н. Белов, А. Г. Бетехтин, В. И. Смирнов, И. Костов, Е. К. Лазаренко, Н. А. Смольянинов, Г. В. Бокий, Е. Е. Флинт, А. Н. Заварицкий, Д. С. Коржинский, Д. С. Белянкин и многие другие. Этими учеными написаны фундаментальные труды, составляющие основы современной кристаллографии, минералогии и смежных с ними наук. Главнейшие из них в качестве справочной литературы приводятся в конце книги.

В настоящее время в минералогии и кристаллографии наряду с традиционными методами исследования широкое применение находят новые точные методы изучения минералов и кристаллов — рентгеноструктурные, инфракрасной спектроскопии, электронной микроскопии и ряд других.
Значительное развитие получила кристаллохимия в результате фундаментальных работ по расшифровке структур силикатов, проведенных акад. Н. В. Беловым. Появилась возможность создания новых искусственных соединений с заданными свойствами — возникла новая ветвь в минералогии и кристаллографии — синтез минералов.

2

1 3