Минералогия

редактировать
Научное изучение минералов и минерализованных артефактов Минералогия представляет собой смесь химии и материаловедения, физика и геология.

Минералогия является предметом геологии, специализирующейся на научных исследованиях химии, кристаллическая структура и физические (включая оптические ) свойства минералов и минерализованных артефактов. Конкретные исследования в области минералогии включают процессы происхождения и образования минералов, классификацию минералов, их географическое распределение, а также их использование.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Физические свойства
  • 3 Кристаллическая структура
  • 4 Химические элементы
  • 5 Оптический
    • 5.1 Проходящий свет
  • 6 Систематический
  • 7 Среда образования
  • 8 Биоминералогия
  • 9 Минеральная экология
  • 10 Использование
    • 10.1 Сбор
  • 11 См. Также
  • 12 Примечания
  • 13 Ссылки
  • 14 Дополнительная литература
  • 15 Внешние ссылки
    • 15.1 Ассоциации
    • 15.2 Прочее

История

Страница из трактата по минералогии Фридриха Мохса (1825) Составитель лунной минералогии, a спектрометр, который нанес на карту лунную поверхность

Ранние минералогические письма, особенно драгоценные камни, происходят из древней Вавилонии, древнего греко-римского мира, древние и средневековые Китай и санскритские тексты из древней Индии и древнего исламского мира. Книги по этой теме включали Naturalis Historia из Плиния Старшего, в котором не только описывалось множество различных минералов, но и объяснялись многие их свойства, а также «Китаб аль-Джавахир» (Книга драгоценных камней) персидского ученого Аль-Бируни. Немецкий специалист по Возрождению Георгиус Агрикола написал такие работы, как De re Metallica (О металлах, 1556 г.) и De Natura Fossilium ( Nature of Rocks, 1546), положившая начало научному подходу к предмету. Систематические научные исследования минералов и горных пород развивались в Европе после Возрождения. Современное изучение минералогии было основано на принципах кристаллографии (сама по себе геометрическая кристаллография восходит к минералогии XVIII и XIX веков) и микроскопической изучение разрезов горных пород с изобретением микроскопа в 17 веке.

Николас Стено впервые обнаружил закон постоянства межфазных углов (также известный как первый закон кристаллографии) в кристаллах кварца в 1669 году. Позднее это было обобщено и экспериментально установлено Жаном-Батистом Л. Роме де л'Исли в 1783 году. Рене Жюст Хой, «отец современной кристаллографии», показали, что кристаллы являются периодическими, и установили, что ориентации граней кристаллов могут быть выражены в терминах рациональных чисел, как позже закодировано в индексах Миллера. В 1814 году Йенс Якоб Берцелиус ввел классификацию минералов, основанную на их химическом составе, а не на их кристаллической структуре. Уильям Никол разработал призму Николя, которая поляризует свет, в 1827–1828 гг. при изучении окаменелой древесины; Генри Клифтон Сорби показал, что тонкие срезы минералов можно идентифицировать по их оптическим свойствам с помощью поляризационного микроскопа. Джеймс Д. Дана опубликовал свое первое издание A System Минералогии в 1837 году, а в более позднем издании введена химическая классификация, которая до сих пор является стандартом. Дифракция рентгеновских лучей была продемонстрирована Максом фон Лауэ в 1912 году и превратилась в инструмент для анализа кристаллической структуры минералов командой отца и сына Уильяма Генри Брэгга и <267.>Уильям Лоуренс Брэгг.

Совсем недавно, благодаря достижениям в экспериментальной технике (например, нейтронная дифракция ) и доступной вычислительной мощности, последняя из которых позволила чрезвычайно точные моделирование поведения кристаллов в атомном масштабе., наука расширилась, чтобы рассмотреть более общие проблемы в областях неорганической химии и физики твердого тела. Однако в нем уделяется внимание кристаллическим структурам, которые обычно встречаются в породообразующих минералах (таких как перовскиты, глинистые минералы и каркасные силикаты ). В частности, эта область добилась больших успехов в понимании взаимосвязи между структурой минералов в атомном масштабе и их функцией; в природе яркими примерами могут быть точное измерение и предсказание упругих свойств минералов, что привело к новому пониманию сейсмологического поведения горных пород и связанных с глубиной неоднородностей на сейсмограммах мантии Земли. С этой целью, сосредоточив внимание на связи между явлениями атомного масштаба и макроскопическими свойствами, науки о минералах (как они теперь широко известны), возможно, больше перекликаются с материаловедением, чем с любой другой дисциплиной.

Физические свойства

Кальцит представляет собой карбонатный минерал (CaCO 3) с ромбоэдрической кристаллической структурой. Арагонит представляет собой ромбический полиморф кальцита.

Первым шагом в идентификации минерала является изучение его физических свойств, многие из которых можно измерить на ручном образце. Их можно разделить на плотность (часто обозначаемую как удельный вес ); показатели механического сцепления (твердость, прочность, расщепление, излом, разделение ); макроскопические визуальные свойства (блеск, цвет, штрих, люминесценция, диафанальность ); магнитные и электрические свойства; радиоактивность и растворимость в хлористом водороде (H Cl ).

Твердость определяется путем сравнения с другими минералами. В шкале Мооса стандартный набор минералов пронумерован в порядке увеличения твердости от 1 (тальк) до 10 (алмаз). Более твердый минерал поцарапает более мягкий, поэтому в эту шкалу может быть помещен неизвестный минерал, по которым он царапает и который царапает. Некоторые минералы, такие как кальцит и кианит, имеют твердость, которая в значительной степени зависит от направления. Твердость также можно измерить по абсолютной шкале с помощью склерометра ; по сравнению с абсолютной шкалой шкала Мооса нелинейна.

Прочность относится к тому, как минерал ведет себя, когда он сломан, раздавлен, изогнут или разорван. Минерал может быть хрупким, ковким, сектильным, пластичным, гибким или эластичным <158.>. Важное влияние на прочность оказывает тип химической связи (например, ионная или металлическая ). Из других показателей механического сцепления расщепление - это тенденция к разрыву по определенным кристаллографическим плоскостям. Он описывается качеством (например, идеальное или удовлетворительное) и ориентацией плоскости в кристаллографической номенклатуре. Расщепление - это тенденция к разрыву по плоскостям слабости из-за давления, двойникования или распада. Там, где эти два вида разлома не возникают, разрушение представляет собой менее упорядоченную форму, которая может быть раковиной (с плавными изгибами, напоминающими внутреннюю часть раковины), волокнистой, осколочной, рваной (с зазубринами с острыми краями), или неровный.

Если минерал хорошо кристаллизован, он также будет иметь характерный вид кристаллов (например, шестиугольный, столбчатый, ботриоидальный ), который отражает кристаллическая структура или внутреннее расположение атомов. На него также влияют дефекты кристаллов и двойникование. Многие кристаллы полиморфны, имея более одной возможной кристаллической структуры в зависимости от таких факторов, как давление и температура.

Кристаллическая структура

Кристаллическая структура перовскита. Такую структуру имеет самый распространенный минерал на Земле бриджманит. Его химическая формула: (Mg, Fe) SiO 3 ; красные сферы представляют собой кислород, синие сферы - кремний, а зеленые сферы - магний или железо.

Кристаллическая структура - это расположение атомов в кристалле. Он представлен решеткой точек, которая повторяет базовый узор, называемый элементарной ячейкой, в трех измерениях. Решетку можно охарактеризовать своей симметрией и размерами элементарной ячейки. Эти параметры представлены тремя индексами Миллера. Решетка остается неизменной посредством определенных операций симметрии относительно любой данной точки в решетке: отражение, вращение, инверсия и поворотная инверсия, сочетание вращения и отражения. Вместе они составляют математический объект, называемый кристаллографической точечной группой или классом кристаллов. Всего существует 32 возможных класса кристаллов. Кроме того, есть операции, которые перемещают все точки: смещение, ось винта и плоскость скольжения. В сочетании с точечной симметрией они образуют 230 возможных пространственных групп.

Большинство геологических отделов имеют оборудование для порошковой дифракции X-Ray для анализа кристаллических структур минералов. Рентгеновские лучи имеют длины волн того же порядка, что и расстояния между атомами. Дифракция, конструктивная и деструктивная интерференция между волнами, рассеянными на разных атомах, приводит к отличительным узорам высокой и низкой интенсивности, которые зависят от геометрии кристалла. В образце, измельченном до порошка, рентгеновские лучи демонстрируют случайное распределение всех ориентаций кристаллов. Порошковая дифракция позволяет различить минералы, которые могут выглядеть одинаково в ручном образце, например, кварц и его полиморфы тридимит и кристобалит.

Изоморфные минералы разных типов. составы имеют схожие порошковые дифрактограммы, основное различие заключается в расстоянии и интенсивности линий. Например, кристаллическая структура Na Cl (галита ) представляет собой пространственную группу Fm3m; эту структуру разделяют сильвит (K Cl ), периклаз (Mg O ), бунзенит (Ni O ), галенит (Pb S ), алабандит (Mn S ), хлораргирит (Ag Cl ) и осборнит (Ti N ).

Химические элементы

Портативный микрорентгенфлюоресцентный аппарат

Некоторые минералы - это химические элементы, включая сера, медь, серебро и золото, но подавляющее большинство составляют соединения. Классическим методом определения состава является мокрый химический анализ, который включает растворение минерала в кислоте, такой как соляная кислота (H Cl ). Затем элементы в растворе идентифицируются с помощью колориметрии, волюметрического анализа или гравиметрического анализа.

С 1960 года большинство химических анализов выполняется с использованием инструментов. Один из них, атомно-абсорбционная спектроскопия, похож на влажную химию в том, что образец все еще должен быть растворен, но он намного быстрее и дешевле. Раствор испаряется, и его спектр поглощения измеряется в видимом и ультрафиолетовом диапазоне. Другими методами являются рентгеновская флуоресценция, электронный микрозонд анализ атомный зонд томография и оптическая эмиссионная спектрография.

Оптическая

микрофотография оливин накапливается, архей Komatiite, Agnew, Western Australia.

В дополнение к макроскопическим свойствам, таким как цвет или блеск, минералы обладают свойствами, требующими поляризации микроскоп для наблюдения.

Проходящий свет

Когда свет проходит из воздуха или вакуума в прозрачный кристалл, часть его отражается от поверхности, а часть преломлено. Последнее представляет собой искривление светового пути, которое происходит из-за того, что скорость света изменяется, когда он входит в кристалл; Закон Снеллиуса связывает угол изгиба с показателем преломления, отношением скорости в вакууме к скорости в кристалле. Кристаллы, точечная группа симметрии которых попадает в кубическую систему, изотропны: индекс не зависит от направления. Все остальные кристаллы анизотропны: проходящий через них свет разбивается на два плоских поляризованных луча, которые движутся с разной скоростью и преломляются под разными углами.

Поляризационный микроскоп похож на обычный микроскоп, но имеет два плоскополяризованных фильтра: (поляризатор ) под образцом и анализатор над ним, поляризованные перпендикулярно друг другу. Свет проходит последовательно через поляризатор, образец и анализатор. Если пробы нет, анализатор блокирует весь свет поляризатора. Однако анизотропный образец обычно изменяет поляризацию, поэтому часть света может проходить. В качестве образцов можно использовать тонкие срезы и порошки.

Когда изотропный кристалл рассматривается, он кажется темным, потому что он не изменяет поляризацию света. Однако, когда он погружен в калиброванную жидкость с более низким показателем преломления, и микроскоп находится не в фокусе, яркая линия, называемая линией Беке, появляется по периметру микроскопа. кристалл. Наблюдая за наличием или отсутствием таких линий в жидкостях с разными индексами, можно оценить индекс кристалла, обычно с точностью до ± 0,003.

Систематический

Хэнксит, Na 22 K (SO 4)9(CO 3)2Cl, один из немногих минералов, который считается карбонатом и сульфатом

Систематическая минералогия - это идентификация и классификация минералов по их свойствам. Исторически сложилось так, что минералогия в значительной степени была занимается таксономией породообразующих минералов. В 1959 г. Международная минералогическая ассоциация сформировала Комиссию по новым минералам и названиям минералов для рационализации номенклатуры и регулирования введения новых названий. В июле 2006 года он был объединен с Комиссией по классификации полезных ископаемых и образовал Комиссию по новым минералам, номенклатуре и классификации. Всего насчитывается более 6000 названных и безымянных минералов, и около 100 обнаруживаются ежегодно. В Руководстве по минералогии упоминаются минералы в следующих классах: самородные элементы, сульфиды, сульфосоли, оксиды и гидроксиды, галогениды, карбонаты, нитраты и бораты, сульфаты, хроматы, молибдаты и вольфраматы, фосфаты, арсенаты и ванадаты и силикаты.

Среда образования

Среда образование и рост минералов сильно различаются, начиная от медленной кристаллизации при высоких температурах и давлениях золотистых расплавов глубоко в земной коре до низкотемпературных осадков из солевой раствор на поверхности Земли.

Различные возможные методы образования включают:

Биоминералогия

Биоминералогия - это область пересечения минералогии, палеонтологии и биологии. Это исследование того, как растения и животные стабилизируют минералы под биологическим контролем, и определение последовательности минерального замещения этих минералов после осаждения. Он использует методы химической минералогии, особенно изотопные исследования, для определения таких вещей, как формы роста у живых растений и животных, а также такие вещи, как исходное минеральное содержание окаменелостей.

Новый подход к минералогии под названием «Эволюция минералов» исследует совместную эволюцию геосферы и биосферы, включая роль минералов в возникновении жизни и процессов, таких как органический синтез, катализируемый минералами, и избирательная адсорбция органических молекул на минеральных поверхностях.

Экология минералов

В 2011 году несколько исследователей начали разработку базы данных по эволюции минералов. Эта база данных объединяет краудсорсинговый сайт Mindat.org, который содержит более 690 000 пар минерал-местонахождение, с официальным списком одобренных минералов IMA и данными о возрасте из геологических публикаций.

Эта база данных позволяет применять статистику для ответа на новые вопросы, подход, который получил название экология полезных ископаемых. Один из таких вопросов - насколько эволюция минералов детерминирована и насколько результат случайности. Некоторые факторы являются детерминированными, например химическая природа минерала и условия его стабильности ; но на минералогию также могут влиять процессы, определяющие состав планеты. В статье 2015 года Роберт Хазен и другие проанализировали количество минералов, содержащих каждый элемент, в зависимости от его содержания. Они обнаружили, что Земля с более чем 4800 известными минералами и 72 элементами имеет зависимость степенной закон. Луна, содержащая всего 63 минерала и 24 элемента (на основе гораздо меньшего образца), имеет по существу те же отношения. Это означает, что, учитывая химический состав планеты, можно было предсказать более распространенные минералы. Однако распределение имеет длинный хвост, при этом 34% минералов были обнаружены только в одном или двух местах. Модель предсказывает, что еще тысячи минеральных видов могут ждать открытия или образовались, а затем были потеряны в результате эрозии, захоронения или других процессов. Это подразумевает роль случайности в образовании редких минералов.

В другом случае использования наборов больших данных сетевая теория применялась к набору данных углеродных минералов, выявляя новые закономерности в их разнообразие и распространение. Анализ может показать, какие минералы имеют тенденцию сосуществовать и какие условия (геологические, физические, химические и биологические) с ними связаны. Эту информацию можно использовать для прогнозирования, где искать новые месторождения и даже новые виды минералов.

Использует

цветовую диаграмму некоторых необработанных форм коммерчески ценных металлов.

Минералы необходимы для различных нужд в человеческом обществе, такие как минералы, используемые в качестве руд для основных компонентов металлических изделий, используемых в различных товарах и машинном оборудовании, важные компоненты строительных материалов, такие как известняк, мрамор, гранит, гравий, стекло, гипс, цемент и т. Д. Минералы также используются в удобрениях для увеличения роста сельскохозяйственных культур.

Сбор

Небольшая коллекция образцов минералов с ящиками для их хранения

Сбор минералов также является развлекательным исследованием и коллекционированием хобби, с клубами и обществами представляющий поле. Музеи, такие как Смитсоновский Национальный музей естественной истории, зал геологии, драгоценных камней и минералов, Музей естественной истории округа Лос-Анджелес, Музей естественной истории в Лондоне и частный Минеральный музей Мима в Бейруте, Ливан имеют популярные коллекции образцов минералов на постоянной экспозиции.

См. Также

  • Портал наук о Земле

Примечания

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

На Wikimedia Commons есть материалы, связанные с Mineralogy.
Викиисточник имеет оригинальные работы по этой теме: Минералогия

Ассоциации

Другое

Последняя правка сделана 2021-05-30 13:05:51
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте