Глава IV. Образование минералов в природе [1951 Бетехтин А.Г.

Образование и рост кристаллических фаз. Образование твердого кристаллического вещества может происходить различными путями:

Главная масса природных кристаллических образований является результатом кристаллизации силикатных расплавов и водных растворов. Сюда относятся огромные массы изверженных кристаллических пород, подавляющее количество месторождений полезных ископаемых, кристаллические осадки соленосных бассейнов и др.

Кристаллизация любого охлаждающегося расплава теоретически должна начинаться при определенной температуре, отвечающей температуре плавления данного вещества. Точно так же и кристаллизация раствора должна начинаться в момент насыщения растворителя данным веществом. Однако, как показывает опыт, кристаллизация жидких фаз начинается при некотором переохлаждении или пересыщении*.

^*(Следует помнить, что если переохлаждение жидкости как в лабораторных, так и в природных условиях представляет обычное явление, то, наоборот, перегрев кристаллического вещества (выше точки плавления) получить очень трудно. То же относится к пересыщению раствора и сохранению твердой растворимой фазы в разбавленных растворах)

Степень переохлаждения или пересыщения жидкой среды зависит также от химического состава кристаллизующейся жидкости и, до некоторой степени, от давления. Изменение давления гораздо более существенное значение имеет при образовании кристаллов из охлаждающихся паров.

Процессы роста кристаллов в переохлажденном расплаве и в пересыщенном растворе совершенно одинаковы. Зарождение кристаллов может быть вынужденным, если в жидкости уже присутствуют обломки или пылинки каких-либо твердых веществ, могущих по своим кристаллохимическим свойствам играть роль затравок, или самопроизвольным, наступающим в отсутствии затравки в пересыщенных или переохлажденных растворах и расплавах.

Рис. 34. Схема кристаллизации гомогенной жидкости

При самопроизвольной кристаллизации в разных точках расплава или раствора возникают так называемые центры кристаллизации, представленные кристаллическими зародышами. В первые моменты процесса кристаллизации (допустим, какой-либо однокомпонентной жидкости) вокруг этих центров кристаллизации в условиях свободного развития растут правильные кристаллики до тех пор, пока не создастся стесненная обстановка для дальнейшего развития кристаллографических форм (рис. 34-А и Б). При продолжении кристаллизации начинается борьба за оставшееся пространство, и в конечном счете мы получим агрегат кристаллических зерен с неправильными внешними очертаниями (рис. 34-В и Г).

В некоторых случаях в таких зернах удается даже наблюдать кристаллически-зональное строение отдельных зерен, свидетельствующее о постепенном их росте.

Рис. 35. Зависимость числа центров кристаллизации (ч ц. кр.) от степени переохлаждения

Установлена прямая зависимость между степенью переохлаждения или пересыщения жидкости и числом самопроизвольно возникающих в момент начала затвердевания центров кристаллизации: чем сильнее переохлаждена или пересыщена жидкость, тем большее число центров кристаллизации возникает в данном объеме в единицу времени (рис. 35); следовательно, тем меньшими размерами будут обладать кристаллические зерна в результате окончательного затвердевания жидкости (рис. 36).

Рис. 36. Влияние числа центров кристаллизации на структуру агрегата. A-крупнозернистый агрегат; Б-мелкозернистый агрегат

Как условно показано на рис. 35, при относительно небольшом числе возникающих центров кристаллизации в результате образуются явно-кристаллически-зернистые агрегаты (I), при более сильном пересыщении или переохлаждении -скрытокристаллические агрегаты (II) и, наконец, при очень резком переохлаждении или пересыщении - аморфные или коллоидные массы (III).

Момент зарождения кристаллов в жидкости, по экспериментальным данным, зависит от разных причин: от химической природы вещества; от примесей, ускоряющих или задерживающих появление кристаллических зародышей; от механических сил (сотрясения раствора, трения о стенки сосуда); иногда от действия звука, света и т. д.

Около растущих в свободной среде кристаллов, как показывают опыты, возникают концентрационные потоки: пересыщенный раствор в области соприкосновения с кристаллом отдает ему избыток растворенного вещества, становится легче и поднимается кверху, уступая место новым порциям пересыщенного раствора. Скорость роста кристаллов тем больше, чем сильнее пересыщен раствор.

Если условия роста для каждой грани растущего кристалла остаются постоянными с момента зарождения, то форма кристаллов по мере их роста не меняется; увеличиваются только размеры их. Однако скорость прироста различных граней кристалла в единицу времени часто бывает не одинакова, что в результате приводит к уменьшению числа граней. Установлено также, что на форму кристаллов оказывают значительное влияние растворенные примеси других веществ. Так, например, хлористый натрий обычно кристаллизуется в форме кубов, но из растворов, содержащих, кроме NaCl, также CaCl₂ и MgSO₄, выделяется в виде октаэдров. При быстром росте кристаллов образуются неправильные формы. Главным образом это наблюдается в тех случаях, когда по тем или иным причинам нарушается равномерный приток питающего раствора (например, в средах с увеличившейся вязкостью в коллоидальных растворах и др.). В этих случаях наибольшее питание приобретают вершины и ребра растущих кристаллов, т. е. участки кристаллических решеток, наименее насыщенные валентностью. Это приводит иногда к искривлению граней с образованием воронкообразных углублений, а нередко к последовательному нарастанию кристалликов друг на друга (главным образом по вершинам). В результате образуются так называемые кристаллические скелеты, или дендриты, с определенным расположением ветвей в пространстве. Часто на концах таких ветвей наблюдаются утолщения и образование более крупных и более правильных кристаллических индивидов. Объясняется это, вероятно, тем, что во время кристаллизации вещества пересыщение раствора в прилегающих участках падает и наступают более нормальные условия для роста кристаллов.

Рис. 37. Кристаллические образования NaCl, возникающие в воздушной среде на нитке, опущенной в насыщенный раствор. В качестве груза к нитке прикреплен обломок стеклянной палочки По О. П. Оглоблиной

Следует заметить, что кристаллы могут расти не только в жидких средах, т. е. за счет диффундирующих к кристаллу пересыщенных порций раствора, но также и в воздушной или газообразной среде при условии питания насыщенным раствором по капиллярным каналам. Об этом убедительно свидетельствует следующий опыт. Если в стакан с насыщенным раствором поваренной соли опустить хорошо смачивающуюся раствором хлопчатобумажную нить (рис. 37), то через некоторое время в условиях воздушной среды на нити образуется кристаллический агрегат за счет раствора, подымающегося под влиянием капиллярных сил вверх. В воздушной среде этот раствор за счет испарения воды подвергается сильному пересыщению, что и обусловливает кристаллизацию растворенного в нем вещества.

Нет никакого сомнения в том, что при медленном испарении растворителя таким путем могут возникнуть и хорошо образованные кристаллы. Многим, вероятно, известны также случаи роста из влажной почвы игл льда, наблюдаемых после ясных морозных ночей. Подобные же иглы вырастают в результате медленного высыхания влажных порошков легко растворимых в воде солей, например хлористого кальция. Весьма возможно, что встречающиеся в пустотах длинно игольчатые кристаллы многих минералов возникли этим путем.

Наконец, образование кристаллов может происходить в газообразной среде и без питания жидким раствором, т. е. в случаях перехода вещества из парообразного состояния сразу в твердое при соответствующих температурах (ниже температуры плавления) и давлениях. Примером может служить образование снежинок в виде звездчатых кристаллов в воздухе или различных минералов как продуктов возгона в районах вулканической деятельности.

Во многих случаях характерной особенностью кристаллов и кристаллических зерен является наличие в них мельчайших включений посторонних веществ (твердых, жидких, газообразных). Большей частью ими обусловливается мутность или непрозрачность кристаллов. Они легко обнаруживаются при рассматривании под микроскопом тонких пришлифованных пластинок. Лишь в минералах, по своей природе непрозрачных, установление жидких и газообразных включений сопряжено с некоторыми трудностями.

Эти посторонние вещества, как показывает изучение их пространственного распределения, очевидно, механически захватывались кристаллом в процессе его быстрого роста. Они располагаются внутри его нередко вдоль определенных кристаллографических направлений. Таковы, например, включения вулканического стекла (затвердевших капелек магмы) в кристаллически-зональных плагиоклазах, или маточного жидкого раствора солей К, Na, Ga и др. или пузырьков газа, обычно в смеси с жидкостью, в мутных кристаллах кварца, кальцита, топаза и других минералов.

Любопытно, что газово-жидкие включения при нагревании при определенной температуре становятся однородной жидкостью (газ переходит в раствор), а по охлаждении газовый пузырек вновь обособляется. Этим путем в ряде случаев можно приблизительно установить температуру, при которой шла кристаллизация минерала, захватывавшего мельчайшие капельки раствора.

В некоторых случаях в газово-жидких включениях наблюдается даже третья твердая фаза (например кристаллики NaCl). При нагревании эти кристаллики, как показал Н. П. Ермаков, растворяются в жидкости первыми, а затем исчезает и газовый пузырек.

Кроме первичных газово-жидких включений, в кристаллах обнаруживаются также более поздние, вторичные включения, приуроченные к "залеченным" трещинкам в кристаллах (Г. Г. Леммлейн). Характерно, что во вторичных газово-жидких включениях исчезновение газового пузырька в капельках жидкости при нагревании наступает раньше, чем в первичных включениях. При дальнейшем нагревании в тех и других случаях происходит растрескивание кристаллической массы (столь сильное давление создается в жидких включениях).

Растворение кристаллов, могущее наступать в силу различных причин, характеризуется, согласно наблюдениям, следующими явлениями:

Следует еще раз подчеркнуть, что при кристаллизации жидкостей и возгонов хорошо развитые кристаллы могут образоваться лишь в условиях свободного роста. Чаще всего они наблюдаются в пустотах. В массивных породах и рудах кристаллы принадлежат минералам, кристаллизующимся первыми или обладающим большой кристаллизационной силой.

Если какой-либо раствор, пропитывающий данную породу, взаимодействует с ней по реакциям обменного разложения, то при этом, как правило, возникают новообразования за счет всей породы или некоторых составляющих ее минералов. Такой процесс носит название процесса замещения, или метасоматоза. Примерами могут служить:

В случае избирательного метасоматоза (т. е. при замещении каких-либо определенных минералов породы) вновь образованный минерал, воспринявший внешнюю форму, а иногда и особенности внутреннего строения старого минерала, носит название метасомы. В частном случае, когда замещению подвергается какой-либо кристалл, мы будем иметь дело с псевдоморфозой, т. е. с чуждой для данного минерала кристаллической формой. При коллоидальном замещении органических остатков, например древесины, опалом или сульфидами железа нередко сохраняются все особенности их строения.

Наряду с этим в природе распространены случаи возникновения хорошо образованных кристаллов, развившихся путем метасоматоза в твердых средах (породах). Такие образования называются метакристаллами и известны лишь для некоторых минералов. Примером являются прекрасно образованные кубические кристаллы пирита в сланцах, мраморах и других породах. Метакристаллы часто содержат внутри остатки незамещенных минералов вмещающей породы. Они нередко возникают вдоль направлений тончайших, почти незаметных трещин в породах, что говорит о несомненно более позднем их образовании по сравнению с породой.

Процессы перекристаллизации и преобразования минералов, совершающиеся в твердых средах, происходят под влиянием существенного изменения физико-химических факторов равновесия систем, в частности в условиях так называемого регионального метаморфизма.

Минеральные агрегаты. В результате кристаллизации и затвердевания раствора или расплава образуется смесь сросшихся между собой кристаллических зерен, которая носит название минерального агрегата.

Агрегаты бывают мономинеральными, т. е. состоящими из кристаллических зерен одного минерала (например, штуф мрамора или магнетитовой руды), и полиминеральными, представленными несколькими, различными по составу и свойствам минералами (например, кусок гранита или медно-цинковой сульфидной руды).

По своему строению и морфологическим признакам минеральные агрегаты весьма разнообразны. Многие из них настолько типичны, что приобрели особые названия. Наиболее характерные морфологические особенности минеральных агрегатов обусловлены степенью кристалличности вещества. С этой точки зрения, прежде всего существенно отличаются друг от друга две большие группы:

Перечислим главнейшие типы минеральных агрегатов.

Зернистые агрегаты, сложенные кристаллическими зернами, иногда в комбинации с хорошо образованными кристаллами каких-либо минералов. Этот тип агрегатов пользуется наибольшим распространением в земной коре. Примерами могут служить полнокристаллические изверженные породы, многие сульфидные и другие руды месторождений полезных ископаемых и пр.

Рис. 38. Pадиальнолучистые агрегаты пирофиллита

Форма слагающих зерен также накладывает свой отпечаток на морфологические особенности агрегатов. Если агрегат сложен зернами более или менее изометрической формы, то его называют просто зернистым. Если же зерна имеют пластинчатый облик, то такие агрегаты называют листоватыми или чешуйчатыми - в зависимости от размеров слагающих индивидов. Наконец, встречаются агрегаты, индивиды которых имеют вытянутую в одном направлении форму, иногда с радиальным расположением (рис. 38); они носят названия шестоватых, игольчатых, волокнистых агрегатов. Распространены также агрегаты, сложенные минералами различных форм, например: слюдяные сланцы с изометрическими кристаллами граната, зернистые массы кварца с шестоватыми кристаллами турмалина и др. (рис. 39).

Рис. 39. Сноповидные агрегаты турмалина в серицито-хлоритовом сланце часто удается изучить последовательность выделения разных минералов, кристаллизовавшихся из последних порций растворов

По степени заполнения пространства различают плотные и рыхлые зернистые агрегаты. Примером последних могут служить рыхлые кристаллические образования на дне усыхающих соленых озер.

Рис. 40. Друза кристаллов кварца

Друзы представляют собой сростки хорошо образованных кристаллов, наросших на стенках каких-либо пустот. Примером могут служить часто встречающиеся друзы кристаллов кварца (рис. 40). Друзы интересны не только с кристаллографической точки зрения, но также потому, что в них часто удается изучить последовательность выделения разных минералов кристаллизировавшихся из последних порций растворов.

Сам факт наличия в друзах хорошо образованных кристаллов свидетельствует о том, что они возникли в свободном пространстве, т. е. в каких-либо первичных пустотах, полых трещинах, раздробленных породах и т. д. Размеры пустот бывают самые различные, начиная с мелких пор и кончая пещерами, называемыми иногда "хрустальными погребами", в которых стенки усеяны крупными кристаллами прозрачного кварца и других минералов.

Такие минеральные образования, в которых кристаллические индивиды, тесно соприкасаясь, вытянуты более или менее параллельно друг другу, носят название гребенчатых или щеткобидных агрегатов. Очевидно, кристаллы, зародившиеся на стенках полости, еще в начальные моменты роста, вошли в соприкосновение друг с другом и в дальнейшем, в условиях стесненной обстановки, могли развиваться лишь в одном на правлении, перпендикулярном к этим стенкам. К этой же категории образований относятся кристаллические корки, образованные мелкими, тесно сросшимися кристалликами, и щетки кристаллов.

Как показывает изучение, в этих случаях первоначально возникшие многочисленные кристаллические зародыши развивают свой рост в самых произвольных направлениях. Однако в процессе дальнейшего роста в борьбе за пространство постепенно выживает все меньшее и меньшее число кристаллических индивидов, причем преимущественно продолжают развиваться те из них, направление наибольшего роста которых близко к перпендикуляру к поверхности зарождения кристаллов ("принцип геометрического отбора"). Если эта поверхность вогнутая, то возникают радиально сходящиеся лучистые минеральные агрегаты, а если выпуклая-радиально расходящиеся игольчатые или столбчатые кристаллические массы.

Секреции образуются в результате заполнения неправильной, но обычно округлой формы пустот кристаллическим или коллоидным веществом. Характерной особенностью многих секреций является последовательное концентрически послойное отложение минерального вещества по направлению от стенок пустоты к центру. При этом отдельные слои нередко отличаются друг от друга по цвету и часто по составу.

Мелкие пустоты обычно нацело заполняются минеральным веществом. Иногда центральная часть бывает выполнена радиальноволокнистыми агрегатами какого-либо минерала, например цеолитов. В крупных же пустотах в центре нередко наблюдается полость, стенки которой устланы друзами кристаллов или натечными образованиями.

Рис. 41. Жеода

Мелкие секреции (до 10 мм в поперечнике) называются миндалинами, крупные - жеодами (рис. 41).

Рис. 42. Конкреции фосфорита. Левая конкреция показана в изломе

Конкреции представляют собой шаровидные или не совсем правильной формы сферические стяжения и желваки (рис. 42), возникающие в рыхлых осадочных породах, главным образом в глинах, песках и землистых продуктах разрушения пород. Размеры конкреций колеблются в широких пределах - от миллиметров до десятков сантиметров, иногда до метров в поперечнике. Разрастаясь и соединяясь вместе, они образуют сложные по форме крупные тела.

Часто, но не обязательно, они возникают вокруг чужеродных тел, которыми во многих случаях являются органические остатки. В полированных разрезах песчанистых конкреций марказита и фосфорита бывает видно слоистое расположение песчинок, отвечающее слоистости самой породы. Этот факт говорит о том, что конкреции, по крайней мере отчасти, образуются после того, как породы сформировались. По всей вероятности, они вначале являлись коллоидными сгустками-гелями, впоследствии раскристаллизовавшимися. В изломе через центр они во многих случаях обнаруживают радиальнолучистое строение (рис. 42). Иногда наряду с этим наблюдается неясно выраженное концентрически-зональное строение минеральной массы.

Таким образом, конкреции по своему происхождению существенно отличаются от рассмотренных выше секреционных образований. В противоположность последним, конкреции разрастаются вокруг какого-либо центра.

Наиболее часто в виде конкреций встречаются фосфорит, пирит, марказит, иногда сидерит, барит и др.

Оолиты по способу образования во многом аналогичны конкрециям. Это такие же сферические образования, но малых размеров (от десятых долей миллиметра до 5-10 мм), возникающие в водных средах вокруг взвешенных посторонних тел-песчинок, обломков органических остатков и даже пузырьков газа. Характерной особенностью оолитовых стяжений является их явно выраженная, довольно правильная концентрическая слоистость, иногда скорлуповатость. Аналогичные по форме, но не обладающие концентрической слоистостью образования называют псевдооолитами (бобовинами).

рис. 43. Оолитовые стяжения CaCO3

Образование современных известковистых оолитов происходит в движущейся воде во взвешенном состоянии, причем по мере достижения определенных размеров они падают на дно. Осадочные породы, состоящие из сцементированных оолитовых стяжений, в зависимости от размеров носят название икряных и гороховых камней (рис. 43).

Рис. 44. Сталактиты лимонита

Натечные формы минеральных образований возникают за счет коллоидов-гелей. Они, так же как и друзы кристаллов, наблюдаются в пустотах. Медленно мигрирующие коллоидные растворы, достигая пустот, обволакивают стенки их. Постепенно теряя испаряющуюся в полое пространство воду (дисперсионную среду), они густеют и под влиянием силы тяжести свисают с верхних частей пустот в виде сталактитовых (рис. 44), почковидных (рис. 45), гроздевидных и прочих форм. В таком виде они в конце концов затвердевают. В нижних частях пустот за счет падающих капель возникают поднимающиеся кверху конусообразные сталагмиты, наблюдающиеся, впрочем, не для всех минеральных образований.

Рис. 45. Почковидные массы гематита

Размеры подобных образований могут быть самыми различными, начиная от микроскопических и кончая толстыми столбообразными сталактитами и сталагмитами арагонита и кальцита (CaCO₃) в больших пещерах.

В натечных формах могут встречаться самые различные минералы: гидроокислы железа (лимонит, гётит), гидроокислы марганца (псиломеланы), опал, малахит, гипс, арагонит, кальцит, сульфиды разных металлов и др.

Как показывает изучение натечных образований в полированных образцах, они очень часто характеризуются концентрически-зональным строением (в поперечных разрезах). Это строение обусловливается чередованием зон, состоящих либо из одного и того же минерала, но различной окраски или с различными физическими свойствами (малахит, лимонит и др.), либо, - что гораздо реже, - из различных по составу минералов (например, лимонит, халцедон и малахит; лимонит и самородная медь, и др.). Различия в минеральном составе отдельных концентрических слоев свидетельствуют об изменении состава притекавших растворов в процессе роста натеков.

Выше указывалось, что коллоидные образования-гели - сравнительно легко подвергаются раскристаллизации. Для разных минеральных веществ этот процесс протекает не одинаково, что сказывается на строении получающихся кристаллических агрегатов. Например, натечные образования лимонита, полностью сохраняя внешнюю форму, превращаются в агрегат радиально расходящихся тонких волокон гётита и гидрогематита, расположенных перпендикулярно к поверхности отдельных концентрических слоев. Другие минеральные вещества раскристаллизовываются в более грубые радиально-лучистые агрегаты, причем реликтовые очертания концентрических слоев в изломе часто бывают все же заметны. При этом гладкая поверхность натечных форм нарушается и как бы покрывается мелкими кристаллическими гранями (марказит).

Землистые массы, как показывает само название, представляют собой мягкие мучнистые образования, в которых невозможно различить даже с помощью лупы какие-либо кристаллические образования. Обычно мы их наблюдаем в виде корок или скоплений, возникающих чаще всего при химическом выветривании руд и горных пород. В зависимости от цвета такие массы иногда называют сажистыми (образования черного цвета) или охристыми (скопления и корки желтого и бурого цвета).

Таковы, например, землистые минеральные образования различной окраски гидросиликатов никеля, сажистые образования гидроокислов

Налеты и примазки, встречающиеся иногда в виде тонких пленок на поверхности кристаллов, могут представлять собой различные по составу вещества. К числу их можно отнести, например, тонкие пленки

бурых гидроокислов железа на кристаллах горного хрусталя, примазки медной зелени и сини в горных породах, вмещающих медные месторождения, и др.

Выцветами называют обычно периодически появляющиеся на поверхности руд, горных пород, сухих почв и в трещинах рыхлые пленки и корочки или спорадически рассеянные моховидные и пушистые образования каких-либо солей, чаще всего легкорастворимых водных сульфатов. В дождливые периоды года они, как правило, исчезают, а в сухую погоду вновь появляются.

Рис. 46. Дендритоподобные образования гидроокислов марганца на плоскостях трещины в измененной альбитовой породе

К этому же типу образований следует отнести довольно часто наблюдающиеся дендритоподобные выделения гидроокислов марганца на поверхности пород вдоль тонких трещин (рис. 46).

Рис. 47. 'Кольца Лизеганга'

Несколько слов следует сказать о так называемых "кольцах Лизеганга". Под этим термином подразумевают ритмически перемежающиеся полосчатые образования, являющиеся результатом периодического осаждения каких-либо соединений при диффузии в гелевых средах, очень похожие на те, что получал Р. Лизеганг в виде концентрических колец (рис. 47). Сущность его опыта сводилась к тому, что вокруг капли AgNO₃ на желатине, пропитанной K₂Cr₂O₇, при диффузии раствора в процессе реакции возникали микроскопические кристаллики Ag₂Cr₂O₇, которые первоначально двигались вместе с раствором, но затем, по мере роста, задерживались в порах желатины, будучи не в состоянии двигаться дальше из-за своих размеров, и потому периодически осаждались в виде концентрических колец. Подобные структуры встречаются, например, в некоторых агатах (рис. 41) и яшмах. Очень похожие образования возникают в тонкопористых породах при процессах выветривания. Таковы, например, ритмические кольца, полосы, гиперболы, окрашенные бурыми гидроокислами железа, в известняках, песчаниках и других породах. Здесь периодическое выпадение вещества, очевидно, совершается из золей в виде геля при критической концентрации дисперсной фазы или электролита. Если при этом одновременно происходит выщелачивание породы, то в конечном результате мы будем иметь концентрически-скорлуповатые образования, в которых полосы плотного геля перемежаются с землистыми участками. Весьма вероятно, что так называемые "бурундучные руды", представленные ритмически-полосчатой перемежаемостью сфалерита и анкерита (рис. 48) или магнетита и кальцита и др., наблюдаемые в рудах некоторых месторождений, принадлежат к этому же типу образований.

Рис. 48. 'Бурундучная руда' Кадаинское месторождение (Забайкалье). Темные полоски - сфалерит (ZnS); светлые - карбонат (анкерит)

В некоторых случаях вместо колец или полос возникают древовидные образования. Таковы, например, выделения гидроокислов железа или марганца в опале ("моховые" агаты). Искусственно они также легко воспроизводятся в желатиновой среде.

Парагенезис минералов*. Этот термин, понимавшийся как "совместное нахождение минералов", был введен в геологическую литературу в 1849 г. Брейтгауптом. Однако впервые, задолго до этого (в 1798 г.), то же понятие под названием "смежность минералов" было предложено нашим русским ученым В. М. Севергиным.

^*("Пара" по-гречески - подле, возле; "генезис" - образование, происхождение)

Характерные для тех или иных месторождений полезных ископаемых минеральные ассоциации, без сомнения, были известны еще древним рудокопам. Например, давно было установлено, что галенит, с которым часто связано серебро, как правило, встречается совместно со сфалеритом. Точно так же широко распространены месторождения, в которых золото ассоциирует с кварцем, киноварь с антимонитом и т. д. На эти "спутники и указатели к великим сокровищам" неоднократно указывал в своих трудах М. В. Ломоносов. Особое внимание уделяли этому вопросу В. М. Севергин, Д. И. Соколов, П. П. Пилипенко и другие минералоги.

В настоящее время по этому вопросу накопился огромный эмпирический материал, особенно по рудным месторождениям, остававшийся до последнего времени далеко не осмысленным с теоретической точки зрения. В. И. Вернадский, уделявший большое внимание этой проблеме, неоднократно указывал на необходимость изучения закономерностей сочетания минералов. К решению этой задачи наиболее широко подошли советские ученые на основе применения законов физической химии. При этом, как выяснилось, среди всех наблюдаемых в данном месторождении минералов очень важно выделять отдельные ассоциации минералов, более тесно связанных между собой по условиям образования. Для ясности остановимся на простом примере.

Нередко в одном и том же штуфе руды среди наблюдаемых минералов устанавливаются две или несколько различных по времени образования и происхождению групп минералов. Например, лимонит (гидроокислы железа) и малахит (карбонат меди) часто наблюдаются в ассоциации с полуразрушенными сульфидами меди и железа (например, пиритом - FeS₂ и халькопиритом - CuFeS₂). Однако геологические данные всегда показывают, что сульфиды образовались раньше, в одних условиях, а более поздние гидроокислы железа и карбонат меди - в совершенно другой обстановке (в условиях выветривания) и пространственно связаны с первыми лишь по источнику входящих в них химических элементов (железа и меди). Следовательно, в данной минеральной ассоциации мы имеем две различные по условиям образования группы минералов.

При таком подходе к изучению ассоциаций минералов выявляются чрезвычайно важные как в научном, так и в практическом отношении закономерности смены парагенетических ассоциаций минералов во времени, свидетельствующие об изменении физико-химических условий минерало-образования. Советскими учеными разработан геометрический метод анализа наблюдающихся в природе различных сочетаний минералов, позволяющий вскрывать многие детали и факты, которые при обычных методах наблюдения ускользают от исследователя.

Знание типических парагенетических ассоциаций имеет большое значение, в минералогии. Оно не только помогает определять совместно встречающиеся минералы, но также оказывает большую услугу при поисках полезных ископаемых. Например, если в основных, обогащенных магнезией изверженных породах мы встречаем такие более или менее легко устанавливаемые по внешним признакам минералы, как пирротин (FeS) и халькопирит (CuFeS₂), то мы обязательно должны искать третий, трудно диагностируемый, но очень важный в промышленности никелевый минерал-пентландит (Fe,Ni)₉S₈, который в этих породах встречается совместно с предыдущими.

Нужно указать, что в природе наблюдаются самые разнообразные пара-генетические ассоциации минералов. Это обусловлено не только первоначальным составом кристаллизующихся растворов или реагирующих с ними окружающих горных пород, но также температурой, давлением или глубиной в земной коре, на которой происходит образование или преобразование минералов, и другими факторами. При этом одни минералы могут возникать только при определенных значениях внешних факторов, другие, наоборот, могут образовываться при различных процессах минералообразования. Так, гипс (CaSO₄•2H₂O) в одних случаях нередко встречается в ассоциации с хлористыми и сернокислыми солями в пластовых соляных залежах, образовавшихся в результате усыхания соляных рассолов в озерных бассейнах и лагунах. В других случаях он наблюдается как продукт химического выветривания горных пород (в областях с малым количеством осадков) в ассоциации с гидроокислами железа и глинистыми продуктами разрушения, причем, как показывают горные выработки, он довольно быстро исчезает с глубиной. Затем описаны случаи нахождения гипса в виде кристаллов в трещинах, среди разложенных и обесцвеченных лав и изверженных горных пород, около сольфатар (парообразных сернистых выделений в районах вулканической деятельности), где гипс мог образоваться за счет известковистых минералов вмещающих пород под действием горячих вод, содержащих серную кислоту, и т. д.

Разнообразие парагенетических ассоциаций минералов часто осложняется тем, что во многих случаях на данную группу совместно образовавшихся минералов, связанных с одним процессом, накладываются минеральные ассоциации, обязанные своим происхождением другому процессу, причем новообразования нередко частично развиваются за счет ранее образовавшихся минералов. Поэтому и важно в подобных случаях раздельно учитывать различные по происхождению группы совместнообразовавшихся минералов, так как для каждого процесса минералообразования, естественно, существуют свои закономерности сочетаний минералов. Сам факт наложения нового процесса минералообразования свидетельствует об изменившихся физико-химических условиях равновесия минеральных фаз Это нередко приводит к тому, что по крайней мере часть ранее образовавшихся минералов оказывается неустойчивой в новых условиях и подвергается соответствующим изменениям или замещению новыми минералами.

Что касается характерных ассоциаций химических элементов в отдельных минералах, то этот вопрос для кристаллических тег решается целиком на основе законов кристаллохимии. Сочетание разнородных элементов в кристаллических решетках, как известно, обусловливается химическими особенностями, связанными со строением атомов или ионов, их размерами и свойствами. Замена одних атомов и групп атомов другими также зависит от их размеров, а в ионных соединениях, кроме того, соблюдается условие, чтобы суммарные положительная и отрицательная валентности были уравновешены.

Рис. 49. Два поколения кристаллов пирита (FeS><sub>2</sub>)

Рис. 49. Два поколения кристаллов пирита (FeS₂)

Генерации минералов. Термин "генерация" в переводе на русский язык означает поколение. Это слово точно передает смысл термина. Генерациями какого-либо минерала называют разновозрастные его выделения в данной минеральной ассоциации, отличающиеся по относительным размерам, по внешнему виду или особенностям химического состава. Наблюдения над условиями нахождения минералов, особенно в рудных месторождениях, очень часто показывают, что существует несколько поколений одного и того же минерала, возникших в течение одной стадии процесса минералообразования. В одних случаях, как это показано на рис. 49, более молодые поколения мелких кристаллов нарастают тут же на более ранних и крупных по размерам, в других - они проявляются иначе, например в виде ранних крупных зерен и в виде поздних мелких выделений в тонких трещинках среди других минералов или мельчайших включений, устанавливаемых лишь под микроскопом, и т. д. Детальными микроскопическими исследованиями руд устанавливается, что почти каждый рудообразующий минерал имеет по несколько генераций, что указывает на сложность процессов рудообразования. Это обстоятельство важно иметь в виду при изучении парагенетических соотношений минералов*.

^*(Термин "генерация", вообще говоря, относится не только к отдельным минералам, но и к минеральным комплексам, в частности к горным породам и рудам Например, жилы диабазов или кварцевых порфиров нередко имеют по несколько поколений, как об этом можно судить по пересечениям жил одной и той же породы Другой пример, в некоторых молибденовых месторождениях среди жил грубозернистого кварца с крупнокристаллическим молибденитом (MoS₂) иногда наблюдаются более поздние генерации молибденовых руд (в виде прожилков и цемента между обломками), представленных тонкозернистым кварцем и обильным скрыточешуйчатым молибденитом)

Типоморфные признаки минералов. Давно уже обращалось внимание на то, что некоторые минералы обладают характерными особенностями, свойственными какому-либо данному типу месторождений. К таким признакам относятся цвет, формы кристаллов, типы двойников, примеси в составе минерала каких-либо химических элементов и т. д. Несомненно, что эти характерные черты связаны с особенностями состава растворов, из которых кристаллизовались эти минералы, температурой, давлением и другими условиями минералообразования. Например, в так называемых "жилах альпийского типа" широко распространены кристаллы прозрачного кварца, которые, в отличие от других типов месторождений, характеризуются отсутствием двойникового строения, некоторыми особенностями кристаллических форм и определенным парагенезисом минералов. Очень характерно также то, что самородное золото, содержащее обычно в своем составе в виде примеси серебро, наиболее богато этим металлом в определенных типах рудных месторождений, образовавшихся в приповерхностных условиях в земной коре при относительно низких температурах. Серебристое золото (электрум) отличается от обычного самородного золота и по физическим свойствам - обладает несколько меньшим удельным весом и более светлым желтым цветом. В парагенезисе с ним часто встречаются сернистые соединения серебра: аргентит (Ag2S), прустит (Ag₃AsS₃) и др.

Для подавляющего большинства рудных месторождений, характеризующихся сложными условиями происхождения, наблюдается большое разнообразие этих признаков, что требует весьма детальных исследований для установления истинных закономерностей, на основании которых можно было бы сделать достоверные выводы. Это, однако, не исключает интереса к этим признакам, помогающим изучать минеральные месторождения.

Глава IV. Образование минералов в природе

1. Общие положения