ООН. Минералогия. Объекты и содержание минералогии
 Скачать 26.16 Kb.
|
|
Объекты и содержание минералогии. Связь минералогии с другими науками. Значение минералогии для человека. История развития минералогии. История развития минералогии в России. Объекты и содержание минералогии Основным и прямым объектом минералогии является минерал. Существует много трактовок понятия «минерал». Если упрощенно, то минерал – природное химическое соединение кристаллической структуры. Минерал (по К. Хёрлбату и К. Клейну) – это «встречающееся в природе однородное твердое тело с определенным, но обычно непостоянным, химическим составом и упорядоченным атомным расположением. Он обычно образуется в результате неорганических процессов». Последовательный разбор этого определения поможет его понять. Ограничение «встречающееся в природе» отделяет минералы природные и созданные в лабораториях. Последние называют синтетическими, или искусственными минералами. Например, искусственный кварц, рубин, гранаты и др. Дальнейшее определение утверждает, что минерал – это однородное тело. Это означает, что он состоит из единой твердой субстанции, которую нельзя физически разделить на более простые химические соединения. Однородность определить на глаз трудно, т. к. образец может быть агрегатом, состоящим из мелких зерен минерала, хотя внешне казаться однородным. Прилагательное твердый исключает газы и жидкости. Так вода – не минерал, а лед – минерал. Исключение – ртуть (минералоид). Утверждение, что имеет определенный химический состав, означает, что его можно выразить формулой. Однако большинство минералов не имеет точно определенного состава. Например, кварц, как правило, чистый SiO2, а вот доломит CaMg(CO3)2 – это не всегда чистый карбонат Ca и Mg. Он может содержать в качестве примеси Mn и Fe. Поскольку эти количества переменные, говорят, что состав доломита изменяется в определенных пределах и, следовательно, непостоянный. Упорядоченное расположение атомов указывает, на то, что минералы кристалличны. Твердые вещества без упорядоченного расположения атомов, называют аморфными. Например, опал, обсидиан, стекла разного состава – минералоиды, а не минералы. В соответствии с традиционным определением, минерал обычно образуется в результате неорганических процессов. Наречие «обычно» в определении позволяет включать в область изучения минералогии некоторые соединения органического происхождения, которые соответствуют всем остальным требованиям понятия минерал. Пример – карбонат кальция раковин и моллюсков, жемчуга, кораллов. Другие примеры – это сера, образованная действием бактерий, и окись железа, осажденная железными бактериями. Также графит, гагат – продукт уплотнения угля (органического происхождения). Минералов сейчас насчитывают около 3500–4000, и все они являются прямыми объектами минералогии. Также к прямым, но дополняющим объектам минералогии относятся горные породы, руды, минеральные месторождения и другие геологические объекты, т. к. вне связи с ними минералогия не только лишается смысла, но и теряет начальный источник информации об условиях образования минералов в природе. Все это обязательные объекты минералогии. В то же время лед (минерал, по нашему определению) является объектом гляциологии и грунтоведения; оксалаты, фосфаты, ураты, слагающие камни в почках человека, – объекты изучения, как в медицине, так и в особой ветви минералогии (биоминералогии), т. е. это общие объекты разных наук. Еще менее определено положение искусственных кристаллических соединений и продуктов самопроизвольной кристаллизации в естественных условиях различных техногенных продуктов, например, в ходе самопроизвольного возгорания терриконов, химических превращений захороненных отходов производства и др. Большинство исследователей не считают эти процессы геологическими и не относят эти вещества к минералам – это необязательные (спорные) объекты минералогии. «Спорность» здесь, однако, не указывает на ненужность их исследования. Загадка многих природных процессов минералообразования решается при изучении этих объектов, просто они уже находятся в области перекрытия интересов минералогии с другими науками. Минералогия занимается: изучением свойств и состава минералов, выявлением геологических условий и физико-химической обстановки образования минералов; исследованием минералов как формы концентрации одних и рассеивания других элементов; выяснением механизма зарождения, роста и разрушения минералов; разработкой минералогических критериев поиска рудного и нерудного сырья. Как отмечал В. И. Вернадский: «цель и суть минералогии состоит не в статичном описании минеральных фаз как мертвых тел и не в составлении классификаций, явление и процесс – вот главные ее объекты». Значение минералов для человека Многие минералы обладают большой эстетической привлекательностью не только тогда, когда они обработаны как драгоценные камни, но и в натуральном виде. Они являются коллекционным материалом. Многие минералы имеют ценность как рудное сырье. Это качество минералов заключено в их химическом составе, так как именно химический состав определяет, какие элементы могут быть извлечены из минерала посредством плавления или разрушения его структуры другим способом. Такой ценностью обладают, например, халькозин, галенит, сфалерит (сульфиды меди, свинца и цинка), касситерит (оксид олова) и многие другие минералы. Другой особенностью минералов является наличие у них уникальных свойств, связанных с кристаллической структурой. Алмаз и графит представляют собой различные кристаллические формы чистого углерода, а весьма значительные отличия в их физических свойствах обусловлены только способом, по которому атомы углерода расположены в пространстве и объединены в кристаллы. Алмаз самый твердый минерал используется как абразив, а графит один из самых мягких минералов – смазочный материал или карандашный грифель. Особенности минералов – это не только их твердость, оптические характеристики, но и пьезоэлектрические и магнитные свойства. Например, кварц, обладающий пьезоэлектрическими свойствами, применяется при изготовлении часов, манометров, сложных приборов, используемых в военном деле. Еще одна особенность минералов – их ассоциации, которые образуют горные породы и позволяют получать информацию о геологических процессах. Петрография, занимающаяся изучением минеральных агрегатов или пород, неизбежно связана с минералогией, и весьма трудно провести границу, разделяющую описание минералов и оценку петрологических обстановок их образования. Проведя эксперименты и поняв, как меняются структура и состав минералов при изменении температуры и давления, мы получаем основу для построения теорий эволюции земной коры, а также можем судить о строении и составе глубоких недр Земли. История развития минералогии Выделим некоторые ключевые этапы развития минералогии как науки. Минералогия как самостоятельная наука выделилась относительно недавно, но практика минералогического искусства возникла вместе с человеческой цивилизацией. Природные краски, сделанные из красного гематита и черной окиси марганца, использовались в пещерных росписях древним человеком, а кремневые орудия были желанной собственностью в каменном веке. Первым исследователем минералов можно назвать Аристотеля (348–322 гг. до н. э.), который включил раздел о камнях (минералах, металлах и ископаемых остатках организмов) в свою «Метеорологию». Однако, первой письменной работой по минералам считается трактат греческого философа Теофраста (372–287 гг. до н. э.) «О камнях». Плиний Старший (23–79 гг. н. э.) спустя 400 лет записал минералогические идеи своего времени. Он изложил естественную историю в 37 томах в труде «Естественная история», из которых 5 посвящены минералам. Термин минерал кельтского корня существовал где-то с 12 в. Под ним подразумевали металлические руды и прочие минералы и породы. В последующие 1500 лет был опубликован ряд работ по минералам, в которых было много легенд, но мало фактической информации. Наибольших успехов (середина эпохи Возрождения) в изучении минералогии были найдены в трудах немецкого физика, горного советника Георга Бауэра (1494–1555), известного под латинским именем Георга Агриколы. Особый интерес представляют две книги «О природе ископаемых» – 1546 г. и «О рудах металлов» – 1556 г. Агрикола перечислил и дал описание в основном физических свойств минералов: твердости, характеру спайности, которые и до настоящего времени используются при макроскопическом описании минералов. Некоторые историки науки назвали Агриколу «отцом минералогии». Следующая веха в развитии минералогии связана с работами датского ученого Нильса Стенсена (Николауса Стено). В 1669 г. им было показано, что углы между гранями кристаллов кварца постоянны независимо от формы и размеров этих граней. Это открытие легло в основу развития кристаллографии. Более столетия прошло до следующего крупного вклада в эту науку. В 1780 г. Каранжо изобрел прибор (прикладной гониометр) для измерения углов между кристаллическими гранями. В 1783 г. теория Стено была подтверждена Роме де Лилем, который сформулировал закон постоянства гранных углов. В 1784 г. Рене Ж. Гаюи показал, что кристаллы строятся путем упаковки крошечных одинаковых строительных блоков, которые он назвал интегральными молекулами. Позже (в 1801 г.), изучив сотни кристаллов, Гаюи развил теорию рациональных индексов кристаллических граней. Многие считают заслугой Гаюи превращение минералогии в истинную науку и, как и Агриколу, называют родоначальником новой отрасли науки – «отцом математической кристаллографии». Восемнадцатый век характеризовался медленным, но непрерывным развитием минералогии. Были открыты и описаны новые минералы, были предприняты попытки рациональной классификации минералов. Минералогия стала первой из геологических дисциплин, которую начали преподавать в высших учебных заведениях. Особенно надо выделить крупнейшего педагога своего времени профессора Горной академии во Фрейберге Абраама Готлоба Вернера (1750–1817), по предложению которого из минералогии (она называлась тогда ориктогнозией) были выделены геология, палеонтология и тектоника. Он выделил особые разделы минералогии – химическую, географическую и экономическую минералогию. А. Г. Вернер создал классификацию, хотя и очень громоздкую – на основе внешних признаков: окраски, внешнего и внутреннего вида (облик, поверхность, блеск, излом, форма обломков). Значительно более прогрессивными были работы русского химика и минералога В. М. Севергина (1765–1826). Он был продолжателем научных идей М. В. Ломоносова. Создал 2-х томный труд «Первые основания минералогии». Считал, что минералы в природе образуются не изолировано, а образуют закономерные ассоциации (парагенезисы). Он создал научную основу для поисков и прогноза месторождений полезных ископаемых. В начале XIX столетия в области минералогии началось быстрое развитие. В 1809 г. Волластон изобрел отражательный гониометр, который позволял очень точно измерять положение граней. Это сделало кристаллографию точной наукой. В начале XIX в. шведский химик Якоб Берцелиус (1779–1848) и его ученики также занимались химией минералов и сформировали принципы их химической классификации. В 1815 г. французский натуралист Кордье, направил свой микроскоп на обломки минералов, погруженные в воду, положив начало иммерсионному методу. В 1837 г. Джеймс Дэна (1813–1895) из Йельского университета выпустил первое издание «Системы минералогии». В четвертом издании этого труда, вышедшем в 1854 г., Дэна предложил классификацию минералов, основанную на их химическом составе, которая до сих пор пользуется признанием у большинства минералогов. Хотя микроскоп использовался для изучения минералов с начала XIX в., но лишь после того, как в 1828 г. Уильям Николь (1768–1851) применил поляризаторы, оптические методы заняли важнейшее место в минералогических исследованиях. Первое применение поляризационного микроскопа приписывают английскому петрографу Генри Клифтону Сорби (1826–1908). Последнего часто считают «отцом оптической петрографии». Обширные результаты в изучении физических – оптических свойств были получены Ф. Циркелем, Г. Розенбушем, А. А. Иностранцевым, А. П. Карпинским, твердости – Ф. Моосом . В последние годы XIX в. Е. С. Федоров, А. Е. Барлоу и др., работая независимо, почти одновременно разработали теории внутренней симметрии и порядка в кристаллах, которые стали основой для более поздних работ по рентгеновской кристаллографии. Первые крупнейшие достижения XX в. связаны с экспериментами по исследованию рентгеновских лучей с кристаллами. Эти эксперименты, задуманные Максом фон Лауэ, были осуществлены в 1912 г. его студентами. Вскоре после этого были опубликованы результаты рентгенографических исследований по определению пространственного расположения атомов в некоторых минералах. Другой важнейший вклад в развитие минералогии был сделан в 1916 г., когда П. Дебай и П. Шерер в Цюрихе и независимо от них А. У. Халл в США разработали метод, который теперь называется порошковой рентгенографией. В дальнейшем ряд других методик и применение рентгеновских дифрактометров в сочетании с ЭВМ привели к значительным успехам в минералогии. Более поздние этапы развития минералогии характеризуются широким использованием электронных микроанализаторов и постоянно возрастающим применением некоторых других сложных приборов и методов (например, мессбауэровской и инфракрасной спектроскопии), в задачу которых входит определение тех или иных характеристик минералов и других кристаллических веществ. Минералогия включает теперь широкую область исследований, в которую входят рентгеновская кристаллография, экспериментальная минералогия, петрология (изучение горных пород) и ряд вопросов металлургии, кристаллофизики и керамики. История развития минералогии в России В России развитие минералогических знаний шло самостоятельными путями. Начало развития отечественной минералогии связано с именем М. В. Ломоносова (1711–1765). В 1742 г. он приступил к изучению минералов и составлению каталога минералогического музея Академии наук. Он написал такие геологические труды как «Слово о рождении металлов от трясения Земли», «О слоях земных» и др. В них он дает многочисленные указания по поискам руд. В 1773 г. в Петербурге было основано одно из старейших в мире учебных заведений – Высшее горное училище (ныне Горный институт), многие из воспитанников которого, стали выдающимися учеными, профессорами и академиками, внесшими крупный вклад в развитие минералогии. Открытие минеральных богатств России было обусловлено появлением Минералогического общества в 1817 г., которое занималось распространением минералогических знаний. Также большую роль сыграли местные энтузиасты – простые крестьяне и работники горных служб. Их усилиями были выявлены многочисленные месторождения драгоценных камней, золота, платины, впервые открытые на Урале, месторождения железа, меди, свинца, серебра и др. К середине XIX в. минералогия окончательно стала оформляться как наука о минералах, которые представлялись кристаллическими индивидами Среди русских минералогов наиболее весомый вклад в развитие минералогии внесли такие ученые как В. М. Севергин (1765–1826), Д. И. Соколов (1788–1852), Н. И. Кокшаров (1818–1892) и др. О роли В. М. Севергина мы уже упоминали – это основатель учения о минеральных парагенезисах. Д. И. Соколов читал в течение 33 лет минералогию и другие курсы геологии в Петербургском горном корпусе (ныне Горном институте). Написал двухтомное «Руководство к минералогии» (1832) как пособие для учащихся. С именем Н. И. Кокшарова связан расцвет русской минералогии. Его многочисленные описания и измерения кристаллов прочно вошли во все учебники и справочники по минералогии. Результатом его работы явилось одиннадцатитомный труд «Материалы для минералогии России». По мере накопления данных химического состава минералов многие исследователи (Т. Е. Ловиц, Р. Герман, П. Евреинов и др.) пытались создать классификацию минералов. Однако рациональная классификация стала возможной только после создания периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева (1834–1907). В конце XIX начале XX вв. крупнейшие достижения российской науки в области кристаллографии были сделаны Е. С. Федоровым (1853–1919). Путем строгого математического анализа он подошел к теории строения кристаллов, отразившейся в труде «Симметрия правильных систем фигур» где он обосновал существование 230 пространственных групп симметрии. Мысль о том, что минералы представляют собой продукты химических реакций, совершающихся в земной коре, наиболее ярко отражена в многочисленных трудах профессора МГУ акад. В. И. Вернадского (1863–1945). Рассматривая минералогию как «химию земной коры», Вернадский создал новое направление в области минералогических исследований. Много внимания он уделял химическому составу минералов, вопросам парагенезисов минералов и изучению вопросов существования минералов в природе в историческом аспекте. В 1891 г. Вернадский доказал опытом положение о том, что в алюмосиликатах может иметь место замена четырехвалентного кремния трехвалентным алюминием. Спустя 30 лет это было доказано рентгенометрическими исследованиями полевых шпатов. Как результат многолетнего труда в период 1908–1914 гг. появился первый том его классической монографии по минералогии России «Опыт описательной минералогии», посвященной классу самородных элементов. Этот том, как и «История минералов земной коры» не был закончен при его жизни. Вернадский сделал ряд интереснейших обобщений, которые легли в основу новой, созданной им, области знания – геохимии. Своим современным развитием геохимия, кроме В. И. Вернадского, обязана В. М. Гольдшмидту (1888–1947) и А. Е. Ферсману (1883–1945). Большую роль в открытии и освоении минеральных богатств России сыграли научные геологические экспедиции, проводившиеся под непосредственным участием А. Е. Ферсмана, ученика В. И. Вернадского. А. Е. Ферсман изучил сотни месторождений на Урале, в Средней Азии, Сибири и зарубежных стран, Кольского полуострова, освоение которых связано с его именем. Из многочисленных его трудов наиболее известна монография «Пегматиты». В дальнейшем он посвятил себя геохимии, с которой связаны его основные работы. Его роль как популяризатора минералогии и геохимии невозможно переоценить. Его перу принадлежит книга «Занимательная минералогия», претерпевшая множество переизданий Большая заслуга в изучении минеральных богатств и подготовке кадров принадлежит А. К. Болдыреву (1883–1946), ближайшему ученику Е. С. Федорова. Его подробный «Курс описательной минералогии» и другие издания оказали огромное влияние на распространение минералогических знаний в России. Огромную роль в исследовании рудных минералов и месторождений сыграл С.С. Смирнов (1895–1947), посвятивший свою жизнь созданию минерально-сырьевой базы России. Из его трудов наиболее известна классическая монография «Зона окисления сульфидных месторождений». |