Большая советсткая энциклопедия Минералогия

Минералогия

Минералогия (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.

Основные периодические издания по М.: в СССР — "Записки Всесоюзного Минералогического общества" (с 1866), "Минералогический сборник" Львовского университета (с 1947), "Труды Минералогического музея" АН СССР (с 1949); за рубежом — "American Mineralogist" (Lancaster — Wash., с 1916), "Bulletin de la Société française de Minéralogique (et de Cristallographie)" (P., с 1878), "Bulletin Suisse de Minéralogie et de Pétrographie" (Bern — Z., с 1921), "Mineralogical Magazine" (L., с 1876), "Zentralblatt für Mineralogie" (Stuttg., с 1950), "Zeitschrift für Kristallographie" (Lpz., с 1877), "Acta Crystallographica" (Camb. — Cph., с 1948), "Neues Jahrbuch für Mineralogie. Abhandlungen" (Stuttg., с 1807), "Neues Jahrbuch für Mineralogie. Monatshefte" (Stuttg., с 1900), "Contributions to Mineralogy and Petrology" (Hdib. — B., с 1947), "Schweizerische Mineralogische und petrographische Mitteilungen" (Z., с 1921), "Tschermarks mineralogische und petrographische Mitteilungen" (Vienna — N. Y., с 1872).

Лит.: Ломоносов М. В., О слоях земных и другие работы по геологии, М. — Л., 1949; Вернадский В. И., Избр. соч., т. 2—3 — Опыт описательной минералогии, М., 1955—59; Григорьев Д. П., Шафрановский И. И., Выдающиеся русские минералоги, М. — Л., 1949; Григорьев Д. П., Онтогения минералов, Львов, 1961; Поваренных А, С., Кристаллохимическая классификация минеральных видов, К., 1966; Барсанов Г. П., Минералогия, в кн.: Развитие наук о Земле в СССР, М., 1967; Бетехтин А. Г., Курс минералогии, 3 изд., М., 1961; Лазаренко Е. К., Курс минералогии, М., 1971; Костов И., Минералогия, [пер. с англ.], М., 1971; Сидоренко А. В., Лазаренко Е. К., Состояние и задачи современной минералогии, "Зап. Всесоюзного Минералогического общества", 1972, ч. 101, в. 2; Белов Н. В., Очерки структурной минералогии, в. 1—24, "Минералогический сборник", 1950—73, № 4—27.

Г. П. Барсанов, А. И. Гинзбург.