Курс минералогии

Минералогия и понятие о минерале

Минералогия принадлежит к числу геологических наук. Название этой науки в буквальном смысле означает учение о минералах, которое объемлет все вопросы о минералах, включая их происхождение. Термин минерал происходит от старинного слова «минера» (от лат. minera — руда, ископаемое). Это указывает, что его появление связано с развитием горного промысла.

Интуитивно минералы можно определить как составные части горных пород и руд, отличающиеся друг от друга по химическому составу и физическим свойствам (цвету, блеску, твердости и т. д.). Например, биотитовый гранит как горная порода состоит из трех главных минералов различного состава: светлоокрашенного полевого шпата, серого кварца и черной слюды (биотита). Сплошная руда магнитного железняка сложена почти мономинеральным агрегатом, состоящим из кристаллических зерен магнетита.

На протяжении всей истории минералогии вопрос об определении содержания понятия минерал часто дискутировался, так что круг объектов этой науки неоднократно менялся и его границы нельзя считать окончательно установленными.

В настоящее время большинство объектов минералогии отвечают следующему определению: минерал — однородное природное твердое тело, находящееся или бывшее в кристаллическом состоянии. Таким образом, определенное понятие минерала отвечает минеральному индивиду — естественно ограниченному телу — и охватывает все разнообразие реальных единичных объектов минералогии, встречающихся в природе. В число минералов обычно не включаются высокомолекулярные органические образования типа битумов, не отвечающие в большинстве случаев требованиям кристалличности и однородности. Некоторые из солеподобных органических соединений, тем не менее, рассматриваются в числе минералов, равно как и единичные аморфные образования, традиционно изучавшиеся минералогами, например опал и аллофан. Газы, жидкости и вулканические стекла минералами не считаются.

С генетической точки зрения минералы представляют собой природные химические соединения и простые вещества, являющиеся естественными продуктами различных физико-химических процессов, соверша­ющихся в земной коре и прилегающих к ней оболочках (включая продукты жизнедеятельности организмов)1. К минералам относят и космогенные объекты, отвечающие вышеприведенным требованиям однородности и кристалличности.

Как показывают наблюдения над условиями нахождения минералов в природе, а также экспериментальные исследования, каждый минерал возникает в определенном интервале физико-химических условий (давления, температуры и концентрации химических компонентов в системе). При этом отдельные минералы сохраняются неизменными до тех пор, пока не будут превзойдены пределы их устойчивого состояния при воздействии внешней среды (например, при процессах окисления или восстановления, при падении или повышении температуры или давления и др.). Поэтому в историческом ходе развития геохимических процессов многие минералы подвергаются изменению, разрушению или замещению другими минералами, устойчивыми во вновь создающихся условиях.

Рассматривая минералы как части природных физико-химических систем, можно определить их, в полном соответствии с понятиями химической термодинамики, как природные твердые фазы (в понимании Дж. Гиббса). Необходимо только отметить, что некоторые минералы могут существовать в природе и за пределами своих полей устойчивости, сохраняясь в метастабильном состоянии долгое время (например, алмаз).

Весьма значительное количество известных в настоящее время минералов имеет важное практическое значение как минеральное сырье (при условии, конечно, что скопления их на определенных участках, называ­емых месторождениями полезных ископаемых, обладают промышленным содержанием и запасами, достаточными для обеспечения предприятия по разработке месторождения). Одни минералы (рудные) содержат в своем составе те или иные ценные для промышленности металлы (железо, марганец, медь, свинец, цинк, олово, вольфрам, молибден и др.), извлека­емые при металлургической обработке руд. Другие минералы (такие как алмаз, хризотил-асбест, кварц, полевые шпаты, слюды, гипс, сода, мирабилит и др.), благодаря их ценным физическим или химическим свойствам применяются для тех или иных целей в сыром виде (без переработки) или используются для получения необходимых в промышленности синтетических соединений, строительных материалов и пр.

Таким образом, минералогия как наука о природных химических соединениях (минералах) изучает во взаимной связи их состав, кристалличе­ское строение, свойства, условия образования и практическое значение. В соответствии с этим и задачи данной науки должны быть тесно связаны, с одной стороны, с достижениями смежных с нею наук (физики, химии, кристаллохимии и др.), а с другой — с запросами практики поисково-разведочного дела.

Главнейшими задачами минералогии в настоящее время являются:

1) всестороннее изучение и более глубокое познание физических и химических свойств минералов во взаимной связи с их химическим составом и кристаллическим строением с целью практического использования их в различных отраслях промышленности и выявления новых видов минерального сырья;

2) изучение закономерностей сочетания минералов и последовательности образования минеральных комплексов в рудах и горных породах с целью выяснения условий возникновения минералов и истории процессов минералообразования (генезиса), а также использования этих закономерностей при поисках и разведках различных месторождений полезных ископаемых.

Минералогические исследования при решении этих задач опираются на законы точных наук: физики, химии, кристаллографии, кристаллохимии, коллоидной химии и физической химии. Данные минералогии, в свою очередь, используются в таких науках, как геохимия, петрография, учение о месторождениях полезных ископаемых, а также в поисково-разведочном деле и в ряде технических наук (металлургия, обогащение руд и др.).

Представления о природе минералов, а соответственно, и содержание минералогии складывались исторически и менялись по мере развития знаний в области геологии и естествознания в целом. Рассмотрим главнейшие события в истории естествознания, повлиявшие на развитие минералогии как науки.

Важнейшие моменты в истории развития минералогии

Период зарождения минералогии. Интерес к минералам как к полезным ископаемым зародился в глубокой древности, еще задолго до начала исторического (письменного) периода. Расширение минералогических знаний тесно связано с историей развития материальной культуры, в которой весьма существенную роль играл горный промысел, особенно в бронзовый и железный века. Судя по археологическим данным, к числу наиболее древних культурных народов, занимавшихся горным промыслом, принадлежали китайцы, вавилоняне, египтяне, греки и другие народы.

Кроме самородных металлов — меди, золота, серебра — люди в глубокой древности знали и умели находить руды, богатые соединениями меди, олова и железа. Они постепенно научились добывать эти руды, выплавлять из них металлы и изготовлять вначале украшения, затем оружие, столь необходимое в постоянной борьбе за жизнь, и, наконец, орудия труда. В те времена, помимо металлов, знали и собирали различные цветные камни, изумлявшие своей красотой и порождавшие суеверия.

Несомненно, древние обитатели практическим путем узнали некоторые свойства отдельных полезных ископаемых. Знали они также эмпирические закономерности распространения и залегания руд и пользовались ими при поисках и разработках новых месторождений. Существуют исторические свидетельства того, что в Египте горно-добычные работы активно проводились уже в эпоху Рамзеса II (рис. 1). Древние горные выработки во многих местах сохранились до наших дней. Разумеется, научных представлений о происхождении руд и минералов тогда еще не могло быть.

Рис. 1. Изображение древних золотых рудников ВадиМийа (Египет)
на Туринском папирусе

Первые литературные упоминания о неорганических природных телах и попытку их классифицировать мы находим у греческого ученого и философа Аристотеля (384–322 гг. до н. э.). Минеральные образования, подобные металлам, он относил к группе металлоидов. Его ученик Теофраст (371–286 гг. до н. э.) вопросам минералогии посвятил специальный трактат «О камнях», где уже в практическом разрезе описывает 16 минеральных видов, главным образом драгоценных камней. Позднее римский натуралист Плиний Старший, погибший в 79 г. при извержении Везувия, написал четыре трактата, в которых собрал все, что было извест­но в то время о минералах, включая фантастические предания.

В период раннего Cредневековья явный подъем научного творчества происходил в арабских странах Востока, воспринявших древнегреческую и древнеиндийскую культуры. При этом, как выяснилось, огромное влияние на развитие арабской науки оказали ученые, вышедшие из народов Средней Азии (Узбекистана), находившихся в то время в подчинении у Багдадского халифата. В области минералогии выдающимся естествоиспытателем в начале XI в. был великий ученый, математик и астроном Бируни (972–1048), уроженец Хорезма (Узбекистан). В работе о драгоценных камнях он дает замечательные для своего времени описания минералов и, что особенно важно, впервые в истории минералогии при определении минеральных видов применяет такие физические константы, как относительная твердость и удельный вес. Другим представителем выдающихся ученых того времени является Авиценна — Ибн Сина (980–1037), уроженец Бухары. В своем «Трактате о камнях» он дал классификацию известных в то время минералов, разделив их на четыре класса: 1) камни и земли, 2) горючие или сернистые ископаемые, 3) соли и 4) металлы.

Естествознание в средневековой Европе также находилось под влиянием античных авторов. В так называемых лапидариях (от лат. lapis — камень), представлявших единственную минералогическую литературу того времени, приводились главным образом фантастические описания магических свойств камней.

Таким образом, минералогия как наука за первый, огромный по времени этап ее развития, закончившийся в Средние века, находилась в эмбриональном состоянии. Минералами в основном назывались руды. Классификация их была весьма примитивна. Представления о химиче­ских элементах, как и о самой химии, еще не существовало. Следовательно, не могло быть и представления о химической природе минералов. Химия появилась лишь в конце Средних веков в виде алхимии, увлечение которой продолжалось вплоть до XVIII в. Изучением минералов в эту эпоху и занимались в основном алхимики, среди которых необходимо упомянуть германца Альберта Магнуса (ок. 1193–1280), первооткрывателя мышьяка и автора трактатов «О металлах» и «О ядах».

Начальный период развития минералогии как науки. Примерно со второй половины XV в., начиная с эпохи Возрождения, и особенно в XVIII и XIX вв., в условиях бурного роста торгового капитала естествознание вступает в фазу мощного развития. Уровень развития ряда наук, особенно математики, физики, химии, биологии, геологии, стал резко повышаться. Естествоиспытатели начали накапливать научные факты, изучать закономерности в явлениях природы и сознательно проводить научные эксперименты.

Уже в XVI в. в европейской литературе появился ряд важных работ по минералогии. Так, итальянец В. Бирингуччио (ум. в 1538) и яхимов­ский лекарь Георгий Агрикола (Бауэр) (1490–1555) в Чехословакии независимо друг от друга дали весьма содержательные по тому времени сводки минералогических знаний, накопленных в горной практике при разработке рудных месторождений Саксонии, Чехии (Рудные горы), Италии и других стран Европы.

Отрешившись от алхимии, Агрикола сделал много точных наблюдений в области условий нахождения различных минералов в рудных месторождениях. В результате своих работ он создал классификацию минералов, которая в общем виде хотя и немногим отличается от приведенной выше классификации Авиценны, но проработана гораздо глубже. Минеральные образования Агрикола делил на горючие ископаемые, земли, соли, драгоценные камни, металлы и минеральные смеси. Важно отметить, что им подробно описаны диагностические признаки минералов: цвет, прозрачность, блеск, вкус, запах, вес, твердость и др. Однако данные химического состава минералов у него еще отсутствуют. В своих работах он касается и вопросов генезиса рудных месторождений. Труды Агриколы оказали большое влияние на минералогические исследования ряда поколений.

В XVII в. в Западной Европе основания будущего развития минералогии были заложены при исследовании кристаллов, большая часть из которых была представлена природными минеральными индивидами. Среди ученых, внесших существенный вклад в изучение физических свойств кристаллов и высказывавших нередко гениальные прозрения об их внутреннем строении, можно назвать имена И. Кеплера, Н. Стенона, И. Ньютона, Р. Гука и Х. Гюйгенса.

В нашей стране явный прогресс в развитии горной промышленности, а вместе с ней и познаний в области полезных ископаемых наметился в период феодальной монархии, главным образом со времен Ивана IV (XVI в.). В этот период потребности в минеральном сырье стали значительно возрастать в связи с усилением мощи Московской Руси, особенно после ликвидации угрозы со стороны татарских полчищ за Уралом — в Си­бири. Однако резкий перелом в развитии горного дела наступил в петровское время, в начале XVIII в. При этом огромную роль сыграли уральские минеральные богатства, до тех пор лежавшие втуне. В самом начале 1700-х гг. Петром I на Урал были посланы тульские кузнецы, в том числе братья Демидовы. Их усилиями с помощью местных рудознатцев в ряде мест были открыты месторождения железных и медных руд. Некоторые из них разрабатываются и в настоящее время (рис. 2). На Среднем Урале были созданы десятки железоделательных заводов (Каменский, Невьянский, Нижне-Тагильский и др.). Этим было положено прочное начало горнозаводскому делу на Урале, занявшем в дальнейшем ведущее положение в нашей промышленности.

Рис. 2. Карьер Нижне-Тагильского медного рудника в XIX в.

Начало развития отечественной минералогии связано с именем гениального русского ученого М. В. Ломоносова (1711–1765). Этот исключительно одаренный и всесторонне образованный человек, сын простого крестьянина из Архангельской губернии, не только стоял несравнимо выше ученых-немцев, работавших в Академии, но намного опередил и лучшие умы Европы. Исходя из своей «корпускулярной философии», он высказал теорию строения кристаллического вещества, развил кинетическую теорию газов, механическую теорию теплоты, в чем почти на 100 лет обогнал своих современников. Как талантливый химик, он применил количественный анализ химических процессов, установил роль воздуха в горении органических веществ и задолго до Лавуазье сформулировал закон сохранения вещества.

Непосредственно вопросами минералогии М. В. Ломоносов занялся во второй половине своей научной деятельности. Еще в 1742 г. он приступил к изучению минералов и составлению каталога минералогиче­ского музея Академии наук. Незадолго перед смертью предпринял составление исключительно важной по замыслу «Общей системы Российской минералогии». В 1761 г. Ломоносов представил в Сенат проект собирания минералов — «разных песков, разных камней, разных глин, смотря по их цветам» — по всей стране с отправкой их для изучения в Петербург. В 1763 г. им было составлено обращение к содержателям заводов, «дабы для сочинения оной Российской минералогии они постарались прислать разные руды промышленных у себя металлов». К сожалению, неожиданная смерть не позволила ученому осуществить свою идею.

Будучи пламенным патриотом своей Родины, Ломоносов на русском языке издавал написанные им геологические труды («Слово о рождении металлов от трясения Земли», «О слоях земных» и др.), где даются многочисленные практические указания по поискам руд. Следует заметить, что Ломоносов был тесно связан с горнопромышленными предприятиями, на развитие которых оказал большое влияние.

В Западной Европе в это время господствующую роль играла Швеция с ее широко развитыми горной промышленностью и металлургией. К середине XVIII в. здесь выдвинулась целая группа шведских минералогов. Из них упомянем о Линнее и Кронштедте, являвшихся современниками М. В. Ломоносова. К. Линней (1707–1778), автор известного труда «Система природы», сделал попытку применить к минералам двойную номенклатуру (род и вид), подобную той, которая им была предложена в систематике растений и животных. Заслугой А. Кронштедта (1702–1765) является то, что он исключил из области минералогии ископаемые организмы. Много внимания этот ученый уделял также разработке метода паяльной трубки и изучению химического состава минералов.

В конце XVIII в. во всех главных странах Европы с развитием промышленного капитала происходит новый мощный подъем во всех областях культуры и науки. Благодаря ряду крупнейших изобретений этого периода техника переживает настоящий переворот. В связи с успехами химии и физики в развитии минералогии наблюдается новый, более ярко выраженный прогресс.

В богатой различными металлическими полезными ископаемыми Саксонии в связи с развитием горной промышленности в течение XVIII в. непрерывно продолжались и минералогические исследования. Была создана Фрайбергская школа минералогов во главе с А. Г. Вернером (1750–1817) и позднее И. А. Брейтгауптом (1781–1873), оказавшая свое влияние на развитие минералогии в ряде сопредельных стран.

Сам Вернер принципиально нового в минералогию внес очень мало. В заслугу ему ставят лишь то, что он и его ученики, использовав все достижения предшественников и современников, уделили много внимания детальному описанию минералов, их внешним признакам, включая данные кристаллографии, начало которой положили современники Вернера — французские ученые Роме де-Лиль (1736–1790) и Р. Ж. Гаюи (1743–1822).

Дальнейший прогресс минералогии на Западе связан с окончательным оформлением химии как науки в первой половине XIX в. Важным вкладом в химию, обеспечившим возможность правильной систематики минералов, было введение понятий кислот и оснований шведским ученым И. Я. Берцелиусом (1779–1848). Его ученик Э. Митчерлих (1794–1863) совершил два открытия, имевших огромное значение для развития минералогии: в 1819 г. он, опытным путем получив смешанные кристаллы, обнаружил явление изоморфизма, а в 1821 г. установил полиморфизм — возможность существования веществ с одинаковым составом, но различной структурой. Усилия кристаллографов тех лет дать объяснение внутреннего строения кристаллов привели к разработке концепции кристаллической решетки, над созданием которой работали англичанин У. Волластон (1766–1828), французы Г. Делафос (1796–1878) и О. Браве (1811–1863).

В России за это время развитие минералогических знаний шло самостоя­тельным путем и вскоре достигло столь высокого уровня, что обратило на себя внимание всей Западной Европы. Огромную роль в этом сыграли организованные Академией наук во второй половине XVIII в. грандиозные путешествия ученых по разным провинциям нашей обширной страны, главным образом по Уралу и Сибири. Эти экспедиции были вызваны потребностями бурно развивавшейся в то время отечественной промышленности. В печати появились фундаментальные описания географии, этнографии, фауны, флоры и минеральных богатств Российской империи.

В 1773 г. в Петербурге было основано одно из старейших в мире учебных заведений — Высшее горное училище (ныне Горный институт), многие из воспитанников которого стали выдающимися учеными, профессорами и академиками, внесшими крупный вклад в развитие минералогии. С большими успехами в открытии минеральных богатств связано также учреждение научных обществ — Вольного экономического общества в 1765 г. и Минералогического общества в 1817 г., оказавших огромное влияние на распространение минералогических знаний в России.

Немалую роль в открытии минеральных месторождений сыграли мест­ные энтузиасты — простые крестьяне и горные деятели. В конце XVIII и в первой половине XIX в. их усилиями были выявлены многочисленные месторождения драгоценных цветных камней (турмалинов, топаза, горного хрусталя, изумруда, малахита и др.), месторождения золота, платины, впервые открытые на Урале, месторождения железа, меди, свинца, серебра и т. д. Все эти открытия, особенно новых минералов, посылавшихся на международные выставки, получили широкое признание за границей и вошли как крупный вклад в историю мировой науки.

Среди русских минералогов в это время выдвинулись такие замечательные ученые-естествоиспытатели, как В. М. Севергин и Д. И. Соколов.

В. М. Севергин (1765–1826), являясь последователем и продолжателем трудов М. В. Ломоносова, вел непримиримую борьбу со всякого рода схоластикой в минералогии, особенно свойственной последователям немецкой школы Вернера. Крупной заслугой В. М. Севергина является то, что он осуществил идею Ломоносова о создании «Общей системы Российской минералогии», обобщив громадный материал, собранный академическими экспедициями. В 1809 г. Севергин выпустил в свет два тома «Опыта минералогического землеописания Государства Российского». Сведения по отдельным минералам он стремился привести «в такой систематический порядок, по коему бы, так сказать, единым взглядом обозреть можно было все то, что доселе в разных странах пространной Империи Российской открыто было». Среди многочисленных работ Севергина особого внимания заслуживают: «Первые основания минералогии или естественной истории ископаемых тел» (1798), «Пробирное искусство, или Руководство к химическому испытанию металлических руд» (1801), «Подробный словарь минералогический» (1807), «Новая система минералов, основанная на наружных отличительных признаках» (1816). Эти работы сыграли огромную роль в деле популяризации и распространения минералогических сведений в нашей стране. Многие введенные этим ученым термины прочно укоренились в минералогической и химической литературе. Севергин, будучи также образованнейшим химиком, при изучении минералов обращал внимание не только на внешние физические их свойства, но и на химические признаки.

Д. И. Соколов (1788–1852), почетный член Академии наук, пользовался исключительной популярностью как талантливый профессор, читавший в течение 33 лет минералогию и другие курсы геологии в Петербург­ском горном корпусе (ныне Горном институте), основанном еще в 1773 г. Одним из первых преподавателей геологии он был и в Петербургском университете, открывшемся в 1819 г. Он воспитал многочисленных выдающихся деятелей практической геологии, работавших в горных предприятиях, и целую плеяду ученых, занявших кафедры в ряде университетов. Написанное им двухтомное «Руководство к минералогии» (1832) являлось образцовым пособием для учащихся. «Всего более я старался о том, — писал он в предисловии к руководству, — чтобы в сочиненной мной минералогии заключались сколь возможные полные и верные сведения о русских месторождениях минералов, кои в иностранных минералогиях показываются всегда кратко и ошибочно». Д. И. Соколову наряду с В. М. Севергиным принадлежит также большая заслуга в популяризации минералогических знаний путем публичных лекций, всегда привлекавших обширный круг слушателей.

Примерно в середине XIX в. минералогия окончательно начала оформляться как наука о минералах. Большое значение имело введение в 1858 г. англичанином Г. Сорби в практику минералогических и петрографических исследований поляризационного микроскопа, что позволило использовать для диагностики минералов кристаллооптические константы. Ряд названий горных пород, считавшихся до тех пор минералами, после микроскопических исследований был изъят из минералогической номенклатуры. Минералы все больше и больше стали привлекать внимание исследователей как кристаллические индивиды, обладающие определенными свойствами. Вместо прежних многословных рассуждений о минералах последователей школы Вернера стали появляться точные описания кристаллографических форм, физических и химических особенностей с полными химическими анализами минералов. В России этот период совпал с периодом разложения крепостнического строя, оказавшегося тормозом для развивавшегося на основе внедрявшейся машинной техники и крупного производства капитализма. Сильно возросшие требования промышленности создали благоприятную почву для развития наук, в том числе минералогии.

Ярким представителем русских минералогов этого времени был акад. Н. И. Кокшаров (1818–1892). Его имя связано с расцветом русской минералогии, широко признанной и за границей. Кокшаровым была проделана огромная работа по точному изучению и систематизации минералов наших месторождений. Его многочисленные, до сих пор непревзойденные по точности описания и измерения кристаллов, главным образом на ураль­ском материале, прочно вошли во все учебники и справочники по минералогии. Результаты многолетних исследований выразились в создании оригинального одиннадцатитомного труда «Материалы для минералогии России» (1852–1892). На протяжении всей своей деятельности ученый теснейшим образом был связан с Минералогическим обществом, деятельность которого в тот период достигла стадии расцвета. Признание научных до­стижений Н. И. Кокшарова за границей выразилось в избрании его членом десяти иностранных академий.

Другим выдающимся исследователем минералов того времени был современник Н. И. Кокшарова акад. П. В. Еремеев (1830–1899), долгое время преподававший минералогию в Горном институте. Как и Кокшаров, он принимал самое активное участие в изучении всех поступавших в Минералогическое общество новинок. Своими многочисленными исследованиями физиографии минералов, особенно двойников и псевдоморфоз, он внес крупный вклад в развитие отечественной минералогии.

По мере накопления полных химических анализов минералов, проводившихся многими исследователями (акад. Т. Е. Ловиц (1757–1804), Н. Вокелен (1763–1829), Р. Ф. Герман (1805–1879), С. Теннант (1761–1826), Г. Розе (1795–1864), Г. И. Гесс (1802–1850) и др.), внимание ученых стал привлекать вопрос о систематике минералов на химической основе. Но рациональная классификация минералов оказалась возможной только после появления периодической системы химических элементов, созданной гениальным русским ученым Д. И. Менделеевым (1834–1907). Огромное значение периодического закона подчеркивается тем, что он лег в основу многих величайших достижений современности в области естественных наук.

Современный период развития минералогии. В конце XIX и начале ХХ в. мощный рост капиталистического производства (и прежде всего металлопромышленности) обусловил широкое развитие техники и потребовал весьма значительного использования минерального сырья. Это, конечно, не могло не отразиться и на развитии наук, в том числе кристаллографии, минералогии, а также физики, химии, физической химии и др.

Крупнейшими достижениями русской науки в области кристаллографии мы обязаны гениальному русскому ученому акад. Е. С. Федорову (1853–1919). Путем строгого математического анализа он подошел к тео­рии строения кристаллов и в 1890 г. опубликовал классический труд мирового значения «Симметрия правильных систем фигур», в котором дал вывод единственно возможных 230 пространственных групп симметрии. Годом позже (1891) немецкий математик А. Шенфлис (1853–1928) опубликовал вывод тех же пространственных групп, позднее внеся в него поправки в соответствии с указаниями Е. С. Федорова. Таким образом, приоритет в этом отношении принадлежит нашему ученому, чего не отрицал и сам Шенфлис.

Другое крупнейшее достижение Е. С. Федорова относится к области микроскопического изучения минералов. Им создан универсальный оптический метод исследования кристаллических зерен в тонких шлифах с помощью специально сконструированного им столика, получившего название федоровского.

Открытие Д. И. Менделеевым закона периодичности и создание периодической системы химических элементов сыграло исключительную роль в развитии минералогии.

Мысль о том, что минералы представляют собой продукты химических реакций, совершающихся в земной коре, наиболее ярко отражена в многочисленных трудах крупнейшего русского естествоиспытателя профессора Московского университета акад. В. И. Вернадского (1863–1945). Он учился у таких корифеев русской науки, как Д. И. Менделеев, Н. А. Меншуткин, В. В. Докучаев, А. П. Карпинский, и по праву считается реформатором отечественной минералогии. Рассматривая минералогию как «химию земной коры», Вернадский создал новое направление в области минералогических исследований. Много внимания он уделял вопросам химической конституции минералов в свете новейших достижений мировой науки, вопросам парагенезиса минералов и изучению условий существования минералов в природе в историческом аспекте. В 1891 г. Вернадский доказал опытным путем положение о том, что в алюмосиликатах может иметь место замена четырехвалентного кремния трехвалентным алюминием, играющим роль кислотной функции. Спустя 30 лет это положение не только было полностью подтверждено рентгенометрическими исследованиями полевых шпатов, но и помогло в изучении структур других алюмосиликатов.

Минералогия В. И. Вернадского внесла свежую струю в развитие минералогических знаний в нашей стране, опередив в этом отношении зарубежные страны. Как результат огромного кропотливого труда в период 1908–1914 гг. появился первый том его классической монографии по минералогии России «Опыт описательной минералогии», посвященный классу самородных элементов. К сожалению, этот труд, так же как и «История минералов в земной коре», остался незаконченным при жизни ученого.

Обладая большой эрудицией и превосходным знанием литературного наследия, Вернадский дал ряд интереснейших обобщений, послуживших основой для созданной им новой области знания — геохимии. Первые попытки обобщения по химическим процессам в земной коре делались еще в середине прошлого столетия К. Бишофом (1792–1870) и Эли де Бомоном (1798–1874). Кроме В. И. Вернадского своим современным развитием геохимия обязана В. М. Гольдшмидту (1888–1947) и особенно советскому ученому акад. А. Е. Ферсману.

В 1895 г. В. Рентген (1845–1923), изучая катодные лучи, открыл Х-лучи (называемые теперь рентгеновскими лучами), положившие начало развитию новой методики исследования минерального вещества. По инициативе немецкого кристаллохимика П. Грота (1843–1927), активно переписывавшегося с Е. С. Федоровым, были подготовлены эксперименты с применением рентгеновских лучей для проверки гипотезы о решетчатом строении кристаллов. Открытие в 1912 г. немецким физиком М. Лауэ (1879–1960) явлений дифракции рентгеновских лучей при прохождении их через кристалл и дальнейшие исследования в этом направлении русского ученого Г. В. Вульфа (1863–1925), английских ученых У. Г. Брэгга (1862–1942) и У. Л. Брэгга (1890–1972) (отца и сына), американца Л. Полинга (1901–1994) и др. позволили тесно связать внутреннее кристаллическое строение минералов с их химическим составом и физическими свойствами. Исследования в этой области доказали правильность догадок Ньютона, Ломоносова и Браве о кристаллическом строении и подтвердили теоретический вывод 230 законов расположения атомов внутри кристаллов, впервые сделанный Е. С. Федоровым (1890). Федоровское учение о симметрии целиком легло в основу современного рентгеноструктурного анализа кристаллов. В результате этих достижений зародилась новая отрасль научного знания — кристаллохимия — наука о законах пространственного расположения и взаимного влияния атомов или ионов в кристаллах и о закономерностях связи кристаллической структуры минералов с их физическими и химическими свойствами.

Весьма важны достижения в области физической химии, в частности в учении о фазах (в физико-химическом смысле слова) и о равновесиях физико-химических систем. В этой области исследований мировая наука многим обязана американцу Дж. В. Гиббсу и норвежцу В. М. Гольдшмидту, давшим правило фаз, а также нашему выдающемуся ученому — акад. Н. С. Курнакову (1860–1941), создателю физико-химического анализа сплавов и других сложных тел с применением геометрических методов изображения соотношений между составом и свойствами изучаемых веществ. С его именем связано также создание термического анализа минералов.

Наряду с изучением природных объектов велись и экспериментальные исследования по синтезу соединений, встречающихся в природе. Искусственным получением минералов занимались еще в XVIII в., но систематические опыты по синтезу минералов начали проводиться лишь в середине XIX в. (Г. Добре, Ф. Фуке и др.). Больших успехов в этой области достиг наш русский ученый К. Д. Хрущев. В начале XX в. исследования по синтезу главным образом породообразующих минералов начали осуществляться в США усилиями Н. Боуэна, О. Таттла и др.

Таким образом, конец XIX и начало XX в. ознаменовались рядом крупных достижений главным образом в области кристаллографии, физики и физической химии.

Дальнейшее развитие минералогии в XX в. не сводилось только к накоплению фактических сведений о кристаллической структуре и свойствах новых минералов. Постепенно наращивалась методическая основа для все более точных и локальных исследований состава и реальной структуры минералов с учетом неоднородностей их строения. Применение электронной микроскопии и дифракции электронов позволило существенно уточнить сведения о природе глинистых минералов и других слоистых силикатов. В начале второй половины XX в., с изобретением французским ученым Р. Кастеном рентгеновского микрозондового анализатора, был подготовлен очередной качественный скачок в методике минералогических исследований. Применение микрозондового анализа, способного дать сведения о химическом составе выделений микронного масштаба, привело к резкому возрастанию числа вновь открываемых минералов; некоторые же образования, ранее считавшиеся однородными, были выведены из числа минеральных видов (дискредитированы), будучи квалифицированы как смеси. Минералогия наших дней, используя прецизионные методы исследования, изучает превращения минералов, восстанавливает их термическую историю, используя данные об их тонкой структуре. Исследования последних лет имеют иногда своими объектами столь малые частицы минерального вещества, что можно говорить о возникновении новой отрасли геологического знания — наноминералогии.

Развитие минералогии в Советском Союзе. В развитии отечественной минералогии, как и во всех других науках, резкий перелом наступил после 1917 г. Широко развернувшиеся геологические исследования и поисково-разведочные работы в самых различных районах Союза необычайно обогатили наши знания, особенно в области региональной минералогии. За сравнительно короткий срок была проделана огромная работа по систематическому изучению не только старых районов, но и целого ряда новых обширных областей Союза, вовсе не охваченных или слабо затронутых предыдущими исследованиями. Некоторые из них оказались исключительно интересными в минералогическом и других отношениях. Без детальных минералогических исследований было бы немыслимо открытие весьма многочисленных месторождений полезных ископаемых, явившихся сырьевой базой для мощного развития самых различных отраслей нашего народного хозяйства.

Каждому минералогу приходилось иметь дело с непосредственным приложением своих знаний к конкретной практической работе, которая, в свою очередь, требовала углубленного изучения природных явлений, а в связи с этим и расширения теоретических знаний. При этом лучшие прогрессивные традиции русской науки предшествующего периода, отраженные в трудах Н. И. Кокшарова, Е. С. Федорова, В. И. Вернадского и др., получили дальнейшее развитие.

На смену прежним, часто формальным описаниям минералов пришли целеустремленные исследования минеральных веществ. Минералогов перестала интересовать одна лишь эстетическая сторона природных минеральных тел и хорошо образованных кристаллов. Главное внимание начали уделять изучению особенностей состава и различных тонких свойств минеральных веществ — свойств, которые могут быть так или иначе использованы для научных и практических целей. В вопросах, связанных с условиями образования минералов вместо стремления к гипотетическим, часто ничем не доказанным выкладкам, исследователей стало интересовать реальное положение вещей в природе. Начали разрабатываться научные методы анализа парагенезиса минералов с применением законов физической химии. Всемирно признанные достижения в этом направлении принадлежат акад. Д. С. Коржинскому (1899–1985) и его ученикам.

Большую роль в открытии и освоении минеральных богатств сыграли экспедиционные исследования, проводившиеся Академией наук СССР в ряде районов нашей страны под непосредственным руководством выдающегося ученого А. Е. Ферсмана (1883–1945), талантливого ученика и продолжателя дела В. И. Вернадского. Необычайно многогранная деятельность этого ученого, обладавшего неиссякаемой энергией, наиболее плодотворно проявилась в советское время. Он изучил сотни самых различных месторождений на Урале, в Средней Азии, Сибири и зарубежных странах, но главное внимание уделял неисследованным районам Кольского полуост­рова, освоение которых неразрывно связано с его именем. Из многочисленных его трудов особое значение для советской минералогии имеет монография «Пегматиты», в которой обобщены результаты обширных многолетних исследований. Впоследствии Ферсман перешел к вопросам геохимии, которой посвятил многие и притом главные свои работы. Нельзя не отметить еще одной стороны его необычайно многогранной деятельности, а именно популяризации минералогии и геохимии главным образом среди учащихся и молодежи. Своей популярно изложенной «Занимательной минералогией», многократно переиздававшейся, он сумел возбудить интерес к изучению природных богатств среди широкого круга населения нашей страны.

Большая заслуга в изучении минеральных богатств и подготовке кадров принадлежит также А. К. Болдыреву (1883–1946), ближайшему ученику акад. Е. С. Федорова. Его подробный «Курс описательной минералогии» (в трех выпусках) и два издания курса минералогии для высших учебных заведений, составленного под его руководством коллективом преподавателей Ленинградского горного института, оказали огромное влияние на распространение минералогических знаний в нашей стране.

Исключительной популярностью среди советских геологов пользовалось также имя выдающегося минералога и ревностного исследователя рудных месторождений акад. С. С. Смирнова (1895–1947), посвятившего всю свою энергию и знания созданию минерально-сырьевой базы нашей Родины и своим примером вдохновлявшего коллективы многочисленных геолого-разведочных партий и научно-исследовательских институтов. Из его трудов в области минералогии наибольшей известностью пользуется классическая монография «Зона окисления сульфидных месторождений». С. С. Смирнов еще в начале своей практической деятельности глубоко оценил всю важность точных познаний минералогии окисленных руд в приповерхностной зоне рудных месторождений, с которыми геологу в первую очередь приходится иметь дело при поисках и предварительной разведке.

Крупные достижения в области изучения минералогии месторождений полезных ископаемых принадлежат и другим советским ученым. Во многом наши исследователи шли самостоятельными путями и по результатам своих работ значительно опережали своих зарубежных коллег.

Усовершенствование методик исследования, обусловленное достижениями вспомогательных точных наук, позволило более углубленно подходить к изучению минеральных объектов и нередко выявлять новые, ранее неизвестные полезные свойства минералов, которые так или иначе могут быть использованы для практических целей. Все это поднимает описательную минералогию как необходимое звено в цепи минералогических исследований на новую, более высокую ступень. Следует помнить, что скрупулезное описание новых фактов и явлений, наблюдаемых в природе, их анализ в свете законов точных наук всегда будут представлять собой бесспорный вклад в науку. Касаясь темы достоверности и точности опытных данных, а также глубины их интерпретации, которые столь необходимы при минералогических исследованиях, нельзя не упомянуть имя И. Д. Борнеман-Старынкевич (1890–1988), которая была и остается в памяти всех отечественных минералогов, с одной стороны, виртуозным химиком-аналитиком, а с другой — примером высочайшей требовательности ко всему ходу и результатам минералогических исследований.

К сожалению, вплоть до окончания Великой Отечественной войны исследования кристаллической структуры минералов в СССР практически не проводились в связи с тем, что рано умерший в 1925 г. Г. В. Вульф, являвшийся в России пионером рентгеноструктурных исследований, не оставил учеников. Несмотря на такой значительный перерыв, приблизительно с 1950 г. представители возрожденной отечественной школы рентгеноструктурного анализа, возглавляемой акад. Н. В. Беловым (1891–1982), достигли поразительных успехов в области расшифровки кристалличе­ских структур минералов, значительно опередив в этом отношении иностранных ученых и сохраняя первенство до середины 1970-х гг. Необходимо отметить, что Н. В. Белову принадлежит разработка общей теории кристаллических структур, основанной на принципе плотнейшей упаковки атомов или ионов. На основе этой теории за короткий срок удалось расшифровать целый ряд довольно сложных кристаллических структур минералов, причем установлены новые структурные типы. Важность этих необычайно трудоемких исследований заключается не только в том, что с помощью их уточняются химические конституции минералов, но также в том, что они позволяют установить взаимосвязь свойств минералов с составом и кристаллической структурой и, следовательно, дают ключ к рациональной классификации минералов.

Существенный вклад в изучение связи структуры и свойств минералов, а также в разработку новых способов их классификации внесли А. С. Поваренных (1915–1993) и А. А. Годовиков (1927–1995). Обширные исследования по региональной и генетической минералогии, минералогической номенклатуре и систематике минералов проведены Е. К. Лазаренко (1912–1979). Исследования форм реальных кристаллов минералов, проводившиеся И. И. Шафрановским (1907–1994), послужили основанием для создания новой дисциплины — минералогической кристаллографии. Новый подход к минеральным индивидам и агрегатам, как к зарождающимся и развивающимся телам позволил Д. П. Григорьеву (1909–2003) и А. Г. Жабину (род. 1934), по аналогии с биологическими науками, развить онтогеническое направление в минералогии. В послед­ней четверти XX в. усилиями таких ученых, как А. И. Гинзбург (1917–1984), Н. П. Юшкин (род. 1936), и многих других углубленное развитие получило учение о типоморфизме минералов.

Существенно продвинулись методы геотермобарометрии, основанные на использовании минеральных равновесий и коэффициентов распределения элементов-примесей в сосуществующих минералах. Большой вклад в становление этого направления внесен Л. Л. Перчуком (род. 1933).

Советскими учеными были открыты и изучены сотни новых минералов. Рекордсменами по числу открытых минералов являются А. П. Хомяков (род. 1933) и Е. И. Семенов (род. 1927).

Минералогия в настоящее время прочно легла в основу ряда геологических дисциплин и прежде всего тех, объектами изучения которых являются горные породы (петрография) и руды (минераграфия), т. е. те минеральные агрегаты, которые как самостоятельные составные части слагают земную кору. Подводя итог, мы должны признать, что начиная со времен М. В. Ломоносова русская минералогия развивалась самобытно. Достижения наших ученых занимают почетное место в истории развития этой науки вообще. Русскими и советскими учеными сделан бесспорный и весьма существенный вклад в мировую науку. Основы современной отечественной минералогии были заложены плеядой крупнейших русских минералогов: от М. В. Ломоносова и В. М. Севергина до Е. С. Федорова, В. И. Вернадского и других выдающихся ученых нашего времени.

Значение минералов и минералогических исследований в промышленности

Нет ни одной отрасли промышленности, где бы не применялись те или иные полезные ископаемые либо непосредственно в сыром виде, либо в виде продуктов соответствующей переработки. Всем известно колоссальное значение в жизни человека железа, добываемого из богатых этим элементом руд путем металлургической переработки последних на различные сорта чугунов и сталей. Железо — главный нерв промышленности. Оно является основой металлургии, машиностроения, судостроения, железных дорог, мостов, железобетонных сооружений, оснащения рудников, изготовления товаров широкого потребления и т. д. В свою очередь металлургия одного только железа поглощает около 40 % добываемого твердого минерального топлива в виде каменных углей, перерабатываемых на кокс.

В развитии цветной металлургии, электропромышленности, судостроения, самолетостроения, машиностроения и других отраслей промышленности крупную роль играют так называемые цветные металлы, добываемые из руд меди, цинка, свинца, алюминия, никеля, кобальта. Исключительное оборонное значение имеют так называемые редкие металлы: вольфрам, молибден, а также титан, ванадий, кобальт и др.

Развитие сельского хозяйства тесно связано с использованием минеральных удобрений: калиевых минералов (калийные соли), минералов, содержащих фосфор (апатит, фосфориты), азота (селитра) и пр. Химическая промышленность в значительной мере базируется на минеральном сырье. Так, для сернокислотного производства используются богатые серой колчеданы (пирит); многочисленные минералы употребляются для приготовления химических препаратов (самородная сера, селитра, плавиковый шпат, минералы бора, калия, натрия, магния, ртути и др.); в резиновом производстве используются сера, тальк, барит; для производства кислотоупорных и огнеупорных материалов — асбест, кварц, графит и др.; в красильном деле и в изготовлении эмали и глазури — галенит, сфалерит, барит, минералы титана, меди, железа, мышьяка, ртути, кобальта, бора, криолит, ортоклаз, циркон; в писчебумажном производстве — тальк, каолин, сера, квасцы, магнезит и т. д.

Каменная и поваренная соль служит необходимой составной частью пищи человека. Ряд минералов и продуктов их химической переработки применяется в виде лекарств (мирабилит — глауберова соль, соли висмута и бария). В медицине и в ряде отраслей промышленности применяются радиоактивные вещества, добываемые из радиоактивных минералов, или искусственно получаемые изотопы ряда химических элементов.

Большую роль в жизни человека играют и поделочные камни. Помимо драгоценных камней, идущих большей частью на украшения и художественные изделия, многие цветные камни используются для облицовки стен. Лучшие сооружения нашей Родины украшаются розовым родонитом, разноцветной яшмой, мрамором, кварцитами. Кварц, исланд­ский шпат, слюда, турмалин, флюорит идут для изготовления оптиче­ских приборов. Из агата, корунда, циркона и других твердых минералов изготовляются подшипники для часов и других точных приборов. Алмаз (карбонадо), корунд, гранат, кварц употребляются в качестве абразивных материалов при шлифовании и полировании предметов. Мягкие и жирные минералы (тальк, графит) применяются в качестве наполнителей, для смазки трущихся частей механизмов и т. п.

Разрешение проблемы освобождения колоссальной внутриядерной энергии, получаемой в котлах-реакторах из урана, предоставило возможность промышленного использования ее в мирных целях. Как известно, в Советском Союзе еще в 1954 г. была построена первая в мире электростанция, работающая на атомном топливе.

Из приведенного далеко не полного перечня применения минералов и получаемых из них продуктов переработки видно, насколько велико значение минерального сырья в народном хозяйстве.

В период индустриализации в СССР в сжатые сроки решалась задача создания мощной минерально-сырьевой базы. При осуществлении этих работ были открыты многочисленные новые месторождения, содержащие важные в промышленном отношении полезные ископаемые. Значительно увеличились запасы руд черных, цветных и редких металлов: железа, марганца, хрома, меди, свинца, цинка, олова, вольфрама, молибдена, никеля и др. В результате СССР полностью освободился от импорта металлов и минеральных продуктов.

С распадом СССР в отношении освоенных запасов ряда полезных ископаемых, таких как хром, марганец, ртуть и сурьма, российская добывающая промышленность начала испытывать дефицит. Это ставит новые задачи перед отечественными геологами. На их обязанности лежит не только отыскание новых месторождений и увеличение запасов дефицитных полезных ископаемых в новых промышленных районах, но и участие в освоении открытых минеральных богатств. При этом особое значение приобретает вопрос о комплексном использовании минерального сырья, т. е. об извлечении наряду с главными полезными ископаемыми всех других ценных компонентов сырья. А этого нельзя сделать без детальных минералогических исследований руд и без учета особенностей технологии обрабатываемого сырья.

Знание минералогии имеет большое значение при проведении разведочных и особенно поисковых работ. Для успешного их выполнения прежде всего необходимо уметь точно определять минералы, знать условия их нахождения в природе, закономерности их сочетания друг с другом и т. д. Известно немало примеров, когда поисковики, не сумев правильно определить те или иные минералы, пропускали важные для промышленности месторождения. При поисках месторождений, выходящих на земную поверхность, важно знать также особенности минералогии зон окисления рудных месторождений и научиться определять по ним состав первичных руд, залегающих ниже уровня грунтовых вод.

Кроме того, ряд физических свойств минералов (магнитность, электропроводность, удельный вес и др.) имеет большое значение для разработки геофизических методов поисков и разведки месторождений полезных ископаемых (магнитометрических, электроразведочных, гравиметрических и др.).

Изучение качественной характеристики руд эксплуатируемых месторождений является одной из главнейших задач рудничных геологов. Не зная минералогии, решать эту задачу невозможно. Рудничный геолог, ежедневно наблюдая за поведением руд в забоях горных выработок, лучше, чем кто-либо другой, познает закономерности пространственного изменения в минеральном составе руд, что имеет весьма важное значение и в организации эксплуатационных работ.

Во многих случаях добываемые руды до плавки или технологической переработки подвергаются механическому обогащению на специальных фабриках, т. е. отделению полезных ископаемых от пустой породы или разделению руды на различные по составу концентраты. Обогащение с предварительным дроблением и измельчением руд производится на специальных устройствах, причем используются различные свойства минералов: удельный вес, магнитность, электропроводность, отношение к флотационным реагентам и др. Большое значение имеют также размеры зерен минералов, слагающих руды, и характер срастания их между собой. В решении всех этих вопросов большую роль играют специальные минералогические исследования, производимые обычно в минераграфических лабораториях научно-исследовательских институтов по обогащению руд. Однако любой геолог, владеющий методикой минералогических исследований, при целеустремленном изучении минерального состава и строения руд может прийти к правильным выводам о том, как те или иные руды будут вести себя при обогащении, предсказать, какие потери компонентов могут иметь место при том или ином способе обогащения и чем они вызываются. Эти во­просы являются предметом технологической минералогии — одного из важнейших прикладных разделов науки о минералах.

Таким образом, минералогическое изучение месторождений полезных ископаемых имеет весьма важное значение не только для поисков и разведки их, но и для горнодобывающей и горнообрабатывающей отраслей промышленности.

---