Минералогия составляет один из трех важнейших отделов естествознания (с зоологией и ботаникой). Таково ее понимание в более широком и часто употребительном смысле. В более узком значении слова, в каком она обыкновенно и преподается, она должна доставлять знакомство со свойствами простых индивидов неорганической природы. Эти простые индивиды, хотя вообще и могут быть выделены, но не составляют истинных тел природы, каковыми являются горные породы, изучаемые петрографией; явления, совершающиеся в этих телах, составляют предмет физической геологии. Минералы же входят в состав этих тел, как механически простые составные их части.
Знакомство с отдельными минералами восходит к глубокой древности, откуда происходят и многие из ныне употребляемых их названий. Однако, познание минералов до появления химии и кристаллографии не может считаться сколько-нибудь удовлетворительным и доставляющим те данные, ради которых применение минералов к человеческой жизни получило большое значение. Поэтому обыкновенно появление научной М. относят к тому знаменательному моменту истории, когда появились и обе упомянутые отрасли знания. Мало того, начало научной М. чаще всего связывают с именами тех же французских ученых Роме-де-Лиль и Гаюи, которых считают основателями и научной кристаллографии (см.); ведь только с этого времени употребление методов кристаллографии и применение химического анализа создали устойчивость в знаниях, относящихся к минералам. Благодаря этому ходу развития науки почти в течение всего XIX в. специальности М. и кристаллографии соединялись воедино, a представителями их были одни и те же лица. Но в последней четверти минувшего века и в начале настоящего кристаллография претерпела такую глубокую эволюцию, что приложение ее собственно к минералам стало очень незначительною частью ее содержания. С другой стороны, геологические науки получили необыкновенную ширь и все более и более втягивали в себя область M., которая выработалась в цикл наук, входящих в состав геологии, как наиболее точная составная ее часть. Геологические науки распались на два цикла: 1) упомянутый минералогический и 2) биологический, в основе которого лежат науки чисто биологические.
Первою задачею М. является распознавание минералов, как для зоологии первая задача есть распознавание видов животных, а ботаники — растений. Для осуществления этой элементарнейшей задачи, становящейся с расширением цикла известных минералов, все более и более трудною, приходится прежде всего пользоваться изучением тех свойств минералов, котор. в высшей мере способствуют облегчению и ускорению этого определения. Но все-таки главное содержание и главный смысл М. — в установлении генезиса минералов и в воспроизведении тех физических и химических явлений, которые связаны с этим генезисом. Эти задачи столь сложны и восходят к таким глубинам нашего физического мироведения, что достигнуто еще очень немного. В этом смысле современная М. скорее представляет науку в зачаточном состоянии, еще очень далекую от того, чтобы дать возможность в каждом частном случае строго установить генезис. В большинстве случаев приходится довольствоваться общими чертами той картины, которая раскрывается при этом изучении. В нижеследующем изложении мы разделим нашу задачу на следующие четыре главные ее части: 1) коснемся основ распознавания минералов, 2) охарактеризуем классификацию минералов, 3) отметим главные условия простого и 4) сложного их генезиса.
Проблема простого распознавания минералов уже связана с некоторыми трудностями. Вся история М. пронизана стремлением возможного упрощения этой задачи; и в этом отношении цель достигнута в высокой степени по отношению к минералам, представленным в земной коре в особенном изобилии, т. наз. петрографически важным минералам. Главными упрощающими методами являются: 1) методы кристаллографии, применимые только для тех минералов, коих индивиды представлены в окристаллизованном виде не исключительной мелкости, и 2) некоторые химические методы. Эти методы нельзя противопоставлять друг другу; чаще всего они дополняют друг друга. Тем не менее, первые из них имеют такие преимущества простоты и скорости, что при общей характеристике изучаемых минералов применяются преобладающим образом. Но когда дело идет не об общей характеристике, но о таком индивидуальном изучении минералов, которое связано с применением их для промышленных целей, первенствующее значение получают методы химические, в особенности методы количественного анализа, и притом методы не общего характера, a специально приноровленные для данного случая. Как пример можно привести т. наз. золотоносные пески, которые иногда не безвыгодно можно добывать даже при содержании до десяти долей в ста пудах, т. е. при содержании 0,000003, выраженном в процентах. В еще гораздо меньших процентных количествах извлекаются радиоактивные элементы; для определения этого процентного содержания приходится прибегать к специально электрическим приборам, особенно к электроскопам и электрометрам. Эти операции уже целиком входят в область физики и химии и чаще всего производятся специалистами этих дисциплин. Но прежде, чем довести исследование до этой стадии, приходится сделать огромное количество минералогических определений, и если бы они не отличались простотою и быстротою, то, можно сказать, минералогические определения на практике были бы неосуществимы. Иногда сами данные бывают так недостаточны, что точное определение по существу является невозможным, и приходится довольствоваться определением приближенным, a иногда даже и просто наиболее вероятным, принимая наперед, что из нескольких минералов, которым принадлежат найденные свойства, предлежащий не есть минерал исключительно редкий. Наиболее полное и простое определение минералов, заключающихся в данной породе, обыкновенно достигается предварительным приготовлением микроскопических препаратов, т. е. вышлифованных пластинок, чаще всего имеющих толщину 0,02—0,04 мм., и дальнейшим оптическ. исследованием перерезанных в этой пластинке минеральных индивидов. Из многих приемов более точного оптического исследования таких препаратов в последнее время особенное распространение получает метод универсальный (см.). Данные, доставляемые применением этих методов, так разнообразны и связаны с такою степенью точности в численном выражении оптических свойств, с другой стороны, приемы так просты и скоро воспроизводимы при посредстве ряда специальных аппаратов, наконец, таблицы, заключающие численные характеристики минералов, так полны, что с этими методами не могут итти ни в какое сравнение никакие другие из известных методов. Однако, и их применение не всегда приводит к одному, строго определенному результату, почему часто бывает полезно в качестве окончательно решающего фактора применять и другие из простейших испытаний и проб, чаще всего химического характера. К числу таковых относятся, напр., пробы микрохимического анализа. Напр., по способу Божицкого пылинки силикатов на покрытом пленкою канадского бальзама стекле обрабатывают каплею кремнефтористоводородной кислоты и при разложении пылинки получают характерные кристаллики солей этой кислоты, по формам которых распознают металлы, вошедшие в состав этих солей. Нередко эти кристаллики для большей убедительности обрабатывают еще иным реактивом, чтобы вызвать окрашивание или образование новых солей. Легко понять, что такие пробы отнимают очень мало времени. Самый простой прием точного определения вытекает из метода кристаллохимическ. анализа (см.), когда данные для определения непосредственно представляют хорошо образованные кристаллы; особенно пригодными являются очень мелкие, но с блестящими гранями. Однако, в земной коре такие кристаллы встречаются сравнительно редко, a именно тогда, когда при их образовании не было препятствия в окружающей среде. Это в особенности имеет место при образовании минералов в пустотах (то-есть в сущности в местах, выполненных насыщенным и пересыщенным раствором того же вещества). Такой прием поэтому имеет в М. сравнительно ограниченное применение. Но рядом с упомянутым оптическим приемом, наиболее пригодным не только для прозрачных, но в особенности для бесцветных (или почти бесцветных в тонких шлифах) минералов, наиболее общим является старый способ Берцелиуса (1837) — растворение зернышек вещества в некоторых солях (бура, фосфорная соль и пр.) в пламени паяльной трубки или даже простая обработка этим пламенем на угле (образование налетов, различно окрашенных и разной степени летучести, образование металлических корольков и характерных сплавов и пр.). С течением времени этот старый прием подвергся усовершенствованиям в самых разнообразных направлениях.
Переходя к минералогическим классификациям, пришлось бы упомянуть о многих и разнообразных попытках, сделанных в этом отношении, большинство из которых не достигло того, чтобы более или менее каждому минералу в классификации нашлось удобное место. Лишь в самое последнее время принцип, положенный в основу кристаллохимического анализа, мог бы привести к такой классификации, что действительно для каждого минерала нашлось бы свое строгое место. И такую классификацию даже нельзя было бы назвать искусственною, так как в основе ее лежала бы кристаллическая структура минералов, то-есть как раз то, что существеннейшим образом характеризует природу каждого. Однако, трудно ожидать, чтобы в скором же времени такая классификация получила широкое применение, так как в этой структуре аналогичную роль могут играть самые разнообразные химические элементы. Для представителей же М. всегда имеет особую важность индивидуальность каждого химическ. элемента. Ведь именно к ним обращаются с вопросами о распределении того или другого химического элемента в земной коре. Вот почему преобладающее значение получили классификации, построенные на чисто химическом основании. Первоначально такая классификация была в высокой степени обработана американским минералогом Дж. Дана (1837), но в последнее время рядом с ней получила значительное применение классификация мюнхенского профессора П. Грота, хотя и имеющая ту же основу, но в еще большей степени уделившая внимание соединению в группы тел, имеющих сходное химическое строение. В последние годы стали выходить томы сочинения последнего — „Chemische Kristallographie“, в которых пришлось создать общую основу для классификации не только минералов, но и всех тел, полученных в кристаллах. Специально же для минералов основы этой классификации были изложены в нескольких изданиях „Tabellarische Uebersicht der Mineralien“ этого ученого. К первому классу отнесены самородные элементы, которые, в свою очередь, разделены на неметаллические, каковы алмаз, графит, сера, и металлы, начиная с благородных. Ко второму классу отнесены простые соединения серы (селена, теллура) с такими элементами, как мышьяк, сурьма, висмут, молибден, и с типическими металлами; к последнему отделу относятся две важные изоморфные группы цинковой обманки (сфалерита) и серного колчедана (пирита).
К первой из этих родственных групп отнесены ольдгамит CaS, сфалерит (Zn, Fe, Mn, Cd)S, где подчеркнуты преобладающие составные части, алабандин MnS, троилит FeS, пентландит (Fe, Ni)S, и все эти минералы не только кристаллизуются в формах кубической сингонии, но часто проявляют много других родственных свойств. Следующая родственная группа с ними полиморфна: вуртцит (Zn, Fe)S, эритроцинкит (Zn, Mn)S, греенокит CdS, пирротин (магнитный колчедан) FeS(?), милерит NiS, никелин NiS, арит Ni(As, Sb), брейтгауптит NiSb, и все эти минералы кристаллизуются в формах гексагональной сингонии.
К группе пирита он отнес: гауерит MnS2, пирит FeS2, кобальтин (Co, Fe)AsS, герсдорфит (Ni, Fe)AsS, коринит (Ni, Co, Fe)(As, Sb)S, ульманит NiSbS, вильямит (Ni, Co)SbS, калилит (Ni, Co, Fe)(Sb, Bi, As)S, шмальтин (Co, Ni, Fe)As2, хлоантит (Ni, Co, Fe)As2, сперрилит (Pt, Rh)(As, Sb)2, лаурит (Ru, Os)S2; все эти минералы кристаллизуются в формах диакис-додекаэдрического вида симметрии. Полиморфную с ними группу образуют: марказит FeS2, арсенопирит Fe(As, S)2, глаукодот (Fe, Co) (As, S)2, лёллингит FeAs2, саффлорит (Co, Fe, Ni)As2, раммельсбергит (Ni, Co, Fe)As2; все эти минералы кристаллизуются в формах ромбической сингонии с близкими углами. Из групп более сложного состава можно упомянуть: вольфсбергит Sb2S4Cu2, эмплектит Bi2S4Cu2, склероклаз As2S4Pb, цинкенит Sb2S4Pb, андорит Sb2S4(Pb, Ag2), галеновисмутит Bi2S4Pb, аляскаит Bi2S4(Pb, Ag2, Cu2).
К третьему классу отнесены минералы простого состава окислов. Сюда, напр., принадлежат столь важные и распространенн. минералы, как кварц SiO2, корунд Al2O3 с его драгоценными разностями — малиновым рубином и голубым сафиром, гематит Fe2O3, сассолин B(OH)3; из последнего уже можно выделить воду, также как в гетите FeO.OH, ксантосидерите Fe2O(OH)4, лимоните Fe4O3(OH)6. Одна из интереснейших, относящихся сюда, есть группа рутила TiO2. Сюда же причислены и оксисульфиды, следуя тому правилу, чтобы в каждый дальнейший класс могли быть причислены и те более сложные соединения, которые по существу могли быть причислены и к одному из предыдущих.
К четвертому классу отнесены галоидные соединения, простые и сложные, — конечно, также и хлорокиси и аналогичные с ними. Из веществ простейшего состава сюда относится каменная соль ClNa, сильвин ClK, образующие довольно большую группу, минералы которой проявляются в формах кубической сингонии; в тех же формах проявляется и флуорит (плавиковый шпат) F2Ca. Из относящихся сюда минералов более сложного состава можно отметить криолит AlF3.3NaF моноклинной сингонии.
К пятому классу отнесены соли самых разнообразных кислородных кислот, иногда проявляющие большую степень родственности, напр., селитра NO3Na и кальцит (известковый шпат) CO3Ca. Последний входит в состав весьма обширной родственной группы, a того же состава арагонит есть представитель другой, полиморфной группы. Формы первой принадлежат гексагональной, a второй — ромбич. сингонии. Сюда же, согласно вышеуказ. правилу, относятся и минералы столь сложного состава, как нортупит CO3Mg.CO3Na2.NaCl, весьма крупные кристаллы которого недавно найдены в виде корки, облекающей выпускные трубы одного русского содового завода. Наконец, сюда же отнесены и минералы такого состава, что их можно было бы причислить к простым окислам, если бы не прямые химические указания на то, что это в действительности соли, коих электроположительная и электроотицательная часть содержат в основе один и тот же элемент, напр., браунит MnO3Mn тетрагональной сингонии.
К шестому классу отнесены соли таких кислот, которые гораздо яснее проявляют свою родственность, как серной SO4H2, молибденовой MoO4H2, вольфрамовой WO4H2. Несколько искусственно сюда причислены и уранаты (соли урановой кислоты, получившие громадное значение, как носители радиоактивной энергии). Наиболее простыми представителями этого класса являются такие минералы, как барит SO4Ba. Хотя к той же группе отнесен и ангидрит SO4Ca, но последний представляет уже значительное уклонение. Конечно, сюда же отнесены и соединения столь сложного состава, как ганксит 9SO4Na2.2CO3Na2.KCl гексагональной сингонии (в тех же формах Шюльтен получил соль более простого состава 4SO4Na2.CO3Na2).
К седьмому классу отнесены соли столь слабых кислот, как алюминаты и бораты. Сюда, между прочим, принадлежит обширная и важная группа шпинелей, включая магнетит (магнитный железняк) (FeO2)2Fe и хромит (хромистый железняк) [(Cr, Fe)O2]2(Fe, Cr). Минералы всей этой группы большею частью представлены в формах октаэдра(с кристаллографической точки зрения наиболее типичные представители додекаэдрической структуры). Сюда же относится и хризоберил (AlO2)2Be с его драгоценной разностью — александритом, зеленою при дневном и малиновою при вечернем освещении. Побочно можно заметить, что, так как это свойство зависит от сочетания пропускаемых веществом цветных лучей, то оно проявляется не только в александрите, но и особых разностях других минералов, напр., в клинохлоре (сидящем на хромите), хром содержащем турмалине.
К восьмому классу отнесены фосфаты, арсенаты, стибиаты, ниобаты, танталаты. Этот класс особенно изобилует представителями редких минералов; сюда принадлежат, напр., ксенотим PO4Y тетрагональной сингонии, монацит PO4(Ce, La, Nd, Pr), минералы сложных урановых соединений, как аутунит [PO4]2[UO2]2Ca.8aq. ромбической, торбернит [PO4]2(UO2)2Cu.8aq. тетрагональной сингонии. Углы между соответственными гранями обоих последних соединений весьма близки, почему и формы аутунита весьма близки к формам тетрагональной сингонии (таковые назыв. псевдотетрагональными). Но сюда принадлежат и такие распростран. минералы, как апатит (PO4)3Са4[Са(F, Cl)] гексагон. сингонии.
В противоположность предыдущему, к девятому классу, обнимающему силикаты, титанаты, циркониаты, относится большинство минералов, имеющих наибольшее распространение в земной коре. Трудно не встретить горных пород, не заключающих в себе в качестве существенных составных частей представителей полевых шпатов, пироксенов, амфиболов, слюд, гранатов, хлоритов, змеевиков. В сравнении с ними могут итти лишь такие минералы других классов, как кварц и кальцит.
Названные естественные группы минералов отличаются в то же время своей обширностью по разнообразию химического состава.
Рассмотрим, как пример, группу граната, очень часто представленную прекрасно окристаллизованными в форме ромбического додекаэдра (110), к котор. обыкновенно присоединяется триакис-октаэдр (211), что в совокупности дает яркий пример октаэдрической структуры. В состав этой группы входят: гроссуляр [SiO4]3Al2Ca3, гессонит [SiO4]3(Al, Fe)2Ca3, аплом [SiO4](Fe, Al)Ca3, топазолит [SiO4]3Fe2Ca3, меланит (названный по черному цвету) [(Si, Ti)O4]3(Fe, Ti, Al)2Са3, уваровит (травяно-зеленого цвета) [SiO4]3Cr2Ca3, спессартин [SiO4]3(Al, Fe)2(Mn, Fe, Ca)3, алмандин (густого красного цвета и превосходной прозрачности) [SiO4]3(Al, Fe)2(Fe, Mg, Ca)3, пироп (по редкости, чудному малиновому цвету и прозрачности причисляющийся к драгоцен. камням второго класса) [SiO4]3(Al, Fe)2(Mg, Fe, Ca)3.
Однако, по химическому составу, a отчасти и по принадлежности к кристаллам кубической сингонии, к этой группе примыкает другая, в состав которой входят минералы написанного ряда (таблицу см. ниже).
В другом отношении к той же группе граната примыкает группа эпидота и цоизита. Напр., химическое строение цоизита мы получим, если средний атом Ca в гроссуляре заменим радикалом Al(OH) (понятно, что этот радикал так же двуатомен, как и атом Ca).
Из минералов этого класса нельзя не упомянуть о берилле Si6O18Al2Be3, к которому принадлежит драгоценная зеленая разность изумруда или смарагда и голубоватозеленая — аквамарина.
Если в каждом из предыдущих классов нельзя не усмотреть много искусственности, то в наибольшей степени это относится к составу десятого класса, или класса минералов органического происхождения. Все-таки во всех предыдущих классах было удовлетворено то условие, что принадлежащие им минералы представляют более или менее обособленные и однородные индивиды. Если и имеется в них неоднородность, то она зависит гл. образом от изоморфных примесей, a изоморфные вещества проявляют высокую степень родственности. В т. наз. минералах десятого класса эта однородность составляет редкое исключение, a преобладающим образом представлены очень сложные смеси органического состава, каковы минеральные смолы, угли, нефти. Про их кристаллографическую характеристику так же мало может быть речи, как и про стекла и жидкости вообще. Но те немногие исключения, в которых проявляется не только однородность вообще, но и превосходная окристаллизованность, представляют в особенности соли органических кислот не только простого, но и сравнительно сложного состава; уэвеллит, напр., есть кальциева соль щавелевой, a оксалит — железистая соль той же кислоты. В меллите же химик видит алюминиеву соль медовой (меллитовой) кислоты, которой придают строение:
Присутствие этого минерала в углях, напр., средней полосы России (Малевско-Мураевинского угольного бассейна) ясно указывает на то, что в самих углях должны присутствовать и другие вещества сложного состава, из смеси которых выкристаллизовываются такие соли. И, действительно, в таких, легко подвергающихся перегонке, веществах, как нефть, найдено не малое число особого состава нафтенов (Морковников), которые считаются за особые насыщенные вещества общей формулы CnH2n, почему им припис. указ. здесь строение (гексанафтен) и аналогичное (гомологи).
Из окристаллизованных чистых углеводородов, находимых в недрах земли, пожалуй, можно указать лишь на фихтелит C18H32 моноклинной сингонии, да и то удовлетворительные кристаллы получаются только после предварительного растворения в спирте или эфире.
Уже на тех немногих примерах, которые только что были рассмотрены, резко проявляются переменность и усложнения в химическом составе минералов. Уже из этих примеров можно было видеть, что название минерала еще не связано в точности с определенным химическим составом. Но все-таки такого рода непостоянства этого состава, которые имеют основание в изоморфизме в смысле Митчерлиха, еще получают довольно простое и удачное выражение в принятых формулах.
Но имеются еще и другого рода усложнения в химическом составе, гораздо труднее поддающиеся наглядному и точному выражению. Первый пример такого рода усложнений был открыт знаменитым кристаллографом Гесселем на ряде плагиоклазов, в которых изоморфно замещают друг друга два вещества как бы совершенно несвязанного друг с другом состава, a именно альбит Si3O8AlNa и анортит Si2O8Al2Ca триклинной сингонии. Более подробные химические исследования Чермака и оптические исследования М. Шустера привели к заключению о существовании почти непрерывного ряда таких изоморфных смесей, проявляющихся, однако, в природе иногда в виде отменно однородных индивидов.
Успехи физической химии последнего времени еще более обобщили эту точку зрения, приведя к признанию твердых растворов (Вант-Гофф), составные части которых не проявляют никакого отношения к изоморфизму, и вообще аналогичных в своих отношениях с обыкновенными жидкими растворами. Выражать такие химические отношения простыми формулами становится почти неосуществимым. Но даже и это обстоятельство не исчерпывает всей сложности наблюдаемых явлений. Открылись минералы с явно переменным химическим составом, — по крайней мере, в известных пределах. В давно известном отряде цеолитов (алюмосиликатов, содержащих воду) раскрылась возможность непрерывного изменения в составе воды без существенного и резкого изменения в других свойствах (Фридель). Мало того, оказалось, что воду в этом содержании можно замещать другими веществами (напр., сернистым водородом, аммиаком и пр.); это наблюдалось, напр., в десмине, шабазите, гейландите.
Искусственно были получены (Н. Курнаковым и другими) сплавы, напр., таллия с висмутом, кривая плавкости которых дает две эвтектические точки (т. е. точки минимальной температуры плавления) со следующими свойствами (Ж. P. X. Общ., 38, 899, и 45, 900). В пределах от 55% до 64% Bi в сплаве кривая плавкости имеет максимум при составе именно в 62,8%, тогда как кривая электропроводности для твердых растворов в этих пределах ничем не проявляет особенности для этого состава и продолжает непрерывно подниматься до верхнего предела.
Таким образом, становится невозможным выделить особый пункт с определенным составом и приходится признать, что образуются твердые растворы с переменным составом, как определенные химические индивиды („Изв. И. Акад. наук“, 1914, стр. 321). Курнаков обозначает соединения этого типа бертоллидами, чтобы напомнить, что такие типы имел в виду еще знаменитый химик Бертолле, в отличие от дальтонидов, напоминающих о законе кратных отношений Дальтона, т. е. веществ со строго определенною химич. формулою.
Переходя к генезису минералов, прежде всего приходится подчеркнуть неисчерпаемое разнообразие его проявлений, начиная от столь простых, что в самое короткое время можно искусственно его воспроизвести, вплоть до таких сложных, что в них трудно или даже невозможно разобраться. Наиболее простой и легко воспроизводимый вид генезиса минералов есть их выделение из растворов как вследствие испарения или охлаждения, так и от введения различных примесей, вызывающих химические реакции и осаждение некоторых составных частей. Какие сложные результаты получаются даже в этих простейших условиях, показал ряд опытов, производившихся в берлинском университете под руководством знаменитого физико-химика Вант-Гоффа в средине 90-х годов. Чтобы сколько-нибудь удовлетворительно выразить результаты этих опытов, он должен был вводить в них значительные упрощающие условия и на первом плане постоянную температуру 25°. Таким образом удалось показать границы в составе тех растворов, из которых выделяются те или другие соли, действительно находимые в естественных соляных толщах, особенно в самой замечательной из них — Стассфуртском месторождении в Пруссии.
Если при 25° в состав вводить только следующие соли: A) NaCl, B) KCl, C) MgCl2, D) MgSO4, E) Na2SO4 и F) H2O, то можно получить следующие минералы, найденные в Стассфуртской толще: каменную соль состава A, тенардит состава E, сильвин состава B, бишоффит состава C + 6F, рейхардит состава D + 7F, кизерит состава D + F, карналлит состава B + C + 6F, леонит состава K2SO4 + D + F, астраханит E + D + 4F, каинит B + D + 3F, шёнит K2SO4 + D + 6F, глазерит 3K2SO4 + E. Понятно, что в названном месторождении состав найденных солей еще гораздо разнообразнее, хотя бы уже потому, что вообще число элементов в растворе того моря, от испарения которого возникло месторождение, было гораздо больше, да и пределы температуры, при которой соли отлагались, были гораздо шире в той залежи, которая теперь заняла положение в недрах земли на довольно значительной глубине. В этом месторождении только толща одной соли доходит до полкилометра. В верхней, то есть новейшей, ее части преобладает карналлит, затем преобладание переходит к кизериту, еще ниже к полигалиту 2CaSO4.MgSO4.K2SO4.2H2O. На наибольшей глубине преоблад. каменн. соль и ангидрит CaSO4, колич. коего в общем возрастает с глубиною. Если принять во внимание еще фактор температуры [1], от малейшего изменения которого весьма разнообразно изменяется растворимость солей и их разнообразных соединений, мы поймем, какое разнообразие соединений может выделиться даже в связи с химическою деятельностью воды, которой, конечно, принадлежит весьма важная роль в процессе образования минералов. Она проникает земную кору на весьма значительную глубину, сначала в жидком, a на очень больших глубинах в виде перегретых паров и даже в диссоциированном виде. Она играет очень важную роль даже в процессах вулканического извержения, находясь на глубинах и при высоких температурах в состоянии колоссальных давлений и вызывая сильнейшие взрывы при каждом открывшемся наружу доступе. Извержения сами по себе сильно изрешечивают толщу земной коры. Образующаяся и дальше развивающаяся сеть глубоко идущих трещин, по которым в течение тысячелетий пробиваются пары воды вместе с рядом других веществ, иногда обладающих свойством энергичного химического воздействия на горные породы, проходимые ими по пути, составляет колоссальную лабораторию, изготовляющую очень большое число минералов весьма разнообразного состава.
Едва ли не значительное большинство известных минералов образовалось путем именно такого пневматолиза. На поверхности эта, распространяющаяся на большую глубину, напряженная деятельность химических новообразований дает себя знать в виде фумарол, в изобилии рассеянных в областях действующих и потухающих вулканов.
Между самими фумаролами, в зависимости от расположения их по отношению к центрам извержения, a также и от возраста вулканов, со времени Сен-Клер-Девилля отличают следующие разряды: 1) сухие фумаролы с температурой, доходящей до 500°. В них выделяются преимущественно галоидные соединения, особенно ClNa и ClK, но также хлористые соединения Fe, Mn, Cu. Второе место после Cl занимает F. 2) Кислые фумаролы, в которых преимущественно выделяются ClH и SO2. В области их проявления наблюдаются налеты гематита Fe2O3 и серы. Ясно, что нелетучий гематит является продуктом химического взаимодействия FeCl3 на H2O. 3) Щелочные фумаролы, еще более низкой температуры, вплоть до температуры кипения воды. Так они называются потому, что выделяющийся ими нашатырь в газообразном состоянии разлагается на ClH и N3.H. Само по себе, выделение аммиака свидетельствует о воздействии фумарольных паров на растительный покров, может быть, скрытый и измененный под вулканическими продуктами. Здесь вместе с парами воды выделяется и сернистый водород, из которого часто в виде кристаллического налета выделяется сера. Промежуточный тип образуют 4) холодные фумаролы, выделяющие гл. обр. водяные пары с примесью углекислоты CO2 и сернистого водорода; впрочем, имеются и такие, которые в изобилии выделяют SH2 и SO2, a эти газы, вступая в обменную реакцию, выделяют серу, которая иногда скопляется в значительных количествах и служит предметом добычи. Наконец, 5) преимущественно при замирании вулканической деятельности или в местах, наиболее удаленных от вулканич. центров, образуются углекислые фумаролы, или мофетты.
Достаточно принять во внимание, что в фумаролах, a особенно в трех первых их разрядах, мы видим как бы выделяющиеся остатки той энергично-действующей химической лаборатории, которая расположена вдоль всех путей этих выделяющихся газов и паров, чтобы понять то разнообразие минералов, которое должно было явиться результатом этой деятельности. Нет возможности перечислить все эти минералы, но легко предвидеть, что на разных глубинах идут разные реакции, и в результате получаются разные минералы. Иногда это различие проявляется и не на очень различных глубинах. Так, напр., в медных рудниках Богословского горного округа замечено, что в верхних горизонтах скопляется медный блеск SCu2, иногда встречаются блеклые руды (мышьяковые и сурьмянистые), самородный мышьяк и т. п. Ниже значительных толщ пирротина чаще всего залегает халькопирит (медный колчедан) FeS2Cu, составляющий главную руду округа, и еще ниже начинается значительная толща магнетита. Ho все эти рудные минералы отнюдь не явились главным продуктом этой колоссальной лаборатории. Наоборот, они в сравнительно незначительном количестве распределены посреди весьма мощных толщ с многочисл. ответвлениями т. наз. авгитогранатовых пород, главные составные части которых уже указываются в их названии.
Весьма детальное исследование показало, что эта толща появилась позже на контакте главным образом двух существенно различных горных масс: массы осадочных пород сверху, в которой не малую роль играют известняки, и гранитового магмового бассейна, ныне проявляющегося в виде выходящего на поверхность гранитового массива. Название магмового бассейна относит его к тому времени, когда в сущности роговообманкового гранита еще не было, a имелся лишь весьма обширный резервуар расплавленной массы, которая и называется магмою; она еще, сама по себе, не представляет определенной горной породы, a только составляет источник, из которого впоследствии должны были развиться т. наз. изверженные горные породы, и притом не одна единичная, но в разных частях весьма различные, хотя и с преобладанием одной определенной.
При ее отвердевании именно в контакте долго еще оставалась часть, дававшая место проходу в обильном количестве разных газов, химически реагировавших не только с затвердевающими остатками магмы, но и с прилегавшими осадочными породами. Масса газов изобиловала содержанием окиси железа (напр., в виде FeCl3), a известняк поставлял известь в новообразующуюся породу с ее гранатом, содержащим большое количество как CaO, так и Fe2O3. Гораздо менее обильный авгит выделялся из остатков магмы, обогащаемой в составе другими окислами и, между прочим, тем же CaO, берущимся из известняка.
Такова лишь общая схема происходивших здесь процессов. Проникновение в детали открывает много других подробностей, всегда весьма разнообразящих явления, совершающиеся в природе. Может быть, заслуживает упоминания и тот факт, что вместе со многими другими химическими элементами в коловорот этих процессов вносилось и золото, которое, однако, редко сконцентрировывалось в тех или других неправильно разбросанных пунктах, a в наибольшей степени рассеивалось в общей массе, хотя и в ничтожных количествах. Тем не менее, когда, в конце концов, толщи эти приблизились (вследствие размыва) к самой поверхности и подверглись полному выветриванию, создав сильно железистые глины, не только с мелко рассеянным в них гематитом и другими рудными железными частичками, но и с довольно значительными скоплениями довольно чистой руды, промышленная промывка этих глин не без выгоды доставляла еще не малое количество золота.
Если такая картина раскрывается при изучении некоторых крупных уральских медных месторождений, то нечто совсем другое видим мы также в медных и притом весьма многочисленных на Малом Кавказе (так наз. параллельная Кавказу грандиозная горная гряда на юг от долины Куры).
Здесь медные месторождения (впрочем, преобладающим образом месторождения серного колчедана FeS2) занимают толщу не некогда бывших больших глубин, но, напротив, нижних частей лав и вулканических туфов, т. е. отложений тех же пород, распыленных и выброшенных силою взрыва в воздушную среду и упавших и скопившихся в слои в силу своей тяжести. Может быть, уже в период замирания действовавших здесь многочисленных вулканов настоящие фумаролы заместились уже горячими источниками (конечно, все-таки подогреваемыми приносимыми из глубины горячими газами), в изобилии приносившими как соединения Fe, так и Cu. Здесь повышенная химическая деятельность была связана с более высокою температурою воды, движущейся медленными потоками в системе трещин, проложивших пути этим потокам. Горячая вода, между прочим, в немалой степени выщелачивала кремнезем в одних местах пород и отлагала его в виде кварца в других местах. Происходил процесс кварцитизации этих пород, то-есть их превращение в породу, называющуюся кварцитом и состоящую преобладающим образом из зерен кварца, но отчасти и других образовавшихся при этом минералов. Обширный опыт показывает, что в тех же местах и притом в громадных количествах отлагался и хорошо окристаллизованный серный колчедан FeS2, a закончился этот процесс местными, сравнительно небольшими отложениями и медного колчедана, составившего, однако, штоки [2] в миллионы пудов. Чаще же и к отложенному серному колчедану, уже совсем в небольшом количестве, в его цементе присоединялся тот же медный колчедан, составивший в породе столь незначительную примесь, что из нее уже нельзя добыть медной руды, годной непосредственно для выплавки. Однако, на практике все-таки медь извлекается, но только уже попутно при обработке серного колчедана на заводах, приготовляющих серную кислоту.
Конечно, рядом с образованием месторождений этого типа более поверхностных рудных месторождений не исключается возможность одновременного образования и типов более глубокого происхождения в роде описанного выше. Но таковые месторождения еще на долгие времена остаются недосягаемы для промышленной деятельности человека, пока энергичный размыв не приблизит их в значительной мере к земной поверхности.
Рассматривание этих картин, раскрывающихся тяжкими человеческими усилиями в глубинах земных недр, незаметно отвело нас от условий простейшего генезиса минералов к сравнительно весьма сложным и имеющим связь с проявлениями вулканической деятельности.
От минеральных месторождений такого рода довольно резко отличаются те, происхождение которых относят к большим глубинам, но в которых уже не видно связи с вулканическими явлениями. В теоретич. отношении происхождение таких месторождений выяснено наиболее слабо, и приходится ограничиваться лишь вероятными соображениями, связывая их с глубинно-дислокационною деятельностью и большими передвижениями магм.
Сюда, напр., можно отнести преобразование гранитов в так называемые грейзены. В химическом отношении граниты, непременно содержащие в своем составе кварц, т. е. ангидритовый избыток той кислоты, соли которой представлены преобладающими минералами, нужно отнести к самым кислым представителям магм.
В наиболее типичном виде такие преобразованные толщи являются в месторождениях оловянного камня SnO2 тетрагональной сингонии, часто образующегося в хороших и крупных кристаллах в характерных двойниковых прорастаниях.
Для парагенезиса, то есть совокупности местных условий, характеризующих генезис, интересно почти постоянное сопровождение вольфрамита (или волчеца) WO4(Mn, Fe) моноклинной сингонии, как в более крупных индивидах, так и в рассеянном виде, даже в виде пыли, нередко или даже обычно в сопровождении с медными и висмутовыми минералами, серным и мышьяковым колчеданом, железным и молибденовым блеском MoS2 и пр.; но сама преобразованная порода, то есть грейзен, состоит гл. обр. из кварца с топазом SiO4Al2(F, OH)2 ромбич. сингонии, слабо окраш. слюдами (литионит, циннвальдит) с частою примесью флуорита, турмалина, берилла, апатита и пр.
Как можно судить по этому составу, в процессе химического преобразования принимали участие такие деятельные химические элементы, как F, B, P. Полосы разрушения представлены весьма неравномерно: местами главные составные части породы перемешаны почти равномерно, местами же преимущественно скопляется тот или другой из главных минералов породы с незначительными примесями второстепенных минералов. В России богатое развитие пород этого типа наблюдается в Забайкалье, особенно в Адун-Чилонском кряже.
Иного рода пневматолитические процессы особенно подробно изучены в южной Норвегии (Brögger, „Die Mineralien der Syenitpegmatitgänge der südnorwegischen Augit- und Nephelinsyenit“, Zeitschr. für Kristallogr. 16, 1890).
Вот, между прочим, минералы, отчасти весьма редкие, которые можно считать характерными для месторождений этого типа:
Обыкновенно столь существенное различие в минеральном составе тех, по количеству представленных сравнительно незначительно, но по ценности наиболее важных минералов, присутствие которых связано с характеристикой известных местностей, приписывается коренному различию состава магмовых бассейнов и в особенности степени их кислотности. Но это едва ли можно считать уже доказанным. Подмечаются и связи другого рода, напр., особое изобилие титанистых и циркониевых минералов в породах с нефелином (гексагональной сингонии и состава Si9O34Al8(Na, K)8, a может быть, и SiO4Al(Na, K), т. к. формулы лишь приближенны), к каковым относятся и породы этого района.
Было бы еще важнее определить условия генезиса радиоактивных минералов; однако, само изучение радиоактивности столь недавнего времени, что трудно надеяться на скорое и точное разрешение этого сложного вопроса, тем более, что по существу образующиеся при этом эманации и новые продукты всегда стремятся распространяться во всех направлениях, почему проявление слабых признаков радиоактивности наблюдалось в весьма широком распространении.
Коренные же источники радиоактивных минералов, т. е. главным образом соединений урана и тория, в сколько-нибудь значительных количествах очень редки и, видимо, связаны с древними горными массивами, черпавшими свой материал из больших глубин [3].
Из последнего списка минералов мы можем отчасти судить о сложности их химического состава, доходящего до такой степени, что уже является неосуществимым выражать его химическою формулою.
Вместе с тем и современные представления о генезисе таковых минералов рисуют действительно нечто весьма сложное, т. к. этот генезис связывается и с глубинными магмами, и с их частичным остыванием, a следовательно, присутствием и твердой фазы, и с проникающими толщу горячими газами и растворами.
Прежние представители M., начиная с Ели-де-Бомона и Сен-Клер-Девилля, в деле образования минералов существенное значение придавали присутствию определенных веществ, как таких посредников в химических реакциях, которые после реакции освобождались в первоначальном виде, a без них будто бы реакция произойти и вовсе не могла. Они называли их agents minéralisateurs. Теперь эти воззрения потеряли все свое значение, так как неизмеримо более точные данные современной физической химии говорят о том, что хотя такая посредническая деятельность некоторых веществ, как катализаторов, и имеет место в действительности, но она никоим образом не создает химического процесса, a только ускоряет ту реакцию, которая происходила бы и без их посредства. Между тем именно для объяснения процессов в толще земной коры мы менее всего нуждаемся в ускорении процессов и даже хорошо знаем, что вообще все такие процессы протекают с чрезвычайною медленностью.
В противоположность минералам сложного состава, о которых только что была речь, минералы, представленные в громадном количестве и составляющие главнейшие составные части затвердевших магм (петрографически важнейшие минералы) отличаются простотою состава, a вместе с тем и простотою генезиса, так как он в сущности не отличается от генезиса тех, которые непосредственно выпадают из раствора; но в данном случае раствор, то есть магма, имел очень высокую температуру, a это обстоятельство лишь благоприятствует простоте состава, так же как и то, что посреди большого числа химических элементов здесь лишь немногие из них находятся в таком подавляющем преобладании, что влияние остальных, как влияние ничтожных масс в химических реакциях, может быть игнорируемо.
Все почти минералы этого рода могут быть по составу сведены к окислам четырех разрядов, смотря по элементу, a сами минералы составляются из 1-го, 2-х, 3-х или даже всех 4-х разрядов этих окислов. К этим окислам следует отнести: 1) четырехатомные, преобладающим образом представленные одним, a именно Si2O4 (или проще SiO2), 2) трехатомные Al3O3, Fe2O3; 3) двухатомные Fe2O2, Mg2O2, Ca2O2 (обыкн. формулу сокращ. вдвое) и 4) одноатомные Na2O и K2O. Но даже и из этих немногих окислов некоторые проявляют в своих свойствах такую родственную близость, что могут замещать друг друга в произвольн. пропорциях, не нарушая типа соединения и его простой формулы.
Из относящихся сюда минералов к тем, состав которых есть простой окисел, принадл.: кварц (редко тридимит), корунд Аl2O3 и гематит Fe2O3.
Появление первого характеризует особую кислотность первоначальной магмы, a редкое появление второго — особенно изобильное содержание магмы глиноземом. Специально в отношении последнего некоторые экспериментаторы, напр., Морозевич, пытались установить те пределы содержания глинозема в шлаках, когда корунд выделяется в самостоят. кристаллах. Двойные окислы представлены в изверженных минералах гораздо обильнее и составляют собою особо важные минеральные ряды. Сюда относится изодиморфная группа пироксенов и амфиболов, главные представители которых моноклинной сингонии, но они резко различаются друг от друга по своим формам и существенным свойствам (особенно по плоскостям спайности). Их состав существенно выражается формулою SiO3(Mg, Fe, Ca), при чем чаще всего для пироксенов отношение (Mg, Fe):Ca как 9:1, a в амфиболах — как 3:1. Сюда же принадлежит и группа оливина (перидота) SiO4(Mg, Fe)2, a также и шпинели, из коих особ. часто представлен плеонаст [(Al, Fe)O2]2(Mg, Fe). В состав тройных окислов всегда входит Si2O4 и Al2O3 (или Fe2O3), а потому можно различать те, в состав которых входят еще двухатомные, и те, куда входят одноатомные окислы.
К первым относится анортит Si2O8Al2Ca триклинной сингонии (иногда еще из гранатов аплом (см. выше). Ко вторым относится альбит Si3O8AlNa, проявляющий замечательный изоморфизм с анортитом (см. выше) и потому образующий почти непрерывную группу „плагиоклазов“, также ортоклаз Si3O8AlK моноклинной и того же состава микроклин триклинной сингонии. Все только что перечисленные минералы по своей особой близости получили общее название „полевых шпатов“. Сюда же относится лейцит [Si3O8][SiO4]Аl2(K, Na)2 тетрагональный, псевдокубический, эгирин (и акмит) [SiO3]2FeNa моноклинный, нефелин (см. выше). Реже встречаются содалит, нозеан и др.
Впрочем, формулы минералов здесь написаны в простейшем виде; действительный же анализ дает более сложные результаты.
Прежде всего это происходит вследствие особого изоморфизма (эквивалентного, см. кристаллография), a именно между альбитом и анортитом (плагиоклазы), a также между пироксеном и эгирином [4] (почему не только эти смеси, но и сам эгирин также причисляется к пироксенам).
Состав пироксенов и амфиболов усложняется еще в большей степени вовлечением в него некоторого количества Al2O3 или Fe2O3.
К важным минералам, в составе котор. представлены все четыре группы окислов, относятся слюды. Однако, их химическ. формулу едва ли можно считать окончательно установленною.
Действующие в толщах земной коры мощные механические силы вызывают в ней пертурбации с значительными перемещениями частей. Они превращают ее в подвижную литосферу (конечно, движения ее по своей медленности не могут итти и в сравнение с движениями атмосферы), в которой одни части из глубин приближаются и, наконец, выступают на поверхность, a другие погружаются все в большие и большие глубины. По этим причинам те условия, при которых в каждом месте образ. те или другие минералы, постоянно изменяются, a с этим изменением начинается разрушение раньше образовавшихся и появление из их состава новых минералов.
Особенно сосредоточены и удобны для наблюдений изменения, происходящие на самой поверхности или близко к ней. В преобладающей степени эти изменения выражаются геологическим термином „выветривание“, которому мы, между прочим, обязаны происхождением почв, a следовательно, и развитию растительности.
Но с минералогической точки зрения и этот процесс есть не только разрушение одних, но и новообразование других минералов, являющихся прочными именно при этих новых условиях. Но в большинстве случаев эти новообразующиеся минералы являются в таком тонком, пылеобразном разделении, что современная М. еще не в состоянии с ними справиться и приложить методы, выработанные ею для минералов, проявляющихся в более крупном виде (хотя бы и размерами в неск. сотых миллиметра).
Однако, нередко на эти последующие минеральные преобразования можно смотреть лишь как на сокрытие тех важных процессов, какие имели место раньше и привели к предыдущему минералообразованию. Особенно в практической геологии важнейшею задачею является именно расшифрование того, что имелось раньше и что скрыто позднейшими разрушающими процессами.
Наиболее важными фактами, способствующими такому расшифрованию, являются так называемые ложные кристаллы, или псевдоморфозы. Они являются результатом неравномерного химического разрушения, когда таковому подвергаются хорошо образовавшиеся кристаллы какого-нибудь минерала и вовсе или почти не подвергаются (в течение некоторого времени) те вещества, которые их облекают. При этом разрушении обычная форма этих кристаллов иногда сохраняется в безукоризненном виде (хотя это относительно редко; большею частью форма при этом процессе несколько уродуется), a содержимое замещается вновь образовавшимся веществом, иногда однородным, a иногда и сложною смесью. По форме же, как объяснено выше, можно иногда с большою точностью определить первоначальное вещество.
Как пример, отчасти рассмотренный уже выше, можно привести псевдоморфозы гематита по гранату. Если бы все остальные соображения, приведшие к выводу о том, что в Богословском округе в его известных месторождениях гематит возникает на счет граната, обильно содержащего Fe2O3, то одно нахождение таких псевдоморфоз устраняет в том всякое сомнение [5].
В заключение следует упомянуть об одном, хотя и побочном, но весьма важном отделе, значение которого для М. очевидно само по себе. Я имею в виду искусственное воспроизведение минералов, точнее — тех веществ, которые оказываются тождественными с известными минералами.
Этот отдел, в состав которого вошло как описание опытов, сознательно направленных к воспроизведению минералов в их естественных формах, так иногда и случайных наблюдений образования кристаллов тех же веществ, что и известны и посреди образовавшихся в природе, мало-по-малу развился в столь большой предмет, что ему посвящено не мало специальных книг. В том числе имеется и книга проф. Чирвинского, на русском языке. Конечно, здесь возможно сообщить о результатах лишь в самых общих чертах. Так как все минералы в толщах земных недр образуются при высоких давлениях, то делались попытки произведения химических реакций при этих условиях. Первым, пытавшимся сделать это, был бельгийский ученый Шпринг. При давлении в 5.000 атмосфер из порошковатой смеси серы с медью им был получен медный блеск Cu2S, a при замене Cu серебром — также и серебряный блеск Ag2S; аналогично получен и свинцовый блеск PbS и т. д.
Ерофеев в метеорите из Ново-Уреи наблюдал микроскопические зернышки алмаза. Чернов сделал подобное же наблюдение в чугуне. Муассан воспроизвел это уже искусственно, растворив в расплавленном серебре тончайшую угольную пыль и выливая затем расплавленную струю металла в холодную воду; от остывания образовывалась сначала твердая пленка металла, производившая на часть, оставшуюся временно жидкою, высокое давление, способствовавшее растворению пыли. В результате, по растворении металла в HNO3 выпадают кристаллические зернышки алмаза (или карбоната), хотя и микроскопических размеров.
Сенармон (с 1850 г.) ввел в употребление тугоплавкие запаянные стеклянные трубки с водным раствором, подвергающиеся нагреванию до 150°, или железные трубки, нагревающиеся до 300° и даже 350°. Таким образом он воспроизвел около десятка минералов, находимых в рудных жилах особенно часто, как, напр., сурьмяный блеск Sb2S3, цинковую обманку SZn, свинцовый блеск PbS, серный и медный колчеданы и пр.
Кварц SiO2 впервые искусственно воспроизведен в 1845 г. Шафгейтом, a затем Сенармоном, при нагревании студенистого кремнезема в запаянных трубках при нагревании. Фридель и Саразен получили и другую его разность — тридимит. В аналогичных же условиях получены корунд Al2O3 и диаспор Al(OH)3. Эбельнену удалось довести кристаллы искусственного корунда до довольно значительных размеров и ввести окрашивающие примеси, которые делали его тождественным с рубином и сафиром. В настоящее время список доведен до огромных размеров. Библиографию пособий см. VI, 640, прилож., IV.
- ↑ Иногда разности минералов одного и того же состава могут служить указателями температуры их образования и в этом смысле называются „геологическими термометрами“. См. кристаллография (о полиморфизме, XXV, 613/14).
- ↑ Горнозаводский термин, выражающий скопление в одном месте минералов, отличных от тех, что представлены в окружающих горных породах.
- ↑ Некоторые из радиоактивных минералов были даже впервые открыты в России, впрочем, в то время, когда о существовании радиоактивности и не подозревали. Сюда относятся, напр., открытые в Ильменских горах монацит, пирохлор, самарскит. Здесь же были найдены эшинит, чевкинит, ксенотим, аннередит. Заслуга нахождения в Фергане (в Туркестане) не только радиоактивных вообще, но и новых, принадлежит горн. инж. Антипову. Найденному им ферганиту приписывается состав (VO4)2(UO2)2Ca.4aq. Замечены признаки изрядной радиоактивности в ортитах Забайкальской области (даже почти у берегов этого озера).
- ↑ Эквивалентность изоморфизма двух первых станет ясна, если мы их формулы напишем в виде Si2IVAl2IIICa2IIO8 и Si3IVAlIIINaIO8 (III + II = IV + I), a для вторых [SiO3]2(MgII, Fe)2 и [SiO3]2 FeIIINaI (II + II = III + I).
- ↑ В том же округе найдены псевдоморфозы малахита CO2(CuOH)2 по форме атакамита Cu2(OH)2Cl методом непосредственного измерения кристаллов (кристаллохимического анализа). Присутствие такого вещества, содержащего Cl, представило бы загадку, если бы не то обстоятельство, что место находки — в скалах авгитогранатовых пород, находившихся в третичное время недалеко от берегов моря.