Принципы классификации. За последние пять-шесть десятилетий почти все главные руководства по минералогии строились по схемам химической классификации минералов. В основе всех вариантов этой классификации (В. И. Вернадского, Дж. Дэна, П. Грота, А. К. Болдырева, Х. Штрунца и др.) в той или иной форме лежит периодический закон химических элементов, открытый Д. И. Менделеевым.
Этим объясняется то, что основное деление всех минералов на классы по типам химических соединений за небольшими изменениями прочно укоренилось в современной систематике минералов. Однако подразделения внутри классов на подклассы и группы минералов в связи с величайшими достижениями в области изучения строения кристаллических веществ, особенно за последние 70–80 лет, претерпели весьма существенные изменения.
Рентгеноструктурные исследования кристаллов, основанные на выводе Е. С. Федоровым 230 пространственных групп, доказали взаимосвязь между химическим составом и кристаллическим строением вещества, что позволило уточнить химические формулы многих сложных соединений. Этим путем удалось совершенно определенно выяснить, что такие соединения, как минералы группы шпинели, большинство титанатов и ниобо-танталатов, выделявшиеся ранее в виде самостоятельных классов, представляют не что иное, как сложные окислы. Коренным образом изменились наши представления и о химической природе силикатов, в кристаллических структурах которых раскрыты самые различные по форме и строению комплексные анионы.
Не менее существенным для нас следствием этих достижений является установление функциональной зависимости от особенностей кристаллического строения не только внешних форм кристаллов, но и таких свойств, как оптические, электрические, механические (твердость, спайность, упругость) и пр. Оказалось, что все эти свойства минералов обусловлены как пространственным расположением структурных единиц (ионов, атомов или молекул) при определенных соотношениях их размеров, так и природой связи между ними и свойствами самих ионов или атомов, определяемыми положением их в таблице химических элементов Менделеева, а следовательно, и их строением.
Мало того, закономерности сочетания химических элементов при минералообразовании приводят к более глубоким представлениям о генезисе минералов. Становится понятным, почему и в каком порядке происходит «отбор» и сочетание тех или иных ионов при образовании кристаллов, выпадающих из растворов или расплавов, в зависимости от физико-химических факторов равновесия системы (температуры, давления и концентрации химических компонентов). Отсюда нетрудно догадаться, почему в природе происходит направленное распределение химических элементов и типов химических соединений в различных последовательно возникающих продуктах магматической деятельности (изверженных горных породах, пегматитах, гидротермальных образованиях) или в продуктах экзогенных процессов, приводящих к образованию коры выветривания и химических осадков в водных бассейнах, и т. д.
В течение XX в. минералогия прошла большой путь в своем развитии, претерпев постепенное превращение из науки чисто описательной в науку аналитическую, способную обнаруживать связь между фактами и давать им объяснение. Одним из важнейших инструментов естествознания и необходимым условием для понимания закономерностей в устройстве природы, частью которой является царство минералов, служит систематика, имеющая своей задачей распределить объекты науки по классам и другим таксонам (подразделениям) с учетом естественных связей и различий. Взамен устаревших классификаций, основанных на сопоставлении свойств минералов, появлялись классификации, учитывающие химический состав, а в последнее время все более принимаются во внимание особенности конституции минерала в целом. Давно уже стало немыслимым понимание свойств минералов без увязки с химическим составом и разбора кристаллических структур. И наоборот, как показал В. С. Соболев, в тех случаях, когда мы еще не знаем кристаллической структуры минерала, мы можем по физическим и химическим свойствам судить о принадлежности его к тому или иному структурному типу соединений, обладающих общими свойствами.
Таким образом, классификация минералов должна быть кристаллохимической и основываться на данных изучения взаимосвязи всех свойств природных химических соединений с их химическим составом и кристаллической структурой.
При разработке классификации минералов, принятой в данном учебнике, были учтены следующие главные положения.
Все природные образования, составляющие предмет минералогии, так же как и все искусственные вещества в химии, необходимо делить прежде всего на две большие самостоятельные группы:
1) неорганические минералы, к которым, кроме редко встречающихся самородных элементов, относятся природные соединения (за исключением органических) всех элементов;
2) органические минералы, представленные разнообразнейшими соединениями углерода (исключение составляют лишь карбонаты и карбиды, относимые к неорганическим соединениям).
Органические соединения, как известно, весьма существенно отличаются от неорганических не только по химическим свойствам, но и по кристаллическому строению и природе связей между структурными единицами. Степень изученности этих групп минералов крайне неодинакова. В то время как наши знания по неорганическим минералам в настоящее время далеко продвинулись вперед, минералогия органических соединений находится еще в самой начальной стадии развития.
Если 70 лет назад такие природные вещества, как торф, бурые и каменные угли, смолы и нефти, рассматривались еще как самостоятельные минералы, то теперь в результате исследований, в частности, твердых органических веществ с применением новейших методик, стало совершенно ясно, что они представляют собой далеко не однородные по составу массы, состоящие из различных органических веществ и минералов, истинную природу которых начали изучать в самое последнее время.
Классификация неорганических минералов построена на следующих принципах. Так как минералы являются кристаллическими продуктами естественных химических реакций, то для наших целей наиболее рациональной должна быть систематизация их по химическому составу и кристаллической структуре. Именно с этими признаками связаны те важнейшие химические и физические свойства, по которым мы распознаем минералы и условия их образования.
Все минералы неорганической природы с химической точки зрения разбивают прежде всего на большие группы, отличающиеся друг от друга по типу химического соединения и типу химических связей между структурными единицами. Первоначальное разбиение соединений на наиболее крупные разделы целесообразно проводить по анионам, так как их число по сравнению с катионами относительно невелико.
Особое положение при этом занимают самородные элементы (простые вещества), представленные главным образом металлами с характерной для них металлической связью между атомами. К ним же должны быть отнесены и интерметаллические соединения, представляющие собой природные аналоги сплавов.
Самостоятельный раздел составляют сернистые и им подобные соединения, по ряду свойств занимающие промежуточное положение между типичными металлами и соединениями с ионной связью; при этом в большинстве сульфидов существенную роль играет также ковалентная составляющая химической связи. К этому же разделу условно присоединим так называемые сульфосоли, имеющие к сульфидам такое же отношение, какое кислородные соли имеют к окислам.
Характерный тип химических соединений, но уже с типичной ионной связью представляют галогениды, или галоидные соли, т. е. соединения металлов с фтором, хлором, бромом и йодом.
К следующему разделу должны быть отнесены окислы и гидроокислы (простые и сложные соединения металлов с кислородом или гидроксилом).
Наконец, чрезвычайно многочисленную группу минералов составляют соли кислородных кислот, т. е. соединения катионов металлов с различными комплексными анионами, содержащими кислород.
В ряде указанных разделов необходимо проводить дальнейшее подразделение минералов по типам анионов на классы и подклассы. Внутри последних в определенном порядке выделяются группы минералов по признакам сходства кристаллических структур и химических особенностей минералов, обусловливаемых главным образом катионами, входящими в их состав.
Таким образом, общая классификация неорганических минералов в схеме может быть представлена в следующем виде (без деления на группы).
Раздел I. Самородные элементы и интерметаллические соединения.
Раздел II. Карбиды, нитриды и фосфиды1.
Раздел III. Сульфиды, сульфосоли и им подобные соединения.
Класс 1. Простые и двойные сернистые и им подобные соединения (селениды, теллуриды, арсениды и др.).
Класс 2. Сульфосоли.
Раздел IV. Галоидные соединения (галогениды) и галогеносоли.
Класс 1. Фториды и алюмофториды.
Класс 2. Хлориды, бромиды и иодиды.
Раздел V. Окислы (оксиды).
Класс 1. Простые и сложные окислы.
Класс 2. Гидроокислы (гидроксиды).
Раздел VI. Кислородные соли.
Класс 1. Иодаты2.
Класс 2. Нитраты.
Класс 3. Карбонаты.
Класс 4. Сульфаты и селенаты.
Класс 5. Хроматы.
Класс 6. Молибдаты и вольфраматы.
Класс 7. Фосфаты, арсенаты и ванадаты.
Класс 8. Арсениты, селениты и теллуриты3.
Класс 9. Бораты.
Класс 10. Силикаты и алюмосиликаты (бериллосиликаты, боросиликаты).
А. Силикаты с изолированными тетраэдрами аниона SiO4.
Б. Силикаты с изолированными группами тетраэдров SiO4.
В. Силикаты с непрерывными цепочками и лентами тетраэдров SiO4.
Г. Силикаты с непрерывными слоями тетраэдров SiO4.
Д. Силикаты с непрерывными трехмерными каркасами тетраэдров SiO4 и АlО4.
При описании минералов характеристику зависимости главнейших свойств минералов от состава и кристаллической структуры, во избежание многократных повторений, приведем во введениях к каждому разделу, классу, подклассу и группе, поскольку эта общность связей в минералах является основой для объединения их при группировке. При описании отдельных минералов добавим лишь дополнительные характеристики их свойств, обусловленных специфическими особенностями строения и состава.
Минеральные виды и разновидности. Основной классификационной единицей при систематике природных химических соединений является минеральный вид, обладающий химическим составом, изменяющимся в определенном интервале, и однотипной кристаллической структурой. Правила выделения и наименования видов в минералогической систематике составляют так называемую номенклатуру минералов. Учитывая непостоянство химического состава реальных минералов, становится ясно, что понятие минерального вида является необходимой абстракцией, позволяющей отнести любые конкретные индивиды минералов к определенным классификационным единицам.
Явление полиморфизма приводит к существованию минералов одинакового состава с существенно различными кристаллическими структурами. С этой точки зрения полиморфные модификации одного и того же кристаллического вещества представляют собой самостоятельные минеральные виды (графит и алмаз, α-сера и β-сера и др.).
В тех случаях когда два изоструктурных вещества образуют друг с другом непрерывный ряд твердых растворов (например, Аu — Ag, MnWO4 — FeWO4, Na[AlSi3O8] — Ca[Al2Si2O8] и др.), с физико-химической точки зрения мы имеем одну фазу. Однако в практике минералогии во многих случаях укоренилось несколько названий не только для крайних, но и для промежуточных по составу членов изоморфного ряда (например: золото — электрум — серебро; гюбнерит— вольфрамит — ферберит; альбит — олигоклаз — андезин — лабрадор — битовнит — анортит).
В настоящее время минеральные виды в системах с изоморфизмом выделяются по доминирующему компоненту (элементу) в каждом типе позиций, в которых происходит замещение. Формально минеральному виду в рядах (сериях) и полях составов с совершенным изоморфизмом приписывается химическая формула чистого крайнего члена, индивиды с промежуточными составами относятся к тому или иному минеральному виду по преобладающему в них изоморфному элементу. Традиционно же употреблявшиеся наименования промежуточных составов не считаются видовыми, однако допускается их употребление для ряда в целом, так что они приобретают статус названия для минеральных групп. Так, в ряду форстерит Mg[SiO4] — фаялит Fe[SiO4] все минеральные индивиды с Mg, преобладающим над Fe, будут отнесены к форстериту, прочие — к фаялиту. В то же время для любого представителя этого ряда может быть употреблено общее название «оливин» как для представителя группы, но «оливин» не является названием минерального вида.
Таким образом, в двухкомпонентных системах при установлении границы между минеральными видами действует правило 50 %, в случае трехкомпонентной системы — 33,(3) % и т. д. В случае систем с несовершенным изоморфизмом границы видов определяются краями разрывов смесимости, кроме этого, по-прежнему учитываются и процентные границы, определяемые доминированием того или иного изоморфного компонента над остальными в данной позиции структуры. Подобное разделение проводится и для серий с изодиморфизмом, когда чистые компоненты принадлежат к разным структурным типам и в ряду твердых растворов есть состав, при котором скачком изменяется структура. Этот состав также будет границей различных минеральных видов.
Под разновидностями подразумевают такие одинаковые или почти одинаковые по составу и кристаллическому строению минералы (т. е. принадлежащие к одному минеральному виду), которые лишь несколько отличаются по следующим признакам:
1) по особенностям химического состава, когда какой-либо из химических компонентов, характеризующих состав данного минерала, отчасти изоморфно замещен другим компонентом (например, кобальтистый пирит (Fe,Co)S2, разновидность пирита, не отличимая от него без химических реакций);
2) по структуре в зависимости от политипной модификации минерала (так как политипы в отличие от полиморфов относятся за редкими исключениями к одной и той же фазе), например двухслойный гексагональный MoS2 — молибденит 2H и трехслойная ромбоэдрическая модификация MoS2 — молибденит 3R;
3) по физическим признакам, когда состав и структура практически одни и те же, но некоторые физические свойства отличаются (например, диаллаг от обычного диопсида отличим по характерной отдельности; или сажистая разновидность пиролюзита (МnО2) отличается от кристаллических индивидов (полианит) лишь по степени дисперсности, матовому блеску и ложной низкой твердости);
4) по составу и физическим свойствам одновременно (например, сильно железистая разновидность сфалерита (Zn, Fe)S отличается от основной, маложелезистой разновидности, обычно светлоокрашенного вида, гораздо более темной, почти черной окраской и некоторыми другими признаками);
5) по морфологии в зависимости от различий в форме выделений (например, немалит — параллельно-волокнистая разновидность брусита, обыкновенно таблитчатого или короткостолбчатого, арканзит — изометрического облика дипирамидальные кристаллы брукита, обычные кристаллы которого — удлиненные пластинки).
Каждый минеральный вид определенного химического состава носит специальное название. Полиморфные модификации в большинстве своем также имеют свои названия или одно общее название, но с приставками греческих букв α-, β-, γ-... Что касается разновидностей минералов, то в прежнее время им широко давались особые названия даже в тех случаях, когда они имели несущественное отличие в химическом составе. К настоящему времени многие из этих названий утратили свое существование. Сохранились лишь названия драгоценных камней (изумруд, рубин, сапфир, аметист, цитрин, морион и др.).
Разновидности минералов по химическому составу обычно называют собственными именами с прилагательным, характеризующим какую-либо особенность состава данной разновидности (например, магнезиальный магнетит, стронцистый арагонит и др.). Употребление приставок для именования разновидностей по составу (например — титанавгит, манганкальцит) в настоящее время не приветствуется, так как подобные приставки законно используются для именования определенных минеральных видов, например — ферроаксинит, манганколумбит и др. Для разновидностей по составу общепринята следующая форма записи названий: Mn-кальцит — марганцовистый кальцит, Ti-андрадит — титанистый андрадит, Cr-диопсид — хромистый диопсид (но не хромдиопсид). Следует при этом обратить внимание на то, что существует особая форма записи наименований минеральных видов для минералов с изоморфизмом редкоземельных элементов: монацит-(La) — лантан-доминантный монацит, монацит-(Nd) — неодим-доминантный монацит, паризит-(Y) — иттрий-доминантный паризит (или иттриевый паризит, но не иттристый) и т. п.
Подобная практика недавно утвердилась и в отношении минералов явно перегруженной группы цеолитов, в которой реализуется около 40 различных структурных типов. Для именования различных минеральных видов — крайних членов изоморфных рядов изоструктурных цеолитов — также применяются суффиксы, но без скобок: шабазит-Ca — Ca2[Al4Si8O24] . 12H2O, шабазит-Na — (Na,Ca2)[Al4Si8O24] . 12H2O и т. п.
Число названий лишь минеральных видов благодаря открытиям новых минералов каждый год увеличивается на несколько десятков и сейчас превосходит 4000, так что во избежание путаницы и засорения геологической литературы излишними терминами следует по возможности воздерживаться от употребления многочисленных синонимов, а названия разновидностей приводить лишь в дополнение к видовому, которое должно употребляться обязательно.