. Диагностические признаки. Классификация минералов
О минералах – вообще и в частности
Каждый из нас волей-неволей наслышан о минералах: ежедневно и ежечасно нам твердит о них реклама. Минералы там, минералы сям, в лекарствах, косметике, кошачьем корме… Что же это такое – минералы? Спросим специалистов.
Современное определение звучит так: минерал – это твердое тело природного неорганического происхождения, имеющее кристаллическое строение и состав, который можно выразить химической формулой. То есть минералы – это кристаллы (или кристаллики), их можно пощупать, измерить, взвесить или хотя бы увидеть, пусть даже в лупу или микроскоп. Что касается «минералов в кошачьем корме» и т.п., то это всего лишь рекламный вздор, забудьте.
Но с многими минералами мы действительно имеем дело в повседневной жизни. И буквально каждый день – с самым жизненно важным, незаменимым минералом №1 – обыкновенной поваренной (каменной) солью, галитом. Без остальных минералов жить кое-как можно; хотя что за жизнь, например, без полевого шпата, из которого делают фарфор, фаянс и зубные пасты; или, тем более, без минералов – драгоценных камней? Природные камни, применяемые в строительстве, тоже состоят из минералов. Некоторые минералы служат источниками металлов, из которых делают гвозди и часовые механизмы, провода, микросхемы, компьютеры и еще множество нужных вещей.
Слово «минерал» употребляется также в собирательном значении вместо более точного термина «минеральный вид» – по аналогии с биологическими видами животных и растений. Минеральный вид – это совокупность минералов, одинаковых по химическому составу и кристаллической структуре. Например, галит – это природные кристаллы хлорида натрия с кубической кристаллической решеткой и параметром элементарной ячейки a0 =0,564 нм.
Два минерала относятся к одному минеральному виду, если у них попарно совпадают оба определяющих признака, и к разным видам, если хотя бы в одной паре имеется несовпадение. Например, идентичные по составу, но структурно различные пирит FeS2 (фото 2 и 3) и марказит FeS2 (фото 4 и 5) – разные минералы. В данном случае это и так достаточно заметно, но вообще-то внешность минералов обманчива, что порождает немало недоразумений. Каждый минералог и коллекционер знает, как часто пирит принимают за марказит. В то же время, как видно из фотографий, и пирит пириту рознь, и марказит марказиту рознь: представители одного минерального вида могут выглядеть по-разному.
Но к простому и ясному пониманию минералов наука подобралась вовсе не просто и не сразу. Представления о минералах менялись со временем, демонстрируя связь с развитием производства и хозяйственных потребностей, то есть с самой историей человечества.
Да и само понятие «минерал» возникло относительно недавно. Разумеется, оно было совершенно незнакомо первобытному человеку. Ничего не знал он и о химических составах и кристаллических структурах. Вокруг он видел просто камни, и ему достаточно было знать те их свойства, что были важны при изготовлении примитивных орудий и сооружений. Обо всем этом не стоило бы и упоминать, если бы не маленькое обстоятельство, которое, возможно, привлечет внимание современного коллекционера: находки археологов указывают на тот любопытный факт, что отдельные минералы (как мы назвали бы их сегодня) были интересны древнему человеку независимо от их практического использования.
Для чего, например, понадобился ему куб галенита, через десятки тысяч лет, в 1986 г., найденный американскими археологами при раскопках палеолитических курганов Долины Миссиссиппи? Ведь галенит (фото 6), как известно, не валяется под ногами где угодно. Древний человек мог подобрать его не ближе чем в сотне километров от места раскопок, там, где рудная залежь полосы Вайбернум-Тренд выходит на поверхность земли. Свидетелей этого события нет, и нам остается предположить, что кристалл галенита заинтересовал человека необычным видом – блеском, тяжестью, еще чем-нибудь. По-видимому, коллекционерский инстинкт – стремление сохранять необычное, редкое, исчезающее был свойствен даже нашим самым далеким предкам.
В IV веке до н.э. Аристотель расчленил окружающий мир на три «царства» – животное, растительное и минеральное. К минеральному он отнес все, что не попадало в первые два, сформулировав тем самым исторически исходную позицию: минералы – вся неживая природа. Впоследствии, по мере накопления данных и открытия ранее неизвестных минеральных видов, понятию минерала суждено было все более сужаться.
Однако до начала XVI столетия все еще не знали разницы между минералами как таковыми и горными породами, окаменелостями, рудами, а также искусственными продуктами. Основное внимание уделялось применению и способам идентификации минеральных веществ, как можно видеть на примере сводки, составленной в 1048 г. узбекским энциклопедистом Бируни. Правда, в средневековой Европе трактаты о камнях («лапидарии») как правило были компиляциями античных текстов со схоластическими комментариями и непременным перечислением «сокровенных» свойств камней: «Тем, кто носит агат, он дарует и силу, и крепость, // Делает красноречивым, приятным и с виду цветущим» (Марбод Реннский, 1080 г.).
Сам термин «минерал», насколько известно, впервые употребил ученый монах XIII в. Альбертус Магнус (Альберт Великий). На средневековой латыни он означал «то, что из рудника», «ископаемое». Намек на практическое отношение к минералам был отражением более зрелой стадии разделения труда и, соответственно, дифференциации знания: из понятия минерала исключались искусственные тела. Но к минералам все еще относили любые ископаемые: и обломки горных пород, и окаменевшие остатки животных и растений, а также воду, нефть, каменный уголь. Потребность разделить понятия еще не назрела.
В эпоху Ренессанса расцвет промышленного производства и торговли увеличил спрос на металлы, особенно цветные и благородные. Спрос вызвал интенсивное освоение рудных месторождений, развитие горного дела и металлургии. Возникли новые вопросы к науке, прежде всего относительно рудных минералов и их спутников в рудных жилах и залежах. С этого началась минералогия как наука. Среди ученых-натуралистов, отказавшихся от средневековой схоластики и посвятивших себя прямому изучению природы, выделяется фигура саксонского врача, минералога и коллекционера Георгия Агриколы (Георга Бауэра, 1494–1555). «Ископаемые» Агрикола изучал не по древним манускриптам, а непосредственно в горных выработках. Он составил описания физических свойств многих минералов, окаменелостей, разного рода камней и даже каменных топоров, принимавшихся тогда за упавшие с неба «громовые камни», добавив ко всему этому 20 «ископаемых», открытых собственноручно. Все еще не делая различия между минералами и прочими ископаемыми, Агрикола считал их продуктами природных геологических процессов. О «сверхъестественных силах» он высказался категорично: «О тайных силах, приписываемых персидскими магами и арабами некоторым камням и самоцветам, я не скажу ничего. Достоинство и приличия обязывают человека науки полностью их отвергнуть» («О природе ископаемых», 1546 г.). Не мешало бы напомнить об этом современным апологетам «эзотерических свойств» камней. По мере накопления новых данных вырисовывалась специфика собственно минералов.
К началу XIX столетия знаний об окаменелостях накопилось достаточно для возникновения отдельной науки палеонтологии. А начиная с середины XIX в. от минералогии отпочковалась петрография – наука о горных породах.
До середины XX века отношения между наукой о минералах и практикой оставались довольно простыми. Минералы служили главным образом сырьем для коренной металлургической или химической переработки, и науку, соответственно, интересовал в первую очередь их состав и содержание нужных химических элементов. Так утверждался «химический» взгляд на минералы. Этому способствовали успехи химии, делавшей в то время свои самые важные открытия; минералогия, со своей стороны, снабжала ее новыми данными. В начале прошлого века возникла геохимия – наука о поведении химических элементов в земной коре. Ее создатели, знаменитые минералоги В.И. Вернадский (1863–1945), В.М. Гольдшмидт (1888–1947), А.Е. Ферсман (1883–1945), видели в минералах продукты протекающих в земной коре химических реакций: «Минерал есть химическое соединение химических элементов, образовавшееся естественным путем». А поскольку такими соединениями являются все вещества земной коры, минералами считали не только твердые, но и жидкие и даже газообразные природные тела. В.И. Вернадский, например, относил к минералам 1500 «минеральных видов» природных вод. Минералогия становилась прикладной наукой – химией земной коры.
Имелась, однако, и другая точка зрения: минерал – не просто химическое вещество, но и физическое тело определенной формы, размеров и т.д. В этих телах – минеральных индивидах – и конкретизируется каждый минеральный вид. Этого взгляда придерживались кристаллограф Е.С. Федоров (1853–1919), минералоги Г. Чермак (1836–1927), П. Грот (1843–1928), А.К. Болдырев (1883–1946) и др. В ходе дискуссии все более осознавалась фундаментальная роль минеральных индивидов. Мир минералов построен из индивидов и их «коллективов» – минеральных агрегатов, подобно тому, как мир животных и растений – из организмов, особей и их сообществ. Мысль о единстве организации природы всегда волновала ученых и философов. И в конечном счете вторая точка зрения возобладала. А поскольку жидкости и газы не имеют собственных форм и размеров, они не могут образовывать индивидов, а значит, не могут считаться минералами. Природные газы и жидкости не удается индивидуализировать и как химические вещества, так как на Земле они встречаются в виде смесей.
Особый интерес к индивидам и кристаллам минералов возник во второй половине XX века. В научных, а затем и в практических целях стали все больше использовать исландский шпат, оптический флюорит, пьезокварц и другие природные кристаллы. В кристаллическом состоянии находится подавляющее большинство твердых тел, составляющих земную кору. От аморфных тел их отличают не только особые свойства, связанные с правильностью внутреннего строения, но и гораздо большая определенность химического состава. К этому времени наука уже освоила способы «заглядывать» в кристаллические структуры и даже расшифровывать их. Эти способы были основаны на дифракции рентгеновских лучей в кристаллах, открытой еще в 1912 г. М. Лауэ, П. Книппингом и В. Фридрихом. В общем, все шло к тому, чтобы ограничить понятие минерала телами кристаллическими. И последний шаг к современному понятию минерала был, наконец, сделан.
Впрочем, природа всякий раз не прочь пошатнуть наши представления о ней и свести на нет результаты упорного труда целых поколений. Когда дело касается реальных природных объектов, в простых и ясных определениях то и дело обнаруживаются «дыры». Камнем преткновения стали две природные жидкости. Как быть с водой? В понятие минерала она не «влезает». Но стоит температуре воды понизиться всего до 0? С, и она становится самым настоящим минералом – твердым, кристаллическим, представленным индивидами, к тому же еще и весьма распространенным. Самородная ртуть по своей сути должна быть отнесена к классу минералов – самородных металлов; не к нефтям же и битумам! Однако полноправным минералом ртуть становится лишь, затвердевая при -39? С. Согласно формальному определению, минерал «самородная ртуть» следовало бы хранить и демонстрировать в музеях и коллекциях при температурах ниже -39? С, а минерал «лед» – ниже 0? С. С другой стороны, остальные, «истинные» минералы тоже могут переходить в жидкое состояние, разница лишь в температурах плавления. Но ведь нелепо искать предлог, чтобы узаконить диапазон температур от 0 до -39? С, позволяющий «прописать» среди минералов две упомянутые жидкости. Природа здесь пока ничего не подсказала, оставив это нашей собственной проблемой. Проблемы есть и с несколькими твердыми телами (в частности, с «обыкновенным» опалом), не имеющими кристаллического строения и оставленными в минералогической номенклатуре на правах исключения. Подобные «накрутки» портят красивое определение, бросая на него тень условности. Разумеется, с такими исключениями, как вода, переходящая в лед, или самородная ртуть, при обычных условиях жидкая, можно примириться. Но есть и более серьезные проблемы.
Хорошо известно, что жизнь, биологическая форма организации материи, подчиняясь фундаментальным законам физики и химии, отнюдь не сводится к ним. Биологический вид определяется биологическими, а не физическими и химическими признаками. Минерал же, в отличие от живых существ, устроен вроде бы совсем несложно, вся его суть – в составе и кристаллической структуре. Но вот В.И. Вернадский, например, был иного мнения. «Дать вполне полное определение этому понятию (минерала. – Б.К.) мы не можем, как не можем такового и для других объектов природы». И в самом деле, если бы минералы можно было исчерпывающе описывать физическими и химическими параметрами, то тем самым была бы стерта грань между ними и их искусственными аналогами – кристаллами, созданными в лабораториях и на заводах. Что эта грань реально существует, знает любой, кто умеет отличать природный рубин или другой ювелирный камень от его «синтетического» аналога. Не так уж прост минерал!
Но у нас есть еще в запасе «природное происхождение» минерала. Теперь мы видим, что это не просто протокольный признак, но свойство самого минерала. Оно заключается в том, что в любом природном кристалле записана его собственная «автобиография»: когда и где родился, в каких условиях рос, каким влияниям и воздействиям подвергался, какие приобрел персональные особенности, как взаимодействовал с соседями… Минерал – это организм, возникший и миллионы лет существовавший среди бесконечных перемен и катаклизмов, которые не могли не оставить на нем своих шрамов и отметин. Это и есть то, что отличает минерал от искусственного кристалла, даже полностью идентичного ему по составу и структуре. Далеко не все эти отметины удается расшифровать, хотя минералоги усердно работают в этом направлении. Более того, следует, возможно, признать, что содержание минерала как организма принципиально неисчерпаемо. Наличие богатой «биографии» делает минералы памятниками природы. К сожалению, при современной технологии добычи полезных ископаемых почти все самые значительные памятники погибают; усилиями ученых и коллекционеров удается сохранить лишь ничтожную их долю. Культура и наука будущего вынуждены будут довольствоваться случайно уцелевшими объедками от нашей хозяйственной алчности. К чести коллекционерского движения, не менее девяти десятых от общего числа спасенных памятников природы хранится, по подсчетам французских ученых, в частных коллекциях.
Как живое существо – это совокупность наследственных и приобретенных признаков, так и любой минеральный индивид – это продукт совместного действия двух факторов: внутреннего – кристаллической структуры и внешнего – условий и обстоятельств кристаллизации и дальнейшего существования кристалла, в общем, влияния среды существования. Хотя минералы не могут размножаться, кристаллическую структуру можно уподобить «генетическому», видовому признаку, тогда как влияние среды определяет признаки «приобретенные», индивидуальные. Структура – фактор стабильности, консервативности, унификации; влияние среды – фактор изменчивости, разнообразия, индивидуальности.
Подобно тому, как нет на свете двух совсем одинаковых кошек или грибов-подосиновиков, так среди множества идентичных по составу и кристаллической структуре минеральных индивидов не существует двух одинаковых. Природное происхождение – источник неограниченного, поражающего воображение разнообразия минерального царства. Правда, многие минералы известны пока лишь как единичные находки. Остальное царство минералов характеризуется многообразием форм, помноженным на многообразие несовершенств.
Многообразие кристаллических форм минералов порождается широким диапазоном физико-химических условий их образования, длительности процессов кристаллизации и влиянием всегда присутствующих посторонних веществ. На кристаллах кальцита обнаружено несколько сотен кристаллических форм! Многие из них даже получили выразительные горняцкие прозвища – от «собачьего клыка» до «крыла ангела». Еще более многообразны усложненные индивиды и «коллективы» индивидов. Даже малая доля этого многообразия совершенно немыслима в параллельном мире искусственных кристаллов.
Не менее эффективен другой фактор разнообразия – несовершенство кристаллов. Идеальный кристалл – один, несовершенных – сколько угодно. Примечательно, что абсолютно совершенных кристаллов в природе нет. Совсем нет! Афоризм «кристаллы блещут симметрией», принадлежащий знаменитому русскому кристаллографу Е.С. Федорову, можно дополнить: «и прекрасны несовершенством». Да, именно несовершенством! Совершенный кристалл с идеальной, бездефектной структурой и полной симметрией, как скучноватый чертеж в минералогическом справочнике – чистейшая абстракция. Абсолютное совершенство, абсолютная симметрия принципиально чужды природным кристаллам. Показателен пример одного из самых распространенных минералов – кварца, на долю которого приходится более 12% земной коры. Кристаллы кварца можно найти повсюду, от высокогорных хрустальных жил до известняковых карьеров Подмосковья. Но даже относительно малодефектные кристаллы, допускаемые стандартом для использования в пьезоэлектрической технике, настолько редки, труднодоступны и дороги, что промышленность вынуждена переходить на синтетическое сырье.
Идеальность природных кристаллов нарушается динамикой и кинетикой развития, скоростью процесса кристаллизации, влиянием разного рода внешних факторов. Красота несовершенства перестанет казаться парадоксальной, как только мы уясним, что реальный кристалл – это продукт компромисса между стремлением растущего кристалла к максимуму совершенства и стремлением достигнуть этого максимума как можно скорее. Если бы процессы природной кристаллизации не сопровождались «спешкой» (в одних случаях измеряемой сутками, в других – миллионами лет), то в бесконечной перспективе мир наполнился бы идеальными кристаллами, похожими друг на друга как две капли воды. На первый план, таким образом, выступает фактор времени. Еще в 30-е годы прошлого века В.И. Вернадский отметил, что в основе несовершенства природных объектов лежит фундаментальная несимметричность, необратимость времени…
Но раз уж со всем этим – к несчастью для потребителя минералов и к счастью для их любителя – ничего поделать нельзя, обратимся к другой интригующей теме.
Посмотрим еще раз на график открытия новых минералов (рис. 2). Да ведь это натуральная экспонента! Исторический процесс открытия новых минералов носит лавинообразный характер, и число известных видов удваивается каждые 40–50 лет. Если дело так пойдет и дальше, то наступит момент, когда число известных минеральных видов вместо нынешних 4000 перевалит за миллион, обгонит искусственные вещества и продолжит свой
29-04-2015, 00:50