Mineralny -Mineral

Kryształy serandytu , natrolitu , analcimu i aegiryny z Mont Saint-Hilaire, Quebec, Kanada

W geologii i mineralogii minerał lub minerał to najogólniej mówiąc stały związek chemiczny o dość dobrze zdefiniowanym składzie chemicznym i specyficznej strukturze krystalicznej, który naturalnie występuje w czystej postaci.

Definicja geologiczna minerału zwykle wyklucza związki, które występują tylko w żywych istotach. Jednak niektóre minerały są często biogenne (takie jak kalcyt ) lub są związkami organicznymi w sensie chemicznym (takie jak melit ). Co więcej, żywe istoty często syntetyzują minerały nieorganiczne (takie jak hydroksyapatyt ), które również występują w skałach.

Pojęcie minerału różni się od skały , która jest dowolnym stałym materiałem geologicznym w masie, który jest stosunkowo jednorodny w wystarczająco dużej skali. Skała może składać się z jednego rodzaju minerału lub może być agregatem dwóch lub więcej różnych rodzajów minerałów, podzielonych przestrzennie na odrębne fazy .

Niektóre naturalne substancje stałe bez wyraźnej struktury krystalicznej, takie jak opal czy obsydian , są właściwiej nazywane mineraloidami . Jeśli związek chemiczny występuje w naturze z różnymi strukturami krystalicznymi, każda struktura jest uważana za inny gatunek minerału. Na przykład kwarc i stiszowit to dwa różne minerały składające się z tego samego związku, dwutlenku krzemu .

Międzynarodowe Stowarzyszenie Mineralogiczne (IMA) jest powszechnie uznanym organem standardowym zajmującym się definicją i nomenklaturą gatunków mineralnych. Od stycznia 2022 r. IMA rozpoznaje 5780 oficjalnych gatunków mineralnych z 5981 proponowanych lub tradycyjnych.

Skład chemiczny wymienionych gatunków mineralnych może się nieco różnić w wyniku włączenia niewielkich ilości zanieczyszczeń. Poszczególne odmiany gatunku mają czasem własne konwencjonalne lub oficjalne nazwy. Na przykład ametyst to fioletowa odmiana mineralnego gatunku kwarcu . Niektóre gatunki minerałów mogą mieć różne proporcje dwóch lub więcej pierwiastków chemicznych, które zajmują równoważne pozycje w strukturze minerału; na przykład wzór mackinawitu jest podany jako (Fe,Ni)
9
S
8
, czyli Fe
x
Ni
9- x
S
8
, gdzie x jest liczbą zmienną z przedziału od 0 do 9. Czasami minerał o zmiennym składzie dzieli się na odrębne gatunki, mniej lub bardziej arbitralnie, tworząc grupę minerałów ; tak jest w przypadku krzemianów Ca
x
Mg
tak
Fe
2 - x - y
SiO
4
, grupa oliwinów .

Poza zasadniczym składem chemicznym i strukturą krystaliczną, opis gatunku minerału obejmuje zwykle jego wspólne właściwości fizyczne, takie jak pokrój , twardość , połysk , przezroczystość , kolor, smugi , wytrzymałość na rozciąganie , rozszczepienie , pękanie , rozstanie, ciężar właściwy , magnetyzm , fluorescencja , radioaktywność , a także smak i zapach oraz reakcję na kwas .

Minerały są klasyfikowane według kluczowych składników chemicznych; dwa dominujące systemy to klasyfikacja Dana i klasyfikacja Strunz. Minerały krzemianowe stanowią około 90% skorupy ziemskiej . Inne ważne grupy mineralne obejmują pierwiastki natywne , siarczki , tlenki , halogenki , węglany , siarczany i fosforany .

Definicje

Międzynarodowe Stowarzyszenie Mineralogiczne

Międzynarodowe Stowarzyszenie Mineralogiczne ustanowiło następujące wymagania, aby substancję można było uznać za odrębny minerał:

  1. Musi to być naturalnie występująca substancja utworzona w wyniku naturalnych procesów geologicznych na Ziemi lub innych ciałach pozaziemskich. Wyklucza to związki bezpośrednio i wyłącznie generowane przez działalność człowieka ( antropogeniczne ) lub w organizmach żywych ( biogeniczne ), takie jak węglik wolframu , kamienie moczowe , kryształy szczawianu wapnia w tkankach roślin i muszlach morskich . Substancje o takim pochodzeniu mogą się jednak kwalifikować, jeśli w ich genezie były zaangażowane procesy geologiczne (jak ma to miejsce w przypadku ewenkitu pochodzącego z materiału roślinnego lub taranakitu z guana nietoperzy lub alperzytu z odpadków kopalnianych). Substancje hipotetyczne są również wykluczone, nawet jeśli przewiduje się, że będą występować w niedostępnych środowiskach naturalnych, takich jak jądro Ziemi czy inne planety.
  2. Musi być substancją stałą w swoim naturalnym występowaniu. Głównym wyjątkiem od tej reguły jest rtęć rodzima : nadal jest klasyfikowana jako minerał przez IMA, mimo że krystalizuje tylko poniżej -39°C, ponieważ została uwzględniona przed ustaleniem obecnych zasad. Woda i dwutlenek węgla nie są uważane za minerały, chociaż często występują jako wtrącenia w innych minerałach; ale lód wodny jest uważany za minerał.
  3. Musi mieć dobrze określoną strukturę krystalograficzną ; lub, bardziej ogólnie, uporządkowany układ atomowy. Ta właściwość implikuje kilka makroskopowych właściwości fizycznych, takich jak forma krystaliczna, twardość i rozszczepienie. Wyklucza ozokeryt , limonit , obsydian i wiele innych materiałów amorficznych (niekrystalicznych), które występują w kontekstach geologicznych.
  4. Musi mieć dość dobrze określony skład chemiczny . Jednak niektóre substancje krystaliczne o stałej strukturze, ale zmiennym składzie mogą być uważane za pojedyncze gatunki mineralne. Powszechną klasą przykładów są roztwory stałe, takie jak mackinawit , (Fe, Ni) 9 S 8 , który jest w większości siarczkiem żelazawym ze znaczną częścią atomów żelaza zastąpionych atomami niklu . Inne przykłady obejmują kryształy warstwowe ze zmiennym układaniem warstw lub kryształy, które różnią się tylko regularnym układem wakatów i podstawień. Z drugiej strony niektóre substancje, które mają ciągły szereg składów, mogą być arbitralnie podzielone na kilka minerałów. Typowym przykładem jest grupa oliwinowa (Mg, Fe) 2 SiO 4 , której człony końcowe bogate w magnez i żelazo są uważane za odrębne minerały ( forsteryt i fajalit ).

Szczegóły tych zasad są nieco kontrowersyjne. Na przykład pojawiło się ostatnio kilka propozycji klasyfikacji substancji amorficznych jako minerałów, ale nie zostały one zaakceptowane przez IMA.

IMA jest również niechętna akceptowaniu minerałów, które występują naturalnie tylko w postaci nanocząstek o średnicy kilkuset atomów, ale nie określiła minimalnej wielkości kryształów.

Niektórzy autorzy wymagają, aby materiał był stabilnym lub metastabilnym ciałem stałym w temperaturze pokojowej (25°C). Jednak IMA wymaga jedynie, aby substancja była wystarczająco stabilna, aby jej struktura i skład były dobrze określone. Na przykład niedawno uznał meridianit (naturalnie występujący hydrat siarczanu magnezu ) za minerał, mimo że powstaje i jest stabilny tylko poniżej 2°C.

Od stycznia 2022 r. IMA zatwierdziła 5780 gatunków mineralnych. Najczęściej są one nazwane imieniem osoby , po którym następuje lokalizacja odkrycia; Nazwy oparte na składzie chemicznym lub właściwościach fizycznych to dwie inne główne grupy etymologii nazw minerałów. Większość nazw kończy się na „-ite”; wyjątek stanowią zwykle nazwy, które były ugruntowane przed zorganizowaniem mineralogii jako dyscypliny, np . galena i diamond .

Minerały biogenne

Tematem sporu wśród geologów i mineralogów była decyzja IMA o wykluczeniu biogenicznych substancji krystalicznych. Na przykład Lowenstam (1981) stwierdził, że „organizmy są zdolne do tworzenia różnorodnych minerałów, z których niektóre nie mogą powstawać w biosferze nieorganicznie”.

Skinner (2005) postrzega wszystkie ciała stałe jako potencjalne minerały i obejmuje biominerały w królestwie minerałów, czyli te, które powstają w wyniku metabolicznej aktywności organizmów. Skinner rozszerzył poprzednią definicję minerału, aby zaklasyfikować „pierwiastek lub związek, amorficzny lub krystaliczny, powstały w procesach biogeochemicznych ” jako minerał.

Niedawne postępy w genetyce wysokiej rozdzielczości i spektroskopii absorpcji promieniowania rentgenowskiego dostarczają odkryć na temat relacji biogeochemicznych między mikroorganizmami a minerałami, które mogą rzucić nowe światło na tę kwestię. Na przykład działająca na zlecenie IMA „Grupa Robocza ds. Mineralogii i Geochemii Środowiska” zajmuje się minerałami w hydrosferze , atmosferze i biosferze . Zakres działania grupy obejmuje mikroorganizmy tworzące minerały, które występują na niemal każdej powierzchni skały, gleby i cząstek rozciągających się na kuli ziemskiej do głębokości co najmniej 1600 metrów poniżej dna morskiego i 70 kilometrów w głąb stratosfery (prawdopodobnie wchodzącej w mezosferę ).

Cykle biogeochemiczne przyczyniają się do powstawania minerałów od miliardów lat. Mikroorganizmy mogą wytrącać metale z roztworu , przyczyniając się do powstawania złóż rudy . Mogą również katalizować rozpuszczanie minerałów .

Przed umieszczeniem na liście Międzynarodowego Stowarzyszenia Mineralogicznego odkryto, nazwano i opublikowano ponad 60 biomineraliów. Te minerały (podzbiór zestawiony w Lowenstam (1981)) są uważane za minerały właściwe zgodnie z definicją Skinnera (2005). Te biominerały nie są wymienione na oficjalnej liście nazw minerałów Międzynarodowego Stowarzyszenia Minerałów; jednak wielu z tych biomineralnych przedstawicieli jest rozmieszczonych wśród 78 klas minerałów wymienionych w schemacie klasyfikacji Dana.

Definicja minerału Skinnera (2005) uwzględnia tę kwestię, stwierdzając, że minerał może być krystaliczny lub amorficzny. Chociaż biominerały nie są najczęstszą formą minerałów, pomagają określić granice tego, co stanowi właściwy minerał. Formalna definicja Nickela (1995) wyraźnie wymienia krystaliczność jako klucz do zdefiniowania substancji jako minerału. W artykule z 2011 r. zdefiniowano ikozaedryt , stop aluminium-żelazo-miedź jako minerał; nazwany ze względu na swoją unikalną naturalną symetrię dwudziestościenną , jest quasikryształem . W przeciwieństwie do prawdziwego kryształu, quasikryształy są uporządkowane, ale nie okresowe.

Skały, rudy i klejnoty

Łupek to skała metamorficzna charakteryzująca się dużą ilością minerałów płytkowych. W tym przykładzie skała zawiera wyraźne porfiroblasty sylimanitu o wielkości do 3 cm (1,2 cala).

Skała jest agregatem jednego lub więcej minerałów lub mineraloidów. Niektóre skały, takie jak wapień czy kwarcyt , składają się przede wszystkim z jednego minerału – kalcytu lub aragonitu w przypadku wapienia, a kwarcu w tym drugim przypadku. Inne skały można określić względną obfitością kluczowych (niezbędnych) minerałów; granit jest określony przez proporcje kwarcu, skalenia alkalicznego i skalenia plagioklazowego . Inne minerały w skale są określane jako minerały pomocnicze i nie mają większego wpływu na skład skały. Skały mogą również składać się wyłącznie z materiału niemineralnego; węgiel to skała osadowa składająca się głównie z węgla pochodzenia organicznego.

W skałach niektóre gatunki i grupy minerałów są znacznie liczniejsze niż inne; nazywa się je minerałami skałotwórczymi. Głównymi ich przykładami są kwarc, skalenie , miki , amfibole , pirokseny , oliwiny i kalcyt; z wyjątkiem ostatniego, wszystkie te minerały to krzemiany. Ogólnie rzecz biorąc, około 150 minerałów uważa się za szczególnie ważne, zarówno pod względem ich obfitości, jak i wartości estetycznej pod względem zbierania.

Minerały i skały o wartości handlowej, inne niż kamienie szlachetne, rudy metali czy paliwa mineralne, określane są mianem minerałów przemysłowych . Na przykład muskowit , biała mika, może być stosowany do okien (czasami określany jako isinglass), jako wypełniacz lub jako izolator.

Rudy to minerały, które mają wysoką koncentrację pewnego pierwiastka, zazwyczaj metalu. Przykładami są cynober (HgS), ruda rtęci; sfaleryt (ZnS), ruda cynku; kasyteryt (SnO2 ), ruda cyny; i kolemanit , ruda boru .

Kamienie szlachetne to minerały o wartości ozdobnej, które odróżniają się od innych kamieni szlachetnych pięknem, trwałością i zwykle rzadkością. Istnieje około 20 gatunków minerałów, które kwalifikują się jako minerały szlachetne, które stanowią około 35 najczęściej występujących kamieni szlachetnych. Minerały klejnotów są często obecne w kilku odmianach, więc jeden minerał może stanowić kilka różnych kamieni; na przykład rubin i szafir to korund , Al 2 O 3 .

Etymologia

Pierwsze znane użycie słowa „minerał” w języku angielskim ( średnioangielski ) miało miejsce w XV wieku. Słowo to pochodzi ze średniowiecznej łaciny : minerale , from minera , mine, ore.

Słowo „gatunek” pochodzi od łacińskiego gatunku „szczególny rodzaj, rodzaj lub typ o wyraźnym wyglądzie lub wyglądzie”.

Chemia

Hübneryt , bogaty w mangan element końcowy serii wolframitów , z mniejszym kwarcem w tle

Obfitość i różnorodność minerałów jest bezpośrednio kontrolowana przez ich chemię, która z kolei zależy od obfitości pierwiastków na Ziemi. Większość obserwowanych minerałów pochodzi ze skorupy ziemskiej . Osiem pierwiastków stanowi większość kluczowych składników minerałów, ze względu na ich obfitość w skorupie. Te osiem pierwiastków, które stanowią ponad 98% masy skorupy, to w kolejności malejącej liczebności: tlen , krzem , glin , żelazo , magnez , wapń , sód i potas . Zdecydowanie najważniejsze są tlen i krzem – tlen stanowi 47% masy skorupy, a krzem 28%.

Tworzące się minerały to te, które są najbardziej stabilne w temperaturze i ciśnieniu formowania, w granicach narzuconych przez chemię masy macierzystej. Na przykład w większości skał magmowych glin i metale alkaliczne (sód i potas) obecne są głównie w połączeniu z tlenem, krzemem i wapniem jako minerały skalenia. Jednakże, jeśli skała jest niezwykle bogata w metale alkaliczne, nie będzie wystarczającej ilości glinu, aby połączyć się z całym sodem w postaci skalenia, a nadmiar sodu utworzy amfibole sodowe, takie jak riebekit . Jeśli obfitość glinu jest niezwykle wysoka, nadmiar glinu utworzy muskowit lub inne minerały bogate w glin. W przypadku niedoboru krzemu część skalenia zostanie zastąpiona minerałami skaleniowymi. Precyzyjne przewidywanie, jakie minerały będą obecne w skale o określonym składzie, powstającej w określonej temperaturze i ciśnieniu, wymaga skomplikowanych obliczeń termodynamicznych. Jednak przybliżonych szacunków można dokonać przy użyciu stosunkowo prostych zasad kciuka , takich jak norma CIPW , która daje rozsądne szacunki dla skał wulkanicznych utworzonych z suchej magmy.

Skład chemiczny może się różnić w zależności od gatunku końcowego składnika serii roztworów stałych . Na przykład skalenie plagioklazowe składają się z ciągłej serii od bogatego w sód elementu końcowego albitu (NaAlSi 3 O 8 ) do bogatego w wapń anortytu (CaAl 2 Si 2 O 8 ) z czterema uznanymi odmianami pośrednimi między nimi (podanymi w kolejności od sodu- do bogatych w wapń): oligoklaz , andezyna , labradoryt i bytownit . Inne przykłady serii obejmują oliwinowe serie bogatego w magnez forsterytu i bogatego w żelazo fajalitu oraz serię wolframitów bogatego w mangan hübnerytu i bogatego w żelazo ferberytu .

Wielościany podstawienia chemicznego i koordynacyjne wyjaśniają tę wspólną cechę minerałów. W naturze minerały nie są czystymi substancjami i są zanieczyszczone przez jakiekolwiek inne pierwiastki obecne w danym układzie chemicznym. Dzięki temu możliwe jest zastąpienie jednego elementu innym. Substytucja chemiczna nastąpi między jonami o podobnej wielkości i ładunku; na przykład K + nie zastąpi Si 4+ z powodu niezgodności chemicznych i strukturalnych spowodowanych dużą różnicą wielkości i ładunku. Typowym przykładem podstawienia chemicznego jest to, że Si 4+ jest Al 3+ , które są blisko ładunku, wielkości i liczebności w skorupie. W przykładzie plagioklazu istnieją trzy przypadki podstawienia. Skaleń to wszystkie krzemiany szkieletowe, które mają stosunek krzem-tlen wynoszący 2:1, a miejsce na inne pierwiastki jest określone przez podstawienie Si 4+ przez Al 3+ w celu uzyskania jednostki podstawowej [AlSi 3 O 8 ] ; bez podstawienia formuła byłaby zrównoważona ładunkowo jako SiO 2 , dając kwarc. Znaczenie tej właściwości strukturalnej zostanie wyjaśnione dalej przez wielościany koordynacyjne. Druga substytucja występuje między Na + i Ca 2+ ; jednak różnica w ładunku musi być uwzględniona przez dokonanie drugiego podstawienia Si 4+ przez Al 3+ .

Wielościany koordynacyjne to geometryczne reprezentacje tego, jak kation jest otoczony przez anion. W mineralogii wielościany koordynacyjne są zwykle rozpatrywane w kategoriach tlenu, ze względu na jego obfitość w skorupie. Bazową jednostką minerałów krzemianowych jest czworościan krzemionki – jeden Si 4+ otoczony czterema O 2− . Alternatywnym sposobem opisania koordynacji krzemianu jest liczba: w przypadku czworościanu krzemionki mówi się, że krzem ma liczbę koordynacyjną równą 4. Różne kationy mają określony zakres możliwych liczb koordynacyjnych; dla krzemu jest to prawie zawsze 4, z wyjątkiem minerałów znajdujących się pod bardzo wysokim ciśnieniem, gdzie związek jest skompresowany tak, że krzem jest w sześciokrotnej (oktaedrycznej) koordynacji z tlenem. Większe kationy mają większe liczby koordynacyjne ze względu na wzrost względnego rozmiaru w porównaniu z tlenem (ostatnia podpowłoka orbitalna cięższych atomów też jest inna). Zmiany w liczbach koordynacyjnych prowadzą do różnic fizycznych i mineralogicznych; na przykład pod wysokim ciśnieniem, takim jak w płaszczu , wiele minerałów, zwłaszcza krzemianów, takich jak oliwin i granat , zmieni się w strukturę perowskitu , w której krzem jest w koordynacji oktaedrycznej. Innymi przykładami są glinokrzemiany cyjanit , andaluzyt i sylimanit (polimorfy, ponieważ mają wspólny wzór Al2SiO5 ), które różnią się liczbą koordynacyjną Al3 + ; te minerały przechodzą od siebie w odpowiedzi na zmiany ciśnienia i temperatury. W przypadku materiałów krzemianowych zastąpienie Si 4+ przez Al 3+ pozwala na różnorodność minerałów ze względu na konieczność zbilansowania ładunków.

Ponieważ osiem najpowszechniejszych pierwiastków stanowi ponad 98% skorupy ziemskiej, niewielkie ilości innych pierwiastków, które są zwykle obecne, są zastępowane w pospolitych minerałach tworzących skały. Charakterystyczne minerały większości pierwiastków są dość rzadkie, znajdując się tylko tam, gdzie pierwiastki te zostały skoncentrowane w wyniku procesów geologicznych, takich jak cyrkulacja hydrotermalna , do tego stopnia, że ​​nie mogą już być przechowywane w pospolitych minerałach.

Kiedy minerały reagują, produkty czasami przybierają kształt odczynnika; produkt mineralny jest określany jako pseudomorf (lub po) odczynniku. Zilustrowano tutaj pseudomorf kaolinitu po ortoklazie . Tutaj pseudomorf zachował bliźniactwo karlowarskie powszechne w ortoklazie.

Zmiany temperatury i ciśnienia oraz składu zmieniają mineralogię próbki skały. Zmiany w składzie mogą być spowodowane takimi procesami, jak wietrzenie lub metasomatyzm ( zmiana hydrotermalna ). Zmiany temperatury i ciśnienia zachodzą, gdy skała macierzysta przechodzi ruch tektoniczny lub magmowy w różnych reżimach fizycznych. Zmiany warunków termodynamicznych sprzyjają wzajemnemu oddziaływaniu zespołów mineralnych w celu wytworzenia nowych minerałów; w związku z tym możliwe jest, aby dwie skały miały identyczny lub bardzo podobny skład chemiczny skały objętościowej bez podobnej mineralogii. Ten proces mineralogicznej przemiany jest związany z cyklem skalnym . Przykład szeregu reakcji mineralnych jest zilustrowany w następujący sposób.

Skaleń ortoklazowy (KAlSi 3 O 8 ) jest minerałem powszechnie występującym w granicie , plutonicznej skale magmowej . Pod wpływem warunków atmosferycznych reaguje tworząc kaolinit (Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 , minerał osadowy i kwas krzemowy ):

2 KAlSi 3 O 8 + 5 H 2 O + 2 H + → Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 + 4 H 2 SiO 3 + 2 K +

W warunkach metamorficznych niskiej jakości kaolinit reaguje z kwarcem tworząc pirofilit (Al 2 Si 4 O 10 (OH) 2 ):

Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 + SiO 2 → Al 2 Si 4 O 10 (OH) 2 + H 2 O

Wraz ze wzrostem stopnia metamorficznego pirofilit reaguje, tworząc cyjanit i kwarc:

Al 2 Si 4 O 10 (OH) 2 → Al 2 SiO 5 + 3 SiO 2 + H 2 O

Alternatywnie, minerał może zmienić swoją strukturę krystaliczną w wyniku zmian temperatury i ciśnienia bez reakcji. Na przykład kwarc zmieni się w różne polimorfy SiO 2 , takie jak trydymit i krystobalit w wysokich temperaturach oraz koezyt pod wysokim ciśnieniem.

Właściwości fizyczne

Klasyfikowanie minerałów waha się od prostych do trudnych. Minerał można zidentyfikować na podstawie kilku właściwości fizycznych, z których niektóre są wystarczające do pełnej identyfikacji bez dwuznaczności. W innych przypadkach minerały można sklasyfikować jedynie za pomocą bardziej złożonej analizy dyfrakcyjnej optycznej , chemicznej lub rentgenowskiej ; metody te mogą być jednak kosztowne i czasochłonne. Właściwości fizyczne stosowane do klasyfikacji obejmują strukturę krystaliczną i pokrój, twardość, połysk, przezroczystość, kolor, smugę, rozszczepienie i pękanie oraz ciężar właściwy. Inne mniej ogólne testy obejmują fluorescencję , fosforescencję , magnetyzm , radioaktywność , wytrzymałość na rozciąganie (odpowiedź na zmiany kształtu lub formy wywołane mechanicznie), piezoelektryczność i reaktywność na rozcieńczone kwasy .

Struktura kryształów i nawyk

Topaz ma charakterystyczny rombowy kształt wydłużonego kryształu.

Struktura krystaliczna wynika z uporządkowanego geometrycznego rozmieszczenia przestrzennego atomów w strukturze wewnętrznej minerału. Ta struktura krystaliczna jest oparta na regularnym wewnętrznym układzie atomowym lub jonowym , który często wyraża się w formie geometrycznej, jaką przyjmuje kryształ. Nawet gdy ziarna minerału są zbyt małe, aby można je było zobaczyć, lub mają nieregularny kształt, podstawowa struktura krystaliczna jest zawsze okresowa i można ją określić za pomocą dyfrakcji promieni rentgenowskich. Minerały są zazwyczaj opisywane przez ich symetrię. Kryształy są ograniczone do 32 grup punktowych , które różnią się symetrią. Grupy te są z kolei klasyfikowane w bardziej obszerne kategorie, z których najbardziej obejmuje sześć rodzin kryształów.

Rodziny te można opisać względnymi długościami trzech osi krystalograficznych i kątami między nimi; relacje te odpowiadają operacjom symetrii, które definiują węższe grupy punktów. Są one podsumowane poniżej; a, b i c oznaczają osie, a α, β, γ kąt przeciwległy do ​​odpowiedniej osi krystalograficznej (np. α to kąt przeciwny do osi a, czyli kąt między osiami b i c):

Rodzina kryształów Długości Kąty Typowe przykłady
Izometryczny a = b = c α = β = γ = 90° Granat , halit , piryt
Tetragonalny a = b ≠ c α = β = γ = 90° Rutyl , cyrkon , andaluzyt
rombowe a ≠ b ≠ c α = β = γ = 90° oliwin , aragonit , ortopirokseny
Sześciokątny a = b ≠ c α = β = 90°, γ = 120° Kwarc , kalcyt , turmalin
Jednoskośny a ≠ b ≠ c α = γ = 90°, β ≠ 90° klinopirokseny , ortoklazy , gips
Trójklinika a ≠ b ≠ c α ≠ β ≠ γ ≠ 90° anortyt , albit , cyjanit

Sześciokątna rodzina kryształów jest również podzielona na dwa układy kryształów  – trygonalny , który ma potrójną oś symetrii i sześciokątny, który ma sześciokrotną oś symetrii.

Chemia i struktura krystaliczna razem definiują minerał. Z ograniczeniem do 32 grup punktowych minerały o różnej chemii mogą mieć identyczną strukturę krystaliczną. Na przykład halit (NaCl), galena (PbS) i peryklaz (MgO) należą do sześciooktaedrycznej grupy punktowej (rodzina izometryczna), ponieważ mają podobną stechiometrię między różnymi elementami składowymi. W przeciwieństwie do tego, polimorfy to grupy minerałów, które mają wspólny wzór chemiczny, ale mają inną strukturę. Na przykład piryt i markasyt , oba siarczki żelaza, mają wzór FeS 2 ; jednak pierwszy jest izometryczny, a drugi rombowy. Ten polimorfizm rozciąga się na inne siarczki o ogólnym wzorze AX2 ; te dwie grupy są wspólnie znane jako grupy pirytu i markasytu.

Polimorfizm może wykraczać poza samą zawartość symetrii. Glinokrzemiany to grupa trzech minerałów – cyjanit , andaluzyt i sylimanit  – które mają wspólny wzór chemiczny Al 2 SiO 5 . Cyjanit jest trójskośny, podczas gdy andaluzyt i sylimanit są rombowe i należą do dwupiramidowej grupy punktowej. Różnice te powstają w zależności od tego, jak aluminium jest skoordynowane w strukturze krystalicznej. We wszystkich minerałach jeden jon glinu jest zawsze sześciokrotnie skoordynowany z tlenem. Krzem, co do zasady, jest czterokrotnie koordynowany we wszystkich minerałach; wyjątkiem jest przypadek taki jak stiszowit (SiO 2 , ultrawysokociśnieniowy polimorf kwarcowy o strukturze rutylu). W cyjanicie drugie aluminium ma sześciokrotną koordynację; jego wzór chemiczny można wyrazić jako Al [6] Al [6] SiO 5 , aby odzwierciedlić jego strukturę krystaliczną. Andaluzyt ma drugi glin w pięciokrotnej koordynacji (Al [6] Al [5] SiO 5 ), a sylimanit ma go w czterokrotnej koordynacji (Al [6] Al [4] SiO 5 ).

Różnice w strukturze krystalicznej i chemii mają duży wpływ na inne właściwości fizyczne minerału. Alotropy węgla , diament i grafit , mają bardzo różne właściwości; diament jest najtwardszą substancją naturalną, ma adamantynowy połysk i należy do rodziny kryształów izometrycznych, natomiast grafit jest bardzo miękki, ma tłusty połysk i krystalizuje w formie heksagonalnej. Różnica ta wynika z różnic w wiązaniu. W diamencie węgle znajdują się w orbitalach hybrydowych sp 3 , co oznacza, że ​​tworzą strukturę, w której każdy węgiel jest kowalencyjnie związany z czterema sąsiadami w sposób czworościenny; z drugiej strony grafit składa się z warstw węgli w orbitalach hybrydowych sp 2 , gdzie każdy węgiel jest związany kowalencyjnie tylko z trzema innymi. Arkusze te są utrzymywane razem przez znacznie słabsze siły van der Waalsa , a ta rozbieżność przekłada się na duże różnice makroskopowe.

Bliźniaki kontaktowe, jak widać na spinelu

Bliźniacze to przenikanie się dwóch lub więcej kryształów jednego gatunku minerału. Geometria połączenia bliźniaczego jest kontrolowana przez symetrię minerału. W rezultacie istnieje kilka rodzajów bliźniąt, w tym bliźnięta kontaktowe, bliźnięta siatkowe, bliźnięta zgięte, bliźnięta penetrujące, bliźniaki cykliczne i bliźnięta polisyntetyczne. Kontakt lub proste bliźniaki składają się z dwóch kryształów połączonych na płaszczyźnie; ten rodzaj twinningu jest powszechny w spinelu. Bliźniaki siatkowe, powszechne w rutylu, to zachodzące na siebie kryształy przypominające siatkę. Bliźnięta genetycznie wygięte pośrodku są spowodowane startem bliźniaka. Bliźniaki penetracyjne składają się z dwóch pojedynczych kryształów, które zrosły się ze sobą; przykłady tego partnerstwa obejmują bliźniaki staurolitowe w kształcie krzyża i bliźniaki karlowarskie w ortoklazie. Bliźniaki cykliczne są powodowane przez powtarzające się bliźniaki wokół osi obrotu. Ten rodzaj bliźniąt występuje wokół trzech, czterech, pięciu, sześciu lub ośmiu osi, a odpowiadające im wzorce nazywane są trójkami, czwórkami, piątkami, szóstkami i ósemkami. Sixlings są powszechne w aragonicie. Bliźnięta polisyntetyczne są podobne do bliźniąt cyklicznych poprzez obecność powtarzających się bliźniaków; jednak zamiast zachodzić wokół osi obrotu, bliźniacze polisyntetyczne występują wzdłuż równoległych płaszczyzn, zwykle w skali mikroskopowej.

Pokrój kryształu odnosi się do ogólnego kształtu kryształu. Do opisania tej właściwości używa się kilku terminów. Typowe zwyczaje obejmują iglaste, które opisują kryształy przypominające igłę, takie jak w natrolicie , ostrza, dendrytyczne (wzór drzewa, powszechny w rodzimej miedzi ), equant, który jest typowy dla granatu, pryzmatyczny (wydłużony w jednym kierunku) i tabelaryczny, który różni się od ostrza zwyczaj w tym, że pierwsza jest platy, podczas gdy druga ma określone wydłużenie. W odniesieniu do formy krystalicznej jakość ścianek kryształów jest diagnostyczna niektórych minerałów, zwłaszcza przy użyciu mikroskopu petrograficznego. Kryształy euhedrylne mają określony kształt zewnętrzny, podczas gdy kryształy anhedralne nie; te formy pośrednie są określane jako podrzędne.

Twardość

Diament jest najtwardszym naturalnym materiałem, a jego twardość w skali Mohsa wynosi 10.

Twardość minerału określa, jak bardzo jest on odporny na zarysowania. Ta właściwość fizyczna jest kontrolowana przez skład chemiczny i strukturę krystaliczną minerału. Twardość minerału niekoniecznie jest stała dla wszystkich stron, co jest funkcją jego struktury; słabość krystalograficzna sprawia, że ​​niektóre kierunki są bardziej miękkie niż inne. Przykładem tej właściwości jest cyjanit, który ma twardość w skali Mohsa 5½ równolegle do [001], ale 7 równolegle do [100].

Najpopularniejszą skalą pomiaru jest porządkowa skala twardości Mohsa. Zdefiniowany przez dziesięć wskaźników, minerał o wyższym indeksie rysuje te znajdujące się poniżej. Skala waha się od talku, krzemianu warstwowego , do diamentu, polimorfu węgla, który jest najtwardszym materiałem naturalnym. Skala jest podana poniżej:

Twardość Mohsa Minerał Wzór chemiczny
1 Talk Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2
2 Gips CaSO4 · 2H2O _ _
3 Kalcyt CaCO3 _
4 Fluoryt CaF 2
5 Apatyt Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH,Cl,F)
6 Ortoklaz KAlSi 3 O 8
7 Kwarc SiO 2
8 Topaz Al 2 SiO 4 (OH, F) 2
9 korund Al 2 O 3
10 Diament C

Inne skale obejmują te;

Połysk i przezroczystość

Piryt ma metaliczny połysk.

Połysk wskazuje, w jaki sposób światło odbija się od powierzchni minerału w odniesieniu do jego jakości i intensywności. Do opisu tej właściwości stosuje się wiele terminów jakościowych, które dzielą się na kategorie metaliczne i niemetaliczne. Minerały metaliczne i submetaliczne mają wysoki współczynnik odbicia jak metal; przykładami minerałów o tym połysku są galena i piryt. Błyszczyki niemetaliczne obejmują: adamantyn, taki jak diament ; szklisty, który jest szklistym połyskiem bardzo powszechnym w minerałach krzemianowych; perłowy, taki jak talk i apofilit ; żywiczne, takie jak członkowie grupy granatów; jedwabisty, który jest powszechny w minerałach włóknistych, takich jak chryzotyl azbestowy .

Przezroczystość minerału opisuje zdolność światła do przechodzenia przez niego. Przezroczyste minerały nie zmniejszają natężenia przechodzącego przez nie światła. Przykładem przezroczystego minerału jest muskowit (mika potasowa); niektóre odmiany są wystarczająco jasne, aby były używane do okien. Przezroczyste minerały przepuszczają trochę światła, ale mniej niż te, które są przezroczyste. Jadeit i nefryt (mineralne formy jadeitu są przykładami minerałów o tej właściwości). Minerały, które nie przepuszczają światła, nazywane są nieprzezroczystymi.

Przezroczystość minerału zależy od grubości próbki. Gdy minerał jest wystarczająco cienki (np. w cienkiej części do petrografii ), może stać się przezroczysty, nawet jeśli ta właściwość nie jest widoczna w próbce z ręki. Natomiast niektóre minerały, takie jak hematyt czy piryt, są nieprzezroczyste nawet w cienkim przekroju.

Kolor i smuga

Kolor zazwyczaj nie jest właściwością diagnostyczną minerałów. Pokazano zielony uwarowit (po lewej) i czerwono-różowy grossular (po prawej), oba granaty . Cechy diagnostyczne obejmowałyby kryształy dwunastościenne, żywiczny połysk i twardość około 7.

Kolor jest najbardziej oczywistą właściwością minerału, ale często jest niediagnostyczny. Jest to spowodowane oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego z elektronami (z wyjątkiem przypadku żarzenia , co nie dotyczy minerałów). Dwie szerokie klasy pierwiastków (idiochromatyczne i allochromatyczne) są zdefiniowane w odniesieniu do ich wkładu w barwę minerału: pierwiastki idiochromatyczne są istotne dla składu minerału; ich wkład w kolor minerału ma charakter diagnostyczny. Przykładami takich minerałów są malachit (zielony) i azuryt (niebieski). Natomiast pierwiastki allochromatyczne w minerałach występują w śladowych ilościach jako zanieczyszczenia. Przykładem takiego minerału mogą być rubinowe i szafirowe odmiany mineralnego korundu . Kolorystyka minerałów pseudochromatycznych jest wynikiem interferencji fal świetlnych. Przykłady obejmują labradoryt i bornit .

Oprócz prostego koloru ciała, minerały mogą mieć różne inne charakterystyczne właściwości optyczne, takie jak gra kolorów, asteryzm , gadatliwość , opalizacja , matowienie i pleochroizm . Kilka z tych właściwości obejmuje zmienność koloru. Gra kolorów, takich jak opal , powoduje, że próbka odbija różne kolory podczas obracania, podczas gdy pleochroizm opisuje zmianę koloru, gdy światło przechodzi przez minerał w innej orientacji. Opalizujący to różnorodna gra kolorów, w której światło rozprasza się z powłoki na powierzchni kryształu, płaszczyzn rozszczepienia lub warstw o ​​niewielkich gradacjach w chemii. Natomiast gra kolorów w opalu jest spowodowana załamywaniem się światła od uporządkowanych mikroskopijnych kulek krzemionkowych w jego fizycznej strukturze. Chatoyancy („kocie oko”) to faliste pasy koloru obserwowane podczas obracania próbki; asteryzm, odmiana rozmów, daje wygląd gwiazdy na ziarnie minerału. Ta ostatnia właściwość jest szczególnie powszechna w przypadku korundu o jakości klejnotów.

Pasmo minerału odnosi się do koloru minerału w postaci sproszkowanej, który może być identyczny z kolorem ciała lub nie. Najpopularniejszym sposobem testowania tej właściwości jest płytka do smug, która jest wykonana z porcelany i jest zabarwiona na biało lub czarno. Smuga minerału jest niezależna od pierwiastków śladowych lub jakiejkolwiek powierzchni wietrzenia. Typowym przykładem tej właściwości jest hematyt , który w dłoni jest zabarwiony na czarno, srebrno lub czerwono, ale ma smugę od wiśni do czerwono-brązowej. Smuga jest częściej charakterystyczna dla minerałów metalicznych, w przeciwieństwie do minerałów niemetalicznych, których kolor ciała tworzą pierwiastki allochromatyczne. Testowanie smugowe jest ograniczone twardością minerału, ponieważ te twardsze niż 7 zamiast tego sproszkują płytkę smugową .

Rozszczepienie, rozstanie, złamanie i wytrwałość

Idealne podstawowe rozszczepienie widoczne w biotycie (czarny) i dobre rozszczepienie widoczne w matrycy (różowa ortoklaza ).

Z definicji minerały mają charakterystyczny układ atomowy. Słabość tej struktury krystalicznej powoduje płaszczyzny osłabienia, a pękanie minerału wzdłuż takich płaszczyzn nazywa się rozszczepieniem. Jakość rozkładu można opisać na podstawie tego, jak czysto i łatwo rozpada się minerał; wspólne deskryptory, w kolejności malejącej jakości, to „doskonałe”, „dobre”, „wyraźne” i „słabe”. W szczególnie przezroczystych minerałach lub w cienkich przekrojach rozszczepienie może być postrzegane jako seria równoległych linii wyznaczających płaskie powierzchnie, patrząc z boku. Rozszczepienie nie jest właściwością powszechną wśród minerałów; na przykład kwarc, składający się z szeroko połączonych czworościanów krzemionkowych, nie ma słabości krystalograficznej, która pozwalałaby na jego rozszczepienie. W przeciwieństwie do tego, miki, które mają doskonały dekolt u podstawy, składają się z arkuszy czworościanów krzemionkowych, które są bardzo słabo utrzymywane razem.

Ponieważ rozszczepienie jest funkcją krystalografii, istnieje wiele rodzajów rozszczepienia. Rozszczepienie występuje zazwyczaj w jednym, dwóch, trzech, czterech lub sześciu kierunkach. Cechą charakterystyczną miki jest rozszczepienie podstawy w jednym kierunku . Rozszczepienie dwukierunkowe jest określane jako pryzmatyczne i występuje w minerałach, takich jak amfibole i pirokseny. Minerały, takie jak galena lub halit, mają sześcienny (lub izometryczny) rozkład w trzech kierunkach, pod kątem 90°; gdy występują trzy kierunki rozszczepienia, ale nie pod kątem 90°, tak jak w kalcycie lub rodochrozycie , określa się to rozszczepieniem romboedrycznym. Rozszczepienie ośmiościenne (cztery kierunki) występuje we fluorycie i diamencie, a sfaleryt ma sześciokierunkowe rozszczepienie dwunastościenne.

Minerały z wieloma rozszczepieniami mogą nie pękać tak samo dobrze we wszystkich kierunkach; na przykład kalcyt ma dobre rozszczepienie w trzech kierunkach, ale gips ma doskonałe rozszczepienie w jednym kierunku i słabe rozszczepienie w dwóch pozostałych kierunkach. Kąty między płaszczyznami łupliwości różnią się w zależności od minerału. Na przykład, ponieważ amfibole są krzemianami dwułańcuchowymi, a pirokseny są krzemianami jednołańcuchowymi, kąt między ich płaszczyznami cięcia jest inny. Pirokseny rozszczepiają się w dwóch kierunkach pod kątem około 90°, podczas gdy amfibole wyraźnie rozszczepiają się w dwóch kierunkach oddzielonych o około 120° i 60°. Kąty cięcia można mierzyć za pomocą goniometru kontaktowego, który jest podobny do kątomierza.

Rozstanie, czasami nazywane „fałszywym rozszczepieniem”, przypomina wyglądem rozszczepienie, ale zamiast tego jest spowodowane defektami strukturalnymi minerału, w przeciwieństwie do systematycznego osłabienia. Rozdzielenie różni się w zależności od kryształu minerału, podczas gdy wszystkie kryształy danego minerału rozszczepią się, jeśli struktura atomowa pozwala na tę właściwość. Ogólnie rzecz biorąc, rozstanie jest spowodowane pewnym naprężeniem przyłożonym do kryształu. Źródłem naprężeń są odkształcenia (np. wzrost ciśnienia), wydzielenie lub bliźniactwo. Minerały, które często wykazują rozstanie, to pirokseny, hematyt, magnetyt i korund.

Kiedy minerał jest łamany w kierunku, który nie odpowiada płaszczyźnie łupania, określa się go jako kruszony. Istnieje kilka rodzajów nierównych złamań. Klasycznym przykładem jest pęknięcie muszli, podobnie jak w przypadku kwarcu; tworzone są zaokrąglone powierzchnie, które są oznaczone gładkimi zakrzywionymi liniami. Ten rodzaj pęknięcia występuje tylko w bardzo jednorodnych minerałach. Inne rodzaje złamań to złamania włókniste, drzazgi i hackly. Ten ostatni opisuje pęknięcie wzdłuż szorstkiej, postrzępionej powierzchni; przykład tej właściwości można znaleźć w rodzimej miedzi .

Wytrzymałość jest związana zarówno z dekoltem, jak i złamaniem. Podczas gdy pękanie i rozszczepianie opisuje powierzchnie, które powstają, gdy minerał jest łamany, wytrzymałość na rozciąganie opisuje, jak odporny jest minerał na takie pękanie. Minerały można opisać jako kruche, ciągliwe, plastyczne, sektywne, elastyczne lub elastyczne.

Środek ciężkości

Galena , PbS, to minerał o wysokim ciężarze właściwym.

Ciężar właściwy numerycznie opisuje gęstość minerału. Wymiary gęstości to masa podzielona przez objętość w jednostkach: kg/m 3 lub g/cm 3 . Ciężar właściwy jest definiowany jako gęstość minerału podzielona przez gęstość wody w temperaturze 4 °C, a zatem jest wielkością bezwymiarową, identyczną we wszystkich układach jednostek. Można go zmierzyć jako iloraz masy próbki i różnicy między masą próbki w powietrzu a odpowiadającą jej masą w wodzie. Wśród większości minerałów ta właściwość nie jest diagnostyczna. Minerały skałotwórcze – zazwyczaj krzemiany lub czasami węglany – mają ciężar właściwy 2,5–3,5.

Wysoki ciężar właściwy jest właściwością diagnostyczną minerału. Zmiana chemii (i w konsekwencji klasy minerałów) koreluje ze zmianą ciężaru właściwego. Wśród bardziej powszechnych minerałów, tlenki i siarczki mają zwykle wyższy ciężar właściwy, ponieważ zawierają pierwiastki o większej masie atomowej. Uogólnienie jest takie, że minerały o metalicznym lub adamantynowym połysku mają zwykle wyższe ciężary właściwe niż te, które mają połysk niemetaliczny lub matowy. Na przykład hematyt Fe 2 O 3 ma ciężar właściwy 5,26, podczas gdy galena PbS ma ciężar właściwy 7,2-7,6, co wynika z ich dużej zawartości odpowiednio żelaza i ołowiu. Metale rodzime charakteryzują się bardzo wysokim ciężarem właściwym ; na przykład kamacyt , stop żelaza i niklu powszechny w meteorytach żelaznych ma ciężar właściwy 7,9, a złoto ma ciężar właściwy między 15 a 19,3.

Inne właściwości

Karnotyt (żółty) to radioaktywny minerał zawierający uran .

Inne właściwości można wykorzystać do diagnozowania minerałów. Są one mniej ogólne i dotyczą określonych minerałów.

Upuszczenie rozcieńczonego kwasu (często 10% HCl ) na minerał pomaga odróżnić węglany od innych klas minerałów. Kwas reaguje z grupą węglanową ([CO 3 ] 2- ), co powoduje musowanie dotkniętego obszaru , wydzielając gazowy dwutlenek węgla . Ten test można dodatkowo rozszerzyć, aby przetestować minerał w jego oryginalnej postaci krystalicznej lub sproszkowanej. Przykładem tego testu jest odróżnienie kalcytu od dolomitu , zwłaszcza w obrębie skał ( odpowiednio wapienia i dolomitu ). Kalcyt natychmiast musuje w kwasie, podczas gdy kwas należy zaaplikować na sproszkowany dolomit (często na zarysowaną powierzchnię w skale), aby zaczął musować. Minerały zeolitu nie będą musować w kwasie; zamiast tego po 5–10 minutach zamarzają, a pozostawione w kwasie przez jeden dzień rozpuszczają się lub zamieniają w żel krzemionkowy .

Magnetyzm jest bardzo widoczną właściwością kilku minerałów. Wśród minerałów pospolitych magnetyt wykazuje silnie tę właściwość, magnetyzm jest również obecny, choć słabiej, w pirotytu i ilmenicie . Niektóre minerały wykazują właściwości elektryczne – na przykład kwarc jest piezoelektryczny – ale właściwości elektryczne są rzadko wykorzystywane jako kryteria diagnostyczne dla minerałów z powodu niekompletnych danych i naturalnej zmienności.

Minerały można również przetestować pod kątem smaku lub zapachu. Halite , NaCl, jest solą stołową; jego odpowiednik zawierający potas, sylvit , ma wyraźny gorzki smak. Siarczki mają charakterystyczny zapach, zwłaszcza gdy próbki są łamane, reagujące lub sproszkowane.

Radioaktywność to rzadka właściwość występująca w minerałach zawierających pierwiastki promieniotwórcze. Pierwiastki promieniotwórcze mogą być składnikiem definiującym, takim jak uran w uraninicie , autunitu i karnotycie , lub mogą występować jako śladowe zanieczyszczenia, jak w cyrkonie . Rozpad pierwiastka promieniotwórczego uszkadza strukturę kryształu mineralnego, czyniąc go lokalnie amorficznym ( stan metamiczny ); wynik optyczny, określany jako halo radioaktywne lub halo pleochroiczne , można zaobserwować różnymi technikami, takimi jak petrografia cienkościenna .

Klasyfikacja

Najwcześniejsze klasyfikacje

W 315 p.n.e. Teofrast przedstawił swoją klasyfikację minerałów w swoim traktacie O kamieniach . Na jego klasyfikację wpłynęły idee jego nauczycieli , Platona i Arystotelesa . Teofrast klasyfikował minerały jako kamienie, ziemie lub metale.

Klasyfikacja minerałów Georgiusa Agricoli w jego książce De Natura Fossilium , opublikowanej w 1546 roku, podzieliła minerały na trzy rodzaje substancji: proste (kamienie, ziemie, metale i zakrzepłe soki), złożone (dokładnie zmieszane) i złożone (rozdzielne).

Linneusz

Wczesną klasyfikację minerałów podał Carl Linneus w swojej przełomowej książce Systema Naturae z 1735 roku . Podzielił świat przyrody na trzy królestwa – roślin, zwierząt i minerałów – i zaklasyfikował każde z nich według tej samej hierarchii. W porządku malejącym były to gromada, klasa, porządek, rodzina, plemię, rodzaj i gatunek.

Jednakże, chociaż jego system był uzasadniony teorią tworzenia gatunków Karola Darwina i został w dużej mierze zaadoptowany i rozwinięty przez biologów w następnych stuleciach (którzy nadal używają jego dwumianowego schematu nazewnictwa opartego na grece i łacinie ), miał mały sukces wśród mineralogów.

Nowoczesna klasyfikacja

Minerały są klasyfikowane według odmiany, gatunku, serii i grupy, w kolejności rosnącej ogólności. Podstawowym poziomem definicji są gatunki mineralne, z których każdy różni się od innych unikalnymi właściwościami chemicznymi i fizycznymi. Na przykład kwarc jest zdefiniowany przez swój wzór , SiO 2 , oraz specyficzną strukturę krystaliczną, która odróżnia go od innych minerałów o tym samym wzorze chemicznym (zwanych polimorfami ). Gdy istnieje zakres składu między dwoma gatunkami minerałów, definiuje się szereg minerałów. Na przykład szereg biotytów jest reprezentowany przez różne ilości końców flogopitu , syderofilitu , annitu i estonitu . Natomiast grupa mineralna to grupa gatunków mineralnych o pewnych wspólnych właściwościach chemicznych, które mają wspólną strukturę krystaliczną. Grupa piroksenowa ma wspólny wzór XY(Si,Al) 2O6 , gdzie X i Y są obydwoma kationami , przy czym X zazwyczaj jest większy niż Y; pirokseny są krzemianami jednołańcuchowymi, które krystalizują w układzie rombowym lub jednoskośnym . Wreszcie odmiana mineralna to specyficzny rodzaj gatunku mineralnego, który różni się pewnymi cechami fizycznymi, takimi jak kolor lub pokrój kryształów. Przykładem jest ametyst , który jest purpurową odmianą kwarcu.

W przypadku minerałów stosuje się dwie wspólne klasyfikacje, Dana i Strunz; oba opierają się na składzie, w szczególności w odniesieniu do ważnych grup chemicznych, i strukturze. James Dwight Dana , czołowy geolog swoich czasów, po raz pierwszy opublikował swój System Mineralogii w 1837 roku; od 1997 roku jest w ósmej edycji. Klasyfikacja Dana przypisuje czteroczęściowy numer gatunkowi mineralnemu. Jej numer klasy opiera się na ważnych grupach kompozycyjnych; typ podaje stosunek kationów do anionów w minerale, a dwie ostatnie liczby grupują minerały według podobieństwa strukturalnego w obrębie danego typu lub klasy. Mniej powszechnie stosowana klasyfikacja Strunza , nazwana na cześć niemieckiego mineraloga Karla Hugo Strunza , opiera się na systemie Dana, ale łączy w sobie zarówno kryteria chemiczne, jak i strukturalne, te ostatnie w odniesieniu do rozmieszczenia wiązań chemicznych.

Ponieważ skład skorupy ziemskiej jest zdominowany przez krzem i tlen, pierwiastki krzemianowe są zdecydowanie najważniejszą klasą minerałów pod względem formacji i różnorodności skał. Jednak minerały niekrzemianowe mają duże znaczenie gospodarcze, zwłaszcza jako rudy.

Minerały niekrzemianowe są podzielone na kilka innych klas ze względu na ich dominującą chemię, która obejmuje pierwiastki rodzime, siarczki, halogenki, tlenki i wodorotlenki, węglany i azotany, borany, siarczany, fosforany i związki organiczne. Większość niekrzemianowych gatunków minerałów jest rzadka (stanowią łącznie 8% skorupy ziemskiej), chociaż niektóre są stosunkowo powszechne, jak kalcyt, piryt , magnetyt i hematyt . Istnieją dwa główne style strukturalne obserwowane w niekrzemianach: ciasno upakowane i czworościany połączone krzemianowo. ciasno upakowane struktury to sposób na gęste upakowanie atomów przy jednoczesnej minimalizacji przestrzeni międzywęzłowej. Sześciokątne ciasne upakowanie polega na układaniu warstw, w których każda druga warstwa jest taka sama („ababab”), podczas gdy sześcienne ciasne upakowanie polega na układaniu grup składających się z trzech warstw („abcabcabc”). Analogi do połączonych czworościanów krzemionki obejmują SO4 (siarczan) , PO4 (fosforan), AsO4 ( arsenian) i VO4 ( wanadan ). Niekrzemiany mają duże znaczenie gospodarcze, ponieważ koncentrują pierwiastki bardziej niż minerały krzemianowe.

Zdecydowanie największą grupę minerałów stanowią krzemiany ; większość skał składa się w ponad 95% z minerałów krzemianowych, a ponad 90% skorupy ziemskiej składa się z tych minerałów. Dwoma głównymi składnikami krzemianów są krzem i tlen, które są dwoma najobficiej występującymi pierwiastkami w skorupie ziemskiej. Inne powszechne pierwiastki w minerałach krzemianowych odpowiadają innym powszechnym pierwiastkom w skorupie ziemskiej, takim jak glin, magnez, żelazo, wapń, sód i potas. Niektóre ważne krzemiany tworzące skały obejmują skalenie , kwarc , oliwiny , pirokseny , amfibole , granaty i miki .

Krzemiany

Aegirine , klinopiroksen żelazowo-sodowy, należy do podklasy inkrzemianów.

Podstawową jednostką minerału krzemianowego jest czworościan [SiO 4 ] 4- . W zdecydowanej większości przypadków krzem jest w czterokrotnej lub czworościennej koordynacji z tlenem. W sytuacjach bardzo wysokiego ciśnienia krzem będzie miał koordynację sześciokrotną lub oktaedryczną, na przykład w strukturze perowskitu lub kwarcu polimorficznego stiszowitu (SiO 2 ). W tym ostatnim przypadku minerał nie ma już struktury krzemianowej, lecz rutylu (TiO 2 ) i związanej z nim grupy, którymi są proste tlenki. Te tetraedry krzemionkowe są następnie do pewnego stopnia polimeryzowane w celu utworzenia różnych struktur, takich jak jednowymiarowe łańcuchy, dwuwymiarowe arkusze i trójwymiarowe ramy. Podstawowy minerał krzemianowy, w którym nie nastąpiła polimeryzacja czworościanów, wymaga innych pierwiastków w celu zrównoważenia podstawowego 4-ładunku. W innych strukturach krzemianowych wymagane są różne kombinacje pierwiastków, aby zrównoważyć powstały ładunek ujemny. Powszechnie Si 4+ jest zastępowany przez Al 3+ ze względu na podobieństwo promienia i ładunku jonowego; w tych przypadkach czworościany [AlO 4 ] 5- tworzą te same struktury, co niepodstawione czworościany, ale ich wymagania dotyczące równoważenia ładunku są inne.

Stopień polimeryzacji można opisać zarówno utworzoną strukturą, jak i liczbą wspólnych narożników czworościennych (lub koordynujących tlenów) (dla aluminium i krzemu w miejscach czworościennych). Ortokrzemiany (lub nesokrzemiany) nie mają połączenia wielościanów, a więc czworościany nie mają żadnych rogów. Dwukrzemiany (lub sorokrzemiany) mają dwie czworościany dzielące jeden atom tlenu. Inokrzemiany to krzemiany łańcuchowe; krzemiany jednołańcuchowe mają dwa wspólne narożniki, podczas gdy krzemiany dwułańcuchowe mają dwa lub trzy wspólne narożniki. W krzemianach warstwowych tworzy się struktura warstwowa, która wymaga trzech wspólnych tlenów; w przypadku krzemianów dwułańcuchowych niektóre czworościany muszą mieć dwa narożniki zamiast trzech, ponieważ w przeciwnym razie powstałaby struktura arkusza. Krzemiany szkieletowe lub tektokrzemiany mają czworościany, które dzielą wszystkie cztery rogi. Krzemiany pierścieniowe lub cyklokrzemiany potrzebują tylko czworościanów, aby dzielić dwa rogi, aby utworzyć cykliczną strukturę.

Podklasy krzemianowe są opisane poniżej w kolejności zmniejszającej się polimeryzacji.

Tektokrzemiany

Natrolite to seria minerałów z grupy zeolitów; ta próbka ma bardzo wyraźny pokrój kryształów iglastych.

Tektokrzemiany, znane również jako krzemiany szkieletowe, mają najwyższy stopień polimeryzacji. Przy wszystkich rogach czworościanu stosunek krzemu do tlenu wynosi 1:2. Przykładami są kwarc, skalenie , skalenie i zeolity . Krzemiany szkieletowe wydają się być szczególnie stabilne chemicznie w wyniku silnych wiązań kowalencyjnych.

Kwarc (SiO 2 ) stanowiący 12% skorupy ziemskiej jest najliczniejszym gatunkiem mineralnym. Charakteryzuje się wysoką odpornością chemiczną i fizyczną. Kwarc ma kilka polimorfów, w tym trydymit i krystobalit w wysokich temperaturach, koezyt wysokociśnieniowy i stiszowit ultrawysokiego ciśnienia . Ten ostatni minerał może powstać na Ziemi jedynie w wyniku uderzenia meteorytu, a jego struktura została tak bardzo skompresowana, że ​​zmieniła się z krzemianowej na rutylową (TiO 2 ). Polimorf krzemionkowy, który jest najbardziej stabilny na powierzchni Ziemi, to α-kwarc. Jego odpowiednik, β-kwarc, występuje tylko w wysokich temperaturach i ciśnieniach (zmiana na α-kwarc poniżej 573 °C przy 1 bar). Te dwa polimorfy różnią się „załamaniem” wiązań; ta zmiana struktury daje β-kwarcowi większą symetrię niż α-kwarc, a zatem są one również nazywane kwarcem wysokim (β) i kwarcem niskim (α).

Skaleń jest najliczniejszą grupą w skorupie ziemskiej, stanowiącą około 50%. W skaleniach Al 3+ zastępuje Si 4+ , ​​co powoduje nierównowagę ładunków, którą należy uwzględnić przez dodanie kationów. Struktura podstawowa staje się albo [AlSi 3 O 8 ] albo [Al 2 Si 2 O 8 ] 2− Istnieją 22 mineralne gatunki skaleni, podzielone na dwie główne podgrupy – alkaliczną i plagioklazową – oraz dwie mniej powszechne – celsjan i banalzyt . Skalenie alkaliczne najczęściej występują w szeregu pomiędzy bogatą w potas ortoklazą a bogatym w sód albitem ; w przypadku plagioklazów najczęstsze serie wahają się od albitu do bogatego w wapń anortytu . Bliźniacze kryształy są powszechne w skaleniach, zwłaszcza bliźniętach polisyntetycznych w plagioklazach i bliźniętach karlowarskich w skaleniach alkalicznych. Jeśli ta ostatnia podgrupa schładza się powoli ze stopu, tworzy blaszki ekssolacyjne, ponieważ dwa składniki – ortoklaz i albit – są niestabilne w roztworze stałym. Rozpuszczanie może mieć skalę od mikroskopijnej do łatwej do zaobserwowania w próbce ręcznej; struktura pertytyczna tworzy się, gdy skaleń bogaty w Na rozpuszcza się w żywicy bogatej w K. Tekstura przeciwna (antypertytyczna), w której skaleń bogaty w K rozpuszcza się w żywicielu bogatym w Na, jest bardzo rzadka.

Skaleńki są strukturalnie podobne do skaleni, ale różnią się tym, że tworzą się w warunkach niedoboru Si, co pozwala na dalszą substytucję przez Al 3+ . W rezultacie skalenie prawie nigdy nie występują w połączeniu z kwarcem. Typowym przykładem skaleni jest nefelin ((Na, K)AlSiO 4 ); w porównaniu do skalenia alkalicznego, nefelina ma stosunek Al2O3 : SiO2 wynoszący 1:2, w przeciwieństwie do 1:6 w skaleniu alkalicznym . Zeolity często mają charakterystyczne pokroje kryształów, występujące w igłach, płytkach lub bryłach. Tworzą się w obecności wody w niskich temperaturach i ciśnieniu oraz mają w swojej strukturze kanały i puste przestrzenie. Zeolity mają kilka zastosowań przemysłowych, zwłaszcza w oczyszczaniu ścieków.

krzemiany warstwowe

Muskowit, gatunek mineralny z grupy miki, należący do podklasy krzemianów warstwowych

Krzemiany warstwowe składają się z arkuszy spolimeryzowanych czworościanów. Są one związane w trzech miejscach tlenu, co daje charakterystyczny stosunek krzemu do tlenu wynoszący 2:5. Ważnymi przykładami są mika , chloryt i grupy kaolinitowo - serpentynowe . Oprócz czworościanów krzemiany warstwowe mają warstwę oktaedrów (pierwiastki w sześciokrotnej koordynacji tlenowej), które równoważą podstawowe czworościany, które mają ładunek ujemny (np. [Si 4 O 10 ] 4- ). Te czworościany (T) arkusze oktaedry (O) są układane w stosy w różnych kombinacjach, tworząc warstwy krzemianu warstwowego. W arkuszu oktaedrycznym znajdują się trzy miejsca oktaedryczne w strukturze jednostkowej; jednak nie wszystkie tereny mogą być zajęte. W tym przypadku minerał jest określany jako dioktaedryczny, podczas gdy w innym przypadku jest to trioktaedryczny. Warstwy są słabo związane siłami van der Waalsa , wiązaniami wodorowymi lub rzadkimi wiązaniami jonowymi , co powoduje słabość krystalograficzną, co z kolei prowadzi do wyraźnego podstawowego rozszczepienia krzemianów warstwowych.

Grupa kaolinitowo-serpentynowa składa się z stosów TO (minerały ilaste 1:1); ich twardość waha się od 2 do 4, ponieważ arkusze są utrzymywane przez wiązania wodorowe. Minerały ilaste 2:1 (pirofilit-talk) składają się z warstw TOT, ale są bardziej miękkie (twardość od 1 do 2), ponieważ zamiast tego są utrzymywane razem przez siły van der Waalsa. Te dwie grupy minerałów są podgrupowane według okupacji oktaedrycznej; w szczególności kaolinit i pirofilit są dioktaedryczne, podczas gdy serpentyn i talk są trioktaedryczne.

Miki są również krzemianami warstwowymi ułożonymi w stosy TOT, ale różnią się od innych członków podklasy ułożonych w stosy TOT i TO tym, że zawierają aluminium w arkuszach czworościennych (minerały ilaste mają Al 3+ w miejscach oktaedrycznych). Typowymi przykładami miki są muskowit i seria biotytów . Warstwy miki TOT są połączone ze sobą jonami metali, co nadaje im większą twardość niż inne minerały krzemianu warstwowego, chociaż zachowują doskonały rozkład podstawowy. Grupa chlorytowa jest powiązana z grupą mikową, ale warstwą brucytopodobną (Mg(OH) 2 ) pomiędzy stosami TOT.

Ze względu na swoją strukturę chemiczną, krzemiany warstwowe mają zazwyczaj elastyczne, elastyczne, przezroczyste warstwy, które są izolatorami elektrycznymi i mogą być dzielone na bardzo cienkie płatki. Miki mogą być stosowane w elektronice jako izolatory, w budownictwie, jako wypełniacze optyczne, a nawet kosmetyki. Chryzotyl, gatunek serpentyn, jest najczęstszym gatunkiem mineralnym w azbestu przemysłowym, ponieważ jest mniej niebezpieczny dla zdrowia niż azbest amfibolowy.

Inokrzemiany

Azbestowy tremolit należący do grupy amfibolów podklasy inokrzemianowej

Inokrzemiany składają się z czworościanów wielokrotnie połączonych w łańcuchy. Łańcuchy te mogą być pojedyncze, gdzie czworościan jest połączony z dwoma innymi, tworząc ciągły łańcuch; alternatywnie dwa łańcuchy można połączyć, tworząc dwułańcuchowe krzemiany. Krzemiany jednołańcuchowe mają stosunek krzem:tlen 1:3 (np. [Si2O6 ] 4- ) , podczas gdy odmiana dwułańcuchowa ma stosunek 4:11, np. [ Si8O22 ] 12- . Ikrzemiany zawierają dwie ważne grupy minerałów tworzących skały; Krzemiany jednołańcuchowe są najczęściej piroksenami , podczas gdy krzemiany dwułańcuchowe są często amfibolami . Istnieją łańcuchy wyższego rzędu (np. trzyczłonowe, czteroczłonowe, pięcioczłonowe itp.), ale są one rzadkie.

Grupa piroksenów składa się z 21 gatunków mineralnych. Pirokseny mają ogólny wzór struktury XY(Si2O6 ) , gdzie X jest miejscem oktaedrycznym, podczas gdy Y może mieć różną liczbę koordynacyjną od sześciu do ośmiu . Większość odmian piroksenu składa się z permutacji Ca 2+ , Fe 2+ i Mg 2+ w celu zrównoważenia ujemnego ładunku na szkielecie. Pirokseny są powszechne w skorupie ziemskiej (około 10%) i są kluczowym składnikiem maficznych skał magmowych.

Amfibole charakteryzują się dużą zmiennością chemiczną, określaną różnie jako „mineralogiczny kosz na śmieci” lub „minerologiczny rekin pływający w morzu pierwiastków”. Kręgosłupem amfiboli jest [Si 8 O 22 ] 12− ; jest równoważona kationami w trzech możliwych pozycjach, chociaż trzecia pozycja nie zawsze jest używana, a jeden pierwiastek może zajmować obie pozostałe. Wreszcie amfibole są zwykle uwodnione, to znaczy mają grupę hydroksylową ([OH] ), chociaż można ją zastąpić jonem fluorkowym, chlorkowym lub tlenkowym. Ze względu na zmienną chemię istnieje ponad 80 gatunków amfiboli, chociaż odmiany, podobnie jak w przypadku piroksenów, najczęściej dotyczą mieszanin Ca 2+ , Fe 2+ i Mg 2+ . Kilka gatunków minerałów amfiboli może mieć azbestowy pokrój kryształów. Te minerały azbestowe tworzą długie, cienkie, elastyczne i mocne włókna, które są izolatorami elektrycznymi, chemicznie obojętnymi i odpornymi na ciepło; jako takie mają kilka zastosowań, zwłaszcza w materiałach budowlanych. Jednak azbest jest znanym czynnikiem rakotwórczym i powoduje różne inne choroby, takie jak azbestoza ; Azbest amfibolowy ( antofilit , tremolit , aktynolit , gruneryt i riebekit ) są uważane za bardziej niebezpieczne niż azbest chryzotylowy .

Cyklokrzemiany

Przykład elbaitu, gatunku turmalinu, z charakterystycznym kolorowym prążkowaniem.

Cyklokrzemiany lub krzemiany pierścieniowe mają stosunek krzemu do tlenu wynoszący 1:3. Najczęściej spotykane są pierścienie sześcioczłonowe, o strukturze podstawowej [Si 6 O 18 ] 12− ; przykłady obejmują grupę turmalinową i beryl . Istnieją inne struktury pierścieniowe, przy czym 3, 4, 8, 9, 12 zostały opisane. Cyklokrzemiany są zazwyczaj mocne, z wydłużonymi, prążkowanymi kryształami.

Turmaliny mają bardzo złożoną chemię, którą można opisać wzorem ogólnym XY 3 Z 6 (BO 3 ) 3 T 6 O 18 V 3 W. T 6 O 18 jest podstawową strukturą pierścieniową, gdzie T to zwykle Si 4+ , ale zastępowalne przez Al 3+ lub B 3+ . Turmaliny można podzielić na podgrupy według zajętości miejsca X, a stamtąd dalej podzielić według chemii miejsca W. Miejsca Y i Z mogą pomieścić różne kationy, zwłaszcza różne metale przejściowe; ta zmienność zawartości strukturalnego metalu przejściowego daje grupie turmalinu większą zmienność koloru. Inne cyklokrzemiany to beryl, Al 2 Be 3 Si 6 O 18 , którego odmiany obejmują kamienie szlachetne szmaragd (zielony) i akwamaryn (niebieskawy). Cordierite jest strukturalnie podobny do berylu i jest powszechnym minerałem metamorficznym.

Sorokrzemiany

Epidot często ma charakterystyczny pistacjowo-zielony kolor.

Sorokrzemiany, zwane również dwukrzemianami, mają wiązanie czworościan-czworościan przy jednym tlenie, co daje stosunek krzemu do tlenu 2:7. Powstałym wspólnym elementem strukturalnym jest grupa [Si 2 O 7 ] 6- . Zdecydowanie najpowszechniejsze dwukrzemiany należą do grupy epidotów . Epidoty występują w różnych środowiskach geologicznych, od grzbietu śródoceanicznego przez granity po metapelity . Epidoty budowane są wokół struktury [(SiO 4 )(Si 2 O 7 )] 10− struktura; na przykład, epidot gatunków mineralnych zawiera wapń, glin i żelazo żelazowe do bilansu ładunku: Ca 2 Al 2 ( Fe 3+ , Al)(SiO4 )(Si2O7 ) O ( OH ). Obecność żelaza w postaci Fe 3+ i Fe 2+ pomaga buforować niestabilność tlenu , co z kolei jest istotnym czynnikiem w petrogenezie.

Inne przykłady sorokrzemianów to lawsonit , minerał metamorficzny tworzący się w facjach blueschist (strefa subdukcji w niskiej temperaturze i wysokim ciśnieniu), wezuwianit , który w swojej strukturze chemicznej przyjmuje znaczną ilość wapnia.

Ortokrzemiany

Czarny andradyt, końcowy członek grupy granatów ortokrzemianowych.

Ortokrzemiany składają się z izolowanych czworościanów, których ładunek jest zrównoważony przez inne kationy. Ten typ krzemianu, określany również jako nesokrzemiany, ma stosunek krzemu:tlen wynoszący 1:4 (np. SiO4 ) . Typowe ortokrzemiany mają tendencję do tworzenia blokowych kryształów ekwantowych i są dość twarde. Do tej podklasy należy kilka minerałów tworzących skały, takie jak glinokrzemiany, grupa oliwinów i grupa granatów.

Glinokrzemiany – bkyanit, andaluzyt i sylimanit, wszystkie Al 2 SiO 5 – składają się strukturalnie z jednego tetraedru [SiO 4 ] 4− i jednego Al 3+ w koordynacji oktaedrycznej. Pozostały Al 3+ może mieć sześciokrotną koordynację (cyjanit), pięciokrotną (andaluzyt) lub czterokrotną (silimanit); to jakie formy mineralne w danym środowisku zależy od warunków ciśnienia i temperatury. W strukturze oliwinu główna seria oliwinów (Mg, Fe) 2 SiO 4 składa się z bogatego w magnez forsterytu i bogatego w żelazo fajalitu. Zarówno żelazo, jak i magnez są oktaedrycznie przez tlen. Istnieją inne gatunki mineralne o tej strukturze, takie jak tefroit , Mn 2 SiO 4 . Grupa granatów ma ogólny wzór X 3 Y 2 (SiO 4 ) 3 , gdzie X jest dużym ośmiokrotnie skoordynowanym kationem, a Y jest mniejszym sześciokrotnie skoordynowanym kationem. Istnieje sześć idealnych końcówek granatu, podzielonych na dwie grupy. Granaty pyralspity mają Al 3+ w pozycji Y: pirop (Mg 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 ), almandynę (Fe 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 ) i spessartynę (Mn 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 ) ). Granaty ugrandytowe mają Ca 2+ w pozycji X: uwarowit (Ca 3 Cr 2 (SiO 4 ) 3 ), grosularny (Ca 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 ) i andradyt (Ca 3 Fe 2 (SiO 4 ) 3 ) . Chociaż istnieją dwie podgrupy granatów, między wszystkimi sześcioma składnikami końcowymi istnieją stałe roztwory.

Inne ortokrzemiany to cyrkon , staurolit i topaz . Cyrkon (ZrSiO 4 ) jest użyteczny w geochronologii, ponieważ U 6+ może zastąpić Zr 4+ ; ponadto, ze względu na bardzo wytrzymałą konstrukcję, trudno go przestawić jako chronometr. Staurolit jest powszechnym metamorficznym minerałem o średniej jakości. Ma szczególnie skomplikowaną strukturę krystaliczną, która została w pełni opisana dopiero w 1986 roku. Topaz (Al 2 SiO 4 (F, OH) 2 , często spotykany w granitowych pegmatytach związanych z turmalinem , jest pospolitym minerałem kamieni szlachetnych.

Niekrzemiany

Elementy rodzime

Złoto rodzime. Rzadki okaz grubych kryształów wyrastających z centralnej łodygi o wymiarach 3,7 x 1,1 x 0,4 cm, z Wenezueli.

Pierwiastki rodzime to te, które nie są chemicznie związane z innymi pierwiastkami. Ta grupa minerałów obejmuje metale rodzime , półmetale i niemetale oraz różne stopy i roztwory stałe. Metale są utrzymywane razem przez wiązanie metaliczne, które nadaje charakterystyczne właściwości fizyczne, takie jak ich błyszczący metaliczny połysk, ciągliwość i ciągliwość oraz przewodność elektryczna. Pierwiastki rodzime są podzielone na grupy według ich struktury lub właściwości chemicznych.

Grupa złota, o sześciennej, zwartej strukturze, obejmuje metale takie jak złoto, srebro i miedź. Grupa platynowa ma podobną strukturę do grupy złota. Grupa żelazowo-niklowa charakteryzuje się kilkoma gatunkami stopów żelazowo-niklowych. Dwa przykłady to kamacyt i taenit , które znajdują się w meteorytach żelaznych; gatunki te różnią się ilością Ni w stopie; kamacyt zawiera mniej niż 5-7% niklu i jest odmianą rodzimego żelaza , podczas gdy zawartość niklu w taenicie waha się od 7-37%. Minerały z grupy arsenu składają się z półmetali, które mają tylko niektóre cechy metaliczne; na przykład brakuje im plastyczności metali. Węgiel rodzimy występuje w dwóch alotropach, graficie i diamencie; ten ostatni tworzy się pod bardzo wysokim ciśnieniem w płaszczu, co nadaje mu znacznie silniejszą strukturę niż grafit.

siarczki

Czerwony cynober (HgS), ruda rtęci na dolomicie.
Kryształ sfalerytu częściowo otoczony kalcytem z dewońskiej formacji Milwaukee z Wisconsin

Minerały siarczkowe są związkami chemicznymi jednego lub więcej metali lub półmetali z chalkogenem lub pniktogenem , z których najczęściej występuje siarka. Tellur, arsen lub selen mogą zastąpić siarkę. Siarczki są zazwyczaj miękkimi, kruchymi minerałami o wysokim ciężarze właściwym. Wiele sproszkowanych siarczków, takich jak piryt, po sproszkowaniu ma siarkowy zapach. Siarczki są podatne na warunki atmosferyczne i wiele z nich łatwo rozpuszcza się w wodzie; te rozpuszczone minerały mogą być później ponownie osadzane, co tworzy wzbogacone wtórne złoża rudy. Siarczki klasyfikuje się według stosunku metalu lub półmetalu do siarki, np. M:S równy 2:1 lub 1:1. Wiele minerałów siarczkowych ma znaczenie gospodarcze jako rudy metali ; przykłady obejmują sfaleryt (ZnS), rudę cynku, galenę (PbS), rudę ołowiu, cynober (HgS), rudę rtęci i molibdenit (MoS 2 , rudę molibdenu. Piryt (FeS 2 ) jest najczęściej występującym siarczkiem i można go znaleźć w większości środowisk geologicznych. Nie jest to jednak ruda żelaza, ale może zostać utleniony w celu wytworzenia kwasu siarkowego. Z siarczkami związane są rzadkie sulfosole , w których występuje pierwiastek metaliczny jest związany z siarką i półmetalem, takim jak antymon , arsen lub bizmut . Podobnie jak siarczki, sulfosole są zazwyczaj miękkimi, ciężkimi i kruchymi minerałami.

Tlenki

Minerały tlenkowe dzielą się na trzy kategorie: proste tlenki, wodorotlenki i wielokrotne tlenki. Proste tlenki charakteryzują się O 2− jako głównym anionem i przede wszystkim wiązaniem jonowym. Można je dalej podzielić przez stosunek tlenu do kationów. Grupa peryklaz składa się z minerałów w stosunku 1:1. Tlenki o stosunku 2:1 obejmują kupryt (Cu 2 O) i lód wodny. Minerały z grupy korundu mają stosunek 2:3 i obejmują minerały takie jak korund (Al 2 O 3 ) i hematyt (Fe 2 O 3 ). Minerały z grupy rutylu mają stosunek 1:2; tytułowy gatunek rutylu (TiO 2 ) jest główną rudą tytanu ; inne przykłady obejmują kasyteryt (SnO2 ; ruda cyny ) i piroluzyt (MnO2 ; ruda manganu ) . W wodorotlenkach dominującym anionem jest jon hydroksylowy, OH . Boksyty są główną rudą glinu i są niejednorodną mieszaniną minerałów wodorotlenowych , diaspory , gibbsytu i bohmitu ; tworzą się na obszarach o bardzo wysokim współczynniku wietrzenia chemicznego (głównie w warunkach tropikalnych). Wreszcie, wielokrotne tlenki to związki dwóch metali z tlenem. Główną grupą w tej klasie są spinele o ogólnym wzorze X 2+ Y 3+ 2 O 4 . Przykłady gatunków obejmują spinel (MgAl 2 O 4 ), chromit (FeCr 2 O 4 ) i magnetyt (Fe 3 O 4 ). Ten ostatni można łatwo odróżnić dzięki silnemu magnetyzmowi, który występuje, ponieważ zawiera żelazo na dwóch stopniach utlenienia (Fe 2+ Fe 3+ 2 O 4 ), co sprawia, że ​​jest wielokrotnym tlenkiem zamiast pojedynczego tlenku.

Halogenki

Różowe kryształy halitu sześciennego (NaCl; klasa halogenków) na matrycy z nahkolitu (NaHCO 3 ; węglan i mineralna postać wodorowęglanu sodu, stosowana jako soda oczyszczona ).

Minerały halogenkowe to związki, w których głównym anionem jest halogen (fluor, chlor, jod lub brom). Te minerały wydają się być miękkie, słabe, kruche i rozpuszczalne w wodzie. Typowe przykłady halogenków obejmują halit (NaCl, sól kuchenna), sylwit ( KCl ) i fluoryt (CaF2 ). Halit i sylwit zwykle tworzą się w postaci ewaporatów i mogą być dominującymi minerałami w chemicznych skałach osadowych. Kriolit , Na 3 AlF 6 , jest kluczowym minerałem w ekstrakcji aluminium z boksytów ; jednak jako jedyne znaczące zjawisko w Ivittuut na Grenlandii w granitowym pegmatycie zostało zubożone, syntetyczny kriolit można wytworzyć z fluorytu.

Węglany

Minerały węglanowe to te, w których główną grupą anionową jest węglan, [CO 3 ] 2- . Węglany są zwykle kruche, wiele z nich ma rozszczepienie romboedryczne i wszystkie reagują z kwasem. Ze względu na tę ostatnią cechę geolodzy terenowi często noszą rozcieńczony kwas solny w celu odróżnienia węglanów od niewęglanów. Reakcja kwasu z węglanami, najczęściej spotykanymi jako polimorf kalcytu i aragonitu (CaCO 3 ), dotyczy rozpuszczania i wytrącania minerału, który jest kluczowy w tworzeniu jaskiń wapiennych, cech w nich takich jak stalaktyty i stalagmity i krasowe ukształtowanie terenu. Węglany powstają najczęściej jako osady biogenne lub chemiczne w środowiskach morskich. Grupa węglanowa jest strukturalnie trójkątem, w którym centralny kation C4 + jest otoczony trzema anionami O 2− ; z różnych układów tych trójkątów tworzą się różne grupy minerałów. Najpopularniejszym minerałem węglanowym jest kalcyt, który jest podstawowym składnikiem wapienia osadowego i marmuru metamorficznego. Kalcyt, CaCO 3 , może zawierać znaczny procent magnezu zastępującego wapń. W warunkach wysokiego Mg zamiast tego powstanie jego polimorficzny aragonit; geochemię morską w tym względzie można opisać jako morze aragonitowe lub kalcytowe , w zależności od tego, który minerał preferencyjnie się tworzy. Dolomit jest podwójnym węglanem o wzorze CaMg(CO 3 ) 2 . Powszechna jest wtórna dolomitacja wapienia, w której kalcyt lub aragonit są przekształcane w dolomit; reakcja ta zwiększa przestrzeń porów (objętość komórek elementarnych dolomitu wynosi 88% kalcytu), co może tworzyć zbiornik na ropę i gaz. Te dwie odmiany minerałów należą do tytułowych grup minerałów: grupa kalcytów obejmuje węglany o wzorze ogólnym XCO 3 , a grupa dolomitów to minerały o wzorze ogólnym XY(CO 3 ) 2 .

Siarczany

Gipsowa róża pustyni

Wszystkie minerały siarczanowe zawierają anion siarczanowy [SO 4 ] 2- . Zwykle są przezroczyste lub półprzezroczyste, miękkie, a wiele z nich jest kruchych. Minerały siarczanowe zwykle tworzą się w postaci ewaporatów , gdzie wytrącają się z parujących wód słonych. Siarczany można również znaleźć w hydrotermalnych układach żył związanych z siarczkami lub jako produkty utleniania siarczków. Siarczany można podzielić na minerały bezwodne i uwodnione. Zdecydowanie najpowszechniejszym siarczanem wodnym jest gips , CaSO 4 ⋅ 2 H 2 O. Tworzy się jako ewaporyt i jest związany z innymi ewaporatami, takimi jak kalcyt i halit; jeśli podczas krystalizacji zawiera ziarna piasku, gips może tworzyć róże pustynne . Gips ma bardzo niską przewodność cieplną i utrzymuje niską temperaturę po podgrzaniu, ponieważ traci to ciepło poprzez odwodnienie; jako taki, gips jest stosowany jako izolator w materiałach takich jak tynk i płyty gipsowo-kartonowe. Bezwodnym odpowiednikiem gipsu jest anhydryt ; może tworzyć się bezpośrednio z wody morskiej w bardzo suchych warunkach. Grupa barytowa ma wzór ogólny XSO 4 , gdzie X jest dużym kationem 12-koordynacyjnym. Przykłady obejmują baryt (BaSO4 ), celestyn (SrSO4 ) i anglezyt ( PbSO4 ) ; anhydryt nie należy do grupy barytów, ponieważ mniejszy Ca 2+ ma tylko ośmiokrotną koordynację.

Fosforany

Minerały fosforanowe charakteryzują się tetraedryczną jednostką [PO 4 ] 3− , chociaż strukturę można uogólnić, a fosfor zastępuje się antymonem, arsenem lub wanadem. Najpopularniejszym fosforanem jest grupa apatytu ; pospolitymi gatunkami w tej grupie są fluoroapatyt (Ca 5 (PO 4 ) 3 F), chlorapatyt (Ca 5 (PO 4 ) 3 Cl) i hydroksyapatyt (Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH)). Minerały z tej grupy są głównymi składnikami krystalicznymi zębów i kości kręgowców. Stosunkowo liczna grupa monazytów ma ogólną strukturę ATO 4 , gdzie T to fosfor lub arsen, a A to często pierwiastek ziem rzadkich (REE). Monazyt jest ważny na dwa sposoby: po pierwsze, jako „zlew REE” może wystarczająco skoncentrować te pierwiastki, aby stać się rudą; po drugie, pierwiastki z grupy monazytów mogą zawierać stosunkowo duże ilości uranu i toru, co można wykorzystać w geochronologii monazytu do datowania skały na podstawie rozpadu U i Th na ołów.

Minerały organiczne

Klasyfikacja Strunza obejmuje klasę minerałów organicznych . Te rzadkie związki zawierają węgiel organiczny , ale mogą powstawać w procesie geologicznym. Na przykład whewellit , CaC 2 O 4 ⋅ H 2 O to szczawian , który może osadzać się w hydrotermalnych żyłach rudy. Chociaż uwodniony szczawian wapnia można znaleźć w pokładach węgla i innych osadach zawierających materię organiczną, uważa się, że występowanie hydrotermalne nie jest związane z aktywnością biologiczną.

Ostatnie postępy

Schematy klasyfikacji minerałów i ich definicje ewoluują, aby dopasować się do ostatnich postępów w naukach o minerałach. Ostatnie zmiany obejmowały dodanie klasy organicznej, zarówno w nowych schematach klasyfikacji Dana, jak i Strunz . Klasa organiczna obejmuje bardzo rzadką grupę minerałów zawierających węglowodory . Komisja IMA ds. Nowych Minerałów i Nazw Minerałów przyjęła w 2009 r. hierarchiczny schemat nazewnictwa i klasyfikacji grup minerałów i nazw grup oraz ustanowiła siedem komisji i cztery grupy robocze do przeglądu i klasyfikacji minerałów w oficjalnym wykazie ich opublikowanych nazw. Zgodnie z tymi nowymi zasadami „gatunki mineralne można pogrupować na wiele różnych sposobów, na przykład na podstawie chemii, struktury krystalicznej, występowania, asocjacji, historii genetycznej lub zasobu, na przykład w zależności od celu, któremu ma służyć Klasyfikacja."

Astrobiologia

Sugerowano, że biominerały mogą być ważnymi wskaźnikami życia pozaziemskiego, a zatem mogą odgrywać ważną rolę w poszukiwaniach przeszłego lub obecnego życia na Marsie . Ponadto uważa się, że składniki organiczne ( biosygnatury ), które są często związane z biominerałami, odgrywają kluczową rolę zarówno w reakcjach prebiotycznych, jak i biotycznych .

W styczniu 2014 r. NASA poinformowała, że ​​badania łazików Curiosity i Opportunity na Marsie będą poszukiwać dowodów na istnienie starożytnego życia, w tym biosfery opartej na mikroorganizmach autotroficznych , chemotroficznych i/lub chemolitoautotroficznych , a także pradawnej wodzie, w tym środowiskach rzecznych i jeziornych ( równiny związane ze starożytnymi rzekami lub jeziorami ), które mogły nadawać się do zamieszkania . Poszukiwanie dowodów na możliwość zamieszkania , tafonomię (związaną ze skamieniałościami ) i węgiel organiczny na planecie Mars stało się głównym celem NASA .

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Ogólne odniesienia

Dalsze czytanie

Linki zewnętrzne