Большая Советская Энциклопедия (МИ)

Большая Советская Энциклопедия

Лит.: Коржинский Д. С., Физико-химические основы анализа парагенезисов минералов, М., 1957.

В. А. Жариков, А. А. Маракушев.

Минералогия

Минерало'гия (от минерал и ...логия ), наука о природных химических соединениях — минералах, их составе, свойствах, особенностях и закономерностях физического строения (структуры), а также об условиях образования и изменения в природе. Главная задача М. — создание научных основ для поисков и оценки месторождений полезных ископаемых, их обогащения для практического использования в народном хозяйстве.

М. — одна из старейших геологических наук, по мере развития которой от неё отделяются и вырастают новые самостоятельные науки. Так, в 19 в. от М. отделились кристаллография и петрография , в начале 20 в. — учение о полезных ископаемых, геохимия , а затем — кристаллохимия . М. наиболее широко использует законы и методы современной физики и химии, во многих отношениях она находится на стыке наук геологических и физико-химических циклов. Круг вопросов, охватываемых М., сложность и разнообразие минералов, а также методов их изучения, всё расширяющаяся сфера исследований, потребности практики геологоразведочных работ и народного хозяйства исторически определили возникновение в М. различных направлений.

Основные направления. Описательная М. занимается изучением, накоплением и уточнением фактического материала, разработкой

вопросов систематики; обобщением данных по морфологии, физическим свойствам минералов, их химическому составу, данных по изоморфизму , установлением причинных связей между составом, структурой и физическими свойствами у идеальных кристаллов и реальных минералов с дефектами кристаллической решётки. Особый раздел современной описательной М. составляет физика минералов, занимающаяся их исследованием с применением методов физики твёрдого тела.

Генетическая М. выясняет условия, закономерности и процессы, приводящие к образованию определённых минеральных видов и минеральных ассоциаций — месторождений полезных ископаемых ; определяет количественные значения физико-химических параметров (температуры, давления, химизм минералообразующей среды), характеризующих процесс возникновения минерала и помогающих познанию способа (механизма) его образования. Генетическая М. включает: учение о типоморфизме минералов; онтогенический и кристалломорфологический анализ, дающий информацию об истории формирования минеральных индивидов и агрегатов; исследование твёрдых и газово-жидких включений как источника информации о минералообразующей среде; анализ явлений полиморфизма и политипии; методы и принципы парагенетического анализа, получение энергетических и физико-химических характеристик минералов; установление геотермометров и геобарометров — минералов, по которым можно определять термодинамические параметры образования месторождений.

Экспериментальная М. занимается моделированием природных процессов и изучением физико-химических систем с целью выяснения условий возникновения минералов в природе. К этому направлению близка новая область М. — синтез минералов (алмазов, кристаллов пьезокварца, оптического флюорита, рубинов, гранатов и др.), широко используемых в технике.

Прикладная и технико-экономическая М. разрабатывает проблемы, связанные с вовлечением в промышленное использование новых минеральных видов, с проведением минералогических исследований, направленных на более полное комплексное использование минерального сырья и повышенное извлечение его полезных компонентов; включает минералогическое картирование месторождений с целью выделения технологических сортов руд; изучение зависимости технологических свойств минералов от их состава и структуры, исследование растворимости, магнитных и других свойств, поведение минералов в процессе обогащения руд и химико-технологической переработки концентратов (например, при обжиге, воздействии кислот); рассматривает также вопросы применения минералогических критериев для поисков и оценки месторождений полезных ископаемых (например, типоморфизм минералов, законы парагенезиса и др.), разрабатывает специальные минералогические методы поисков (термолюминесценция, фотолюминесценция, радиационные и др.).

Региональная М. обобщает минералогическое изучение определённых территорий и рудных провинций для установления закономерностей распределения минералов и их ассоциаций в связи с историей геологического развития региона; входит как составная часть в общий комплекс металлогенических исследований (см. Металлогения ).

М. космических тел. Развитие этого направления стало возможным только с момента получения образцов лунных пород (см. Луна ), исследования которых позволили сделать первые обобщения об особенностях минералообразования на поверхности Луны и в верхних слоях лунной коры. Большое значение имеет также изучение минерального состава метеоритов.

Ни одно из указанных направлений не может плодотворно развиваться без совершенствования существующих и разработки новых методов минералогических исследований и соответствующих приборов, в том числе экспресс-методов полевой и лабораторной диагностики, а также развития прецизионных физических и аналитических методов исследования минералов.

Исторический очерк. М. возникла в глубокой древности в связи с практическими потребностями человечества, широко использовавшего камень для различных целей. Первые сведения о минеральных телах появились в трудах древнегреческих и древнеримских учёных. Аристотель и Теофраст описали свойства ряда минералов, связывая их происхождение с дымом и парами, вырывающимися из земных недр. Сведения о минералах содержатся также в «Естественной истории» Плиния Старшего (середина 1 в. н. э.). Поиски и добыча минерального сырья для выплавки металлов, а также для медицины и алхимии привели в раннем средневековье к расширению сведений о минералах и рудах. Среди исторических памятников среднеазиатских народов выделяются труды Бируни и Ибн Сины (Авиценны), описавших свойства многих минералов. Развитие горного дела (6—13 вв.), прежде всего в Центральной Европе и России (добыча железа, олова, мусковита, каменной соли, янтаря, серебра и др.), привело к более тщательному исследованию руд. В 13 в. появилась специальная работа о минералах в Европе (Albertus Magnus, De Mincralibus — латинский трактат, написанный после 1262). В этот период не делали различия между минералами, горными породами и рудами, классификация их примитивна, М. была тесно связана с алхимией и металлургией. Как самостоятельная наука М. начала оформляться в эпоху Возрождения. Первое крупное обобщение по М. связано с именем Г. Агриколы , который в работе «О горном деле и металлургии» (1550) четко отделил минералы от горных пород, подробно описал физические свойства минералов, привёл первую классификацию. Термин «М.» впервые введён в 1636 итальянским учёным Бернардом Цезием (Цезиусом) из Модены. Уже в 17 в. в Дании (Э. Бартолин, Н. Стено), Голландии (Х. Гюйгенс), Англии (Р. Бойль, Р. Гук и др.) были сформулированы первые геометрические законы для кристаллов и начато изучение оптических свойств. Работа французского исследователя Роме де Лиля (1783) по гранным углам в кристаллах оказала большое влияние на развитие М. и кристаллографии, послужила основой для создания теории структур кристаллических минералов Р. Ж. Аюи , изложенной им в «Трактате о минералогии» (1801). В Германии описательно-морфологическое (физиографическое) направление в 18 в. было наиболее ярко представлено школой А. Г. Вернера . Развитие М. в России тесно связано с именем М. В. Ломоносова , который впервые высказал положение о том, что главным определяющим признаком минерала должен быть химический состав. В работах М. В. Ломоносова («Слово о рождении металлов от трясения Земли», 1757, «О слоях земных», 1763, и др.) указывается, что минералы в рудных жилах образуют естественные ассоциации, и появление одного из них служит «признаком» присутствия другого. В трудах В. М. Севергина химия как основа М. выдвигается на первый план. М. определяется как наука, изучающая состав и строение минеральных тел, их взаимоотношения в природных месторождениях и пути их практического применения. В. М. Севергиным впервые сформулировано (1798) понятие о парагенезисе («смежности минералов»). В Западной Европе химическое направление в М. стало господствующим в скандинавских странах и в Германии со 2-й половины 18 в. (шведские учёные А. Кронстедт , 1758; И. Берцелиус , 1814; немецкие минералоги А. Брейтгаупт, 1820, 1847; М. Клапрот, 1795, 1815; и др.). Детальное изучение состава и физических свойств минералов в 19 в. привело к формулировке понятий изоморфизма и полиморфизма (немецкие химики-минералоги Э. Мичерлих, Р. Герман, позднее Г. Чермак и др.). Большую роль в развитии М. в России сыграла плеяда выдающихся минералогов (Д. И. Соколов, Н. И. Кокшаров, П. В. Еремеев и др.). За рубежом значительный вклад в становление описательной и региональной М. на рубеже 19 и 20 вв. внесли такие учёные, как П. Грот, Ф. Клокман, Ф. Ринне, Р. Брауне (Германия), Ф. Бекке (Австрия), В. Брёггер (Норвегия), А. Лакруа (Франция), Дж. Д. Дэна (США) и др. До конца 19 в. М. формировалась как описательная наука, при этом в ней развивались два основных направления — морфолого-кристаллографическое и химическое.

С конца 19 в. в связи со всё увеличивающимся спросом на различные виды сырья и усиление поисковых работ старые методы описательной М. не могли удовлетворить потребности

практики. Непрерывное совершенствование методов диагностики и исследования минералов позволило глубже изучить их свойства. Главное внимание стали уделять химии и свойствам минералов, законам изоморфизма и парагенезиса. Разработкой новых методических подходов и обобщающих теорий в М. мировая наука во многом обязана русской школе В. В. Докучаева , Е. С. Фёдорова , В. И. Вернадского , А. Е. Ферсмана . Огромное влияние на развитие современной М. оказали периодический закон Д. И. Менделеева и правило фаз Дж. У. Гиббса . По Вернадскому, М. есть химия земной коры, а минералы — продукты сложных природных реакций. Минерал непрерывно взаимодействует с окружающей его средой и сам изменяется при изменении физико-химических условий. Определяя парагенезис как выражение законов совместного нахождения минералов в природных ассоциациях, Вернадский по существу заново обобщил важнейшее научное положение современной М. Одновременно в М. стало складываться кристаллохимическое направление, тесно связанное с именем Федорова, который задолго до развития рентгеноструктурного анализа математически вывел все возможные (230) пространственные группы симметрии кристаллов. Однако проникновение в атомное строение кристалла стало возможным лишь после открытия дифракции рентгеновских лучей (М. Лауэ , 1912). Проведённые У. Г. Брэггом , и У. Л. Брэггом (Великобритания), Л. Полингом (США), Г. Вульфом (Россия) и др. рентгеноструктурные исследования большинства минералов позволили рассматривать состав и строение минералов в единстве и разработать новую теорию изоморфизма (В. М.Гольдшмидт , А. Е. Ферсман), создать кристаллохимическую классификацию минералов, с новых позиций подойти к пониманию их физических свойств. В современной М. происходит синтез сё исторически сложившихся направлений — описательного и генетического, химического и кристаллографического. Изучение минералов направлено на выявление причинных связей между средой, условиями образования, составом, кристаллической структурой, физическими свойствами реального минерала со всеми его дефектами и неоднородностями. Исследования физико-химических систем и условий их равновесия, кристаллизации силикатных и сульфидных минералов при высоких температурах (русский учёный К. Д. Хрущев, швейцарский учёный П. Ниггли , американские учёные Г. Куллеруд, Н. Л. Боуэн и др.), законов кристаллизации солей из растворов (советский учёный Н. С. Курнаков , голландский учёный Я. Х. Вант-Гофф ), коллоидных систем (бельгийский учёный Ф. Корню, голландский учёный Р. В. ван Беммелен и др.) создали физико-химическую основу для объяснения природных процессов образования минералов.

Новый этап развития М. в России наступил после Октябрьской революции 1917. Тесная связь с практикой горного дела, плановость в организации и осуществлении научных исследований определили быстрое развитие М. Были организованы новые научные минералогические центры и обширные регионально-минералогические работы по всей территории СССР под руководством А. Д. Архангельского , А. Е. Ферсмана, Н. М. Федоровского , С. С. Смирнова , Н. А. Смольянинова и многих др. Было открыто и освоено множество месторождений и горнорудных районов (Кольский полуостров, Якутия, С.-В. СССР, Кавказ, Средняя Азия и др.). Полученные при этом научные материалы послужили основой для развития теоретических обобщений по М. и геохимии, внедрения в практику методов изучения и обогащения рудного сырья, были освоены новые виды полезных ископаемых (нефелин, апатит, лопарит, пирохлор, кианит, фенакит, бертрандит и др.), новые области использования минералов. Изучение термохимии и термодинамики природных процессов позволило выработать минералогические критерии для характеристики глубинных процессов, определения глубин и температурных условий процессов метаморфизма минералов, руд и горных пород (А. Е. Ферсман, Д. С. Коржинский и др.). Были показаны пути и возможности применения физико-химического анализа и эксперимента параллельно с геологическими наблюдениями для выяснения законов совместного образования минералов в геологических телах различного генезиса (А. Е. Ферсман, С. С. Смирнов, В. И. Смирнов , А. Г. Бетехтин , В. А. Николаев и др.), для выявления условий образования минералов в глубинах Земли при изменяющихся температурах, давлениях и концентрациях химических компонентов. Развитие учения о парагенезисе привело советских минералогов (А. Е. Ферсман, С. С. Смирнов, К. А. Власов, Ф. В. Чухров , И. И. Гинзбург и др.) к важным теоретическим обобщениям. К ним относятся: теория генезиса пегматитов и близких к ним образований, законы формирования зоны окисления рудных месторождений, изучение условий образования месторождений железа, никеля и др. минералов в современной коре выветривания. Известны работы советских учёных Я. В. Самойлова , В. И. Вернадского, Ф. В. Чухрова и др., посвященные роли живых организмов и коллоидных растворов в образовании минералов (руды марганца, железа, самородная сера и др.). Развитие понятия о типоморфизме минералов получило своё выражение в идеях о причинной связи и зависимости внешнего облика кристаллов, их агрегатов, химического состава и структурных особенностей минералов от условий их образования в той или иной геологической среде. На минеральных индивидах и агрегатах, в морфологии, в характерных проявлениях типоморфизма и в генетических признаках записана история зарождения, роста и изменения минералов и заключающих их месторождений (Г. Г. Леммлейн, Д. П. Григорьев, И. И. Шафрановский и др.). Обобщение результатов, полученных при изучении газово-жидких и многофазовых включений в минералах, позволило приблизиться к решению вопросов о характере, составе и термодинамических параметрах среды образования многих минералов в различных месторождениях (Н. П. Ермаков, Ю. А. Долгов и др.). Вскрывая связи между средой, условиями образования, составом, структурой и свойствами минералов, советские минералоги достигли существенных результатов в изучении реальной химической конституции и структуры кристаллических минералов, а также в установлении корреляционных связей между составом минералов, свойствами слагающих их атомов и ионов, кристаллохимической структурой и основными их физическими свойствами (Н. В. Белов , А. Е. Ферсман, В. С. Соболев , А. С. Поваренных, Е. К. Лазаренко и др.). Важные результаты получены советскими учёными при изучении минералов класса силикатов, сульфидов и их аналогов (Н. В. Белов, В. С. Соболев и др.), боратов, самородных элементов, кварца и других групп, минералов редких и редкоземельных элементов (Г. П. Барсанов, Е. И. Семенов, В. И. Герасимовский, А. И. Гинзбург и др.). Требования практики, использующей специальные свойства кристаллов (пьезоэлектрические, сегнетоэлектрические, полупроводниковые, двупреломляющие, «лазерные», вообще оптические и др.), определили развитие работ в направлении точного и всестороннего изучения физических свойств и влияния структурных особенностей реальных минералов (политипия, дислокация, дефекты в кристаллах, электронно-дырочные центры и др.) на изменение их физических свойств (А. С. Марфунин, Б. Б. Звягин и др.). Создана в содружестве с кристаллографами и физиками самостоятельная научная отрасль по синтезу кристаллов.

Основные организации и периодическая печать. Исследования в области М. в СССР ведутся институтами АН СССР, управлениями и ведомствами министерств геологии СССР и союзных республик, учебными и научно-исследовательскими институтами. Большую работу по пропаганде и внедрению достижений М. проводят минералогические общества, имеющиеся в СССР (см. Минералогическое общество ) и за рубежом (во Франции, ГДР и ФРГ, в скандинавских странах, Италии, Швейцарии, Испании, Великобритании, США, Индии, Бразилии). Они объединены в Международную минералогическую ассоциацию (ММА), на съездах которой (через каждые 4 года) обсуждаются важнейшие проблемы М. Значительная роль в развитии М. и пропаганде минералогических знаний принадлежит также минералогическим музеям. Крупнейший из них — Минералогический музей им. А. Е. Ферсмана АН СССР. Обширные минералогические коллекции имеются в Ленинградском горном институте, в МГУ, Московском геологоразведочном институте, в институтах в Свердловске, Иркутске, Киеве, Львове, Алма-Ате и др. городах СССР, а также за рубежом — во Фрейберге (ГДР), Карлсруэ (ФРГ), Париже, Лондоне, Праге, в Вашингтоне и Нью-Йорке.