ПОЯСНЕНИЯ И ИЛЛЮСТРАЦИИ К ЛЕКЦИОННОМУ КУРСУ «МИНЕРАЛОГИЯ»
Краткий очерк истории минералогии
Минералогия – древнейшая из наук геологического цикла. Предполагают, что этот термин впервые был употреблен в 1636 году итальянским ученым Бернардом Цезием (Цезиусом) применительно к учению о полезных ископаемых. Существует также предположение, что термин введен в научный и речевой оборот двумя английскими учеными – Томатом Вруном (1605–1682) и Робертом Бойлем (1627–1691). Постепенная дифференциация минералогии в ходе развития наук привела к отделению от нее геологии и кристаллографии (XVIII век), петрографии (XIX век), учения о полезных ископаемых, геохимии и металлогении (конец XIX–начало XX века), учения о каустобиолитах (горючие полезные ископаемые, XX век), кристаллохимии (середина XX века).
Знания о минералах, условиях их нахождения и представления о происхождении накапливались человеком с древних времен. Орудия труда, строительные материалы, гончарное дело, рождение металлургии, соляной промысел, краски, скульптурный камень, украшения, врачевание – это далеко не полный список того, что связано с использованием минералов и давало первые знания о горных породах, рудах и их составных частях – минералах. Полную картину этих знаний восстановить не удалось. Имеются лишь отрывочные сведения из разных времен и стран. В первой половине третьего тысячелетия до нашей эры в Шумере при храмах существовали школы для мальчиков, в которых они (кроме чтения и письма) изучали флору, фауну и минералы. На росписях гробниц в Месопотамии и в долине Нила, выполненных почти 5 тысяч лет назад, показаны ремесленники за работой: они взвешивают малахит и драгоценные металлы, плавят металлические руды. Около двух тысячелетий до нашей эры в древнем Китае было положено начало коллективному сочинению «Древние сказания о горах и морях». Оно непрерывно пополнялось в течение более чем тысячелетия. Считается, что это первый письменный памятник, в котором дается описание известных в то время минералов, металлов и горных пород. В библиотеке ассирийского царя Ашшурбанапала (669–633 годы до нашей эры) среди клинописных копий древних текстов, датируемых примерно 1900 годом до нашей эры, имеются фрагменты рецептов для получения слоев глазури (эмали). Это первые свидетельства о стремлении систематизировать полученные на практике эмпирические данные и зафиксировать их письменно для будущих поколений. В трудах Аристотеля (384–322 годы до нашей эры) и его ученика Теофраста (372–287 годы до нашей эры) выполнена классификация минеральных тел на камни и руды; высказано предположение о возникновении руд из паров и дымов, вырвавшихся из недр Земли. В начале нашей эры римский натуралист и историк Плиний Старший (24–79) написал четыре трактата о камнях. Здесь он собрал все, что было известно к этому времени о свойствах и условиях образования местонахождений минералов. Хорезмский ученый-энциклопедист Абу Рейхан Мухаммед ибн Ахмед аль-Бируни (973–1048) в «Книге сводок для познания драгоценностей» привел подробные сведения – твердость, плотность, поисковые признаки – о 50 минералах месторождений Средней Азии. Таджикский естествоиспытатель, врач, математик, поэт и мыслитель Ибн Сина, Абу Али Хусейн ибн Абдаллах (в Европе известный как Авиценна, 980–1037) дал первую после Теофраста классификацию минералов. Он разделил их на четыре группы – камни, горючие тела, соли и металлы.
Началом зарождения минералогии как науки считают работы немецкого врача, металлурга и естествоиспытателя Георга Бауэра (Георг Агрикола, 1494–1555) «О природе ископаемых», «О горном деле и металлургии», «О происхождении минералов». В его трудах впервые четко разделены понятия «минерал» и «горная порода». В классификации выделены земли (старинное название оксидов), соли, драгоценные камни, металлы и «прочие минералы». Особое внимание при характеристике минералов уделено их формам и диагностическим признакам – цвету, блеску, спайности, твердости и др. К этому же времени (1502 год) относится описание свойств минералов, выполненное выдающимся итальянским исследователем Леонардо да Винчи (1452–1519, архитектор, музыкант, изобретатель, инженер и т. д.).
Дальнейшее формирование минералогии как науки происходит не только в связи с горнорудным делом, металлургией и разными ремеслами, но и с развитием химии, физики, учения о кристаллах. Яркими примерами взаимосвязей этих наук являются открытия химических элементов при исследованиях минералов.
В 1735 году шведский химик и минералог Георг Брандт (1694–1768), изучая руды, выделил в чистом виде новый элемент – кобальт. В 1751 году шведский химик и минералог Аксель Кронштедт (1722–1765) впервые обнаружил в рудах никель. Другой шведский химик Карл Шееле (1742–1786) в 1778 году при изучении минерала молибденита получил в чистом виде химический элемент молибден; в 1781 году он же в минерале тунгстите (оксиде вольфрама) обнаружил еще один новый химический элемент – вольфрам. Такие открытия, кроме успехов химии, вскрывали химическую природу самих минералов. В соответствии с этим в течение XVIII века сложилось представление о минералах как индивидуальных химических соединениях. Одновременно и несколько позднее происходило накопление знаний о природе кристаллов, закономерностях их огранения, внутреннего строения и роста (см. параграф 1.1). Начинают формироваться ранние представления о дискретности внутреннего строения кристаллов (М.В. Ломоносов, Р. Гаюи и др.).
Развитие химического и кристаллографического направлений в исследовании минералов, совершенствование методов изучения их свойств обусловили к концу XVIII века оформление минералогии в самостоятельную науку. Ранее здесь понималась вся совокупность наук о Земле, называемая ориктогнозией.
По предложению немецкого геолога и минералога Абраама Готлоба Вернера (1750–1817) из минералогии были выделены геология (первоначально называемая в Европе и России геогнозия), палеонтология и тектоника. Этим исследователем выполнены подробные описания минералов, продолжительное время считавшиеся классическими. Прогрессивна его попытка связать классификацию минералов с их генезисом и ростом кристаллов. Следует отметить, что в происхождении минералов А. Вернер ошибочно полагал, что образование любых пород и руд обусловлено осадочными процессами и последующим преобразованием осадков.
Значителен вклад в развитие минералогии русского исследователя Василия Михайловича Севергина (1765–1826). Являясь учеником М.В. Ломоносова, он развил его идеи о формировании основы для научных поисковых прогнозов месторождений и создании региональной минералогии в своих двухтомных трудах соответственно «Первые основания минералогии» и «Опыт минералогического землеописания Российского государства». В.М. Севергин в 1798 году вводит понятие «смежность минералов», под которым он подразумевает «естественные сообщества минералов, образующихся совместно». В современной геологии это понятие обозначается термином «парагенезис», введенном в научную литературу немецким минералогом И. Брейтгауптом (Johann Friedrich August Breithaupt, 1791–1873) в середине XIX века, на пятьдесят лет позднее В.М. Севергина. В качестве одной из задач минералогии наш соотечественник, как и А. Вернер, выдвигает изучение практической ценности минералов – «економическую минералогию, научающую различному употреблению ископаемых тел и познанию тех свойств, по которым оные для нас полезны бывают» (цитата из указанной выше книги «Опыт минералогического землеописания Российского государства»). В минералогической классификации он является сторонником химического направления.
Работы А. Вернера и В.М. Севергина легли в основу дальнейшего развития минералогии в XIX веке. Одно из ведущих направлений в этот период – представление о минерале как химическом соединении и разработка на этой основе соответствующих классификаций. Здесь следует назвать имена Р. Гаюи, шведского химика Йенса Якоба Берцелиуса (1779–1848), русского геолога, профессора Дмитрия Ивановича Соколова (1788–1852), немецкого химика Эйльхарда Митчерлиха (1794–1863), немецкого кристаллографа и минералога Пауля Грота (1843–1927), австрийского минералога Густава Чермака (1836–1927), немецкого минералога и геолога Густава Розе (1798–1873), американского геолога и минералога Джеймса Дэна (1813–1895). Список имен не исчерпывается названными исследователями, его можно продолжить. Отметим, что разработанная Дж. Дэна классификация минералов как химических соединений без принципиальных изменений применяется и в настоящее время.
Другое ведущее направление в XIX веке – изучение морфологии кристаллов. Исследователями (русский минералог и кристаллограф, академик Николай Иванович Кокшаров (1818–1892), русский минералог, академик Павел Васильевич Еремеев (1830–1899), П. Грот) составлены атласы строения кристаллов. Еще в дорентгеновский период в работах О. Бравэ, Е.С. Федорова, А. Шенфлиса установлены закономерности пространственного распределения частиц в кристаллических решетках минералов.
Обширны и результативны в XIX веке исследования физических свойств минералов – работы английского естествоиспытателя Генри Сорби (1826–1908), немецкого минералога и геолога Фердинанда Циркеля (1838–1912), немецкого геолога и петрографа Генриха Розенбуша (1836–1814), русского геолога, профессора Александра Александровича Иностранцева (1843–1919), русского геолога, академика Александра Петровича Карпинского (1847–1936), И. Брейтгаупта, немецкого минералога Фридриха Мооса (1773–1839) и др. Отметим, что шкала относительной твердости минералов, предложенная в 1811 году Ф. Моосом (шкала Мооса), без изменений широко применяется в настоящее время.
Еще одно важное направление исследований в XIX веке – накопление и анализ обширного фактического материала по минералогии месторождений отдельных стран и географических районов. В России это направление наиболее полно отражено в фундаментальном труде Н.И. Кокшарова «Материалы для минералогии России» (11 томов). К аналогичным относятся работы по минералогии Великобритании и Ирландии, США, Нового Уэльса, Перу, Японии, Франции, Испании и других стран. Эти исследования позволили сформулировать основы для создания теории генезиса месторождений и разработки их классификации.
В XIX веке проводились исследования в области синтеза минералов и моделирования природных процессов их образования. До настоящего времени сохранили свою ценность опыты голландского химика Якоба Хенрика Вант-Гоффа (1852–1911), выполненные им в 1897–1904 годах. При изучении кристаллизации хлоридов и сульфатов из водных растворов была установлена последовательность выделения этих минералов в морских бассейнах. Изучение металлургических шлаков норвежским геологом и петрографом Юханом Фогтом (1858–1932), выполненное им в 1888–1903 годах, показало, что порядок кристаллизации минералов из магматического расплава зависит от состава этого расплава.
Успехи химического направления в минералогии привели к тому, что на рубеже XIX–XX веков в ней зародилась новая наука – геохимия, а сама минералогия многими исследователями стала трактоваться как химия земных процессов. Одним из основоположников геохимии и современной генетической минералогии является крупнейший русский ученый XX века Владимир Иванович Вернадский (1863–1945) [12]. В круг его интересов входили геология и кристаллография, минералогия и геохимия, организаторская деятельность в науке и общественная деятельность, радиогеология и биология, биогеохимия и философия. Он придавал важнейшее значение исследованию процессов образования минералов и их закономерных ассоциаций (парагенезисов), изучению зависимости этих процессов от геологической обстановки. Для наиболее распространенного в земной коре класса минералов «Силикаты и алюмосиликаты» В.И. Вернадский разработал общую теорию химического строения, опровергнув ошибочное представление о том, что это соли различных кремниевых кислот.
К основоположникам геохимии относят и норвежского исследователя Виктора Морица Гольдшмидта (1888–1947). В работе «Явления контактного метаморфизма в окрестностях Кристиании» (1911) он дал физико-химический анализ геохимических процессов, впервые сформулировав «минералогическое правило фаз» – в условиях термодинамического равновесия число минералов (фаз), слагающих горную породу, не может превышать числа ее компонентов (химических элементов или окислов). Показал соотношения между положением элементов в периодической системе Д.И. Менделеева и размерами их атомов и ионов; исследовал миграцию в земной коре элементов группы железа.
Однофамилец ранее названного исследователя, немецкий кристаллограф Виктор Гольдшмидт (1853–1933) опубликовал в 1913–1923 годах многотомный «Атлас кристаллографических форм» (всего 23 000 рисунков), включающий все известные к тому времени изображения кристаллов минералов. Он также выдвинул и развил идею о том, что по форме кристалла, скульптуре его граней, деталям строения поверхности можно судить о прошлом индивида (онтогенез).
Ученик В.И. Вернадского минералог и геохимик, академик Александр Евгеньевич Ферсман (1883–1945) положил начало учению о типоморфизме минералов, развил идею о том, что последовательность их образования в месторождениях связана с энергетикой процесса, предложил метод приближенного расчета энергий кристаллических решеток, изложил одну из первых теорий о природе окраски минералов. Его четырехтомный труд «Геохимия» (1933–1939) относят к фундаментальным.
Тенденции и направления в современной минералогии коротко охарактеризованы во вводной части данной главы. Назовем только некоторые имена выдающихся исследователей этих направлений. Заинтересованным студентам рекомендуем пополнить этот список и раскрыть содержание работ самостоятельно – узнаете много интересного о людях науки и минералогии.
Пауль Ниггли (1988–1953) – швейцарский минералог, петрограф и геохимик. Основные труды по геохимии, металлогении, химизму минералов и горных пород, дифференциации магмы.
Лайнус Карл Полинг (1901–1994) – американский физик и химик, лауреат Нобелевской премии за исследования природы химической связи и определение структуры белков. Ранние работы относятся к кристаллографии; первым ввел понятие «дефектная структура» в кристаллической решетке.
Владимир Федорович Барабанов (1918–1997) – профессор, доктор геолого-минералогических наук. Основные труды по геохимии, генетической минералогии, месторождениям вольфрама.
Николай Васильевич Белов (1891–1982) – отечественный кристаллограф и геохимик, академик АН СССР. Основные работы по кристаллохимии, структурной минералогии, геохимии.
Анатолий Георгиевич Бетехтин (1897–1962) – отечественный геолог, минералог, академик АН СССР. Выявил закономерное фациальное изменение в марганценосных осадках и разработал теорию образования осадочных руд марганца (Государственная премия СССР, 1947). Ленинская премия (1958) за исследования гидротермальных растворов, их природы и процессов рудообразования. Исследования руд связывал с изучением их текстур, структур и парагенезисов минералов на основе законов физической химии и кристаллохимии. Автор учебников по минералогии.
Анатолий Капитонович Болдырев (1883–1946) – отечественный кристаллограф, горный инженер, минералог, математик. Профессор, доктор геолого-минералогических наук. Особое значение имеют работы в области кристаллохимического анализа, где он предложил свой собственный метод, названный им «методом кристаллографического диагноза вещества».
Андрей Глебович Булах (1933) – отечественный геолог и минералог, профессор, доктор геолого-минералогический наук. Автор ряда современных учебников и учебных пособий по минералогии с элементами кристаллографии.
Кузьма Алексеевич Власов (1905–1964) – отечественный геохимик, член-корреспондент АН СССР. Создатель Института минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов АН СССР. Продолжил работы академика А.Е. Ферсмана по исследованию пегматитов. Государственная премия СССР за монографию «Геохимия, минералогия и генетические типы месторождений редких элементов» (1967 год, главный редактор, посмертно).
Александр (Натан) Ильич Гинзбург (1917–1984) – отечественный минералог и геохимик, профессор, доктор геолого-минералогических наук. Основные труды по генетической и прикладной минералогии. Дважды лауреат Государственной премии СССР (1946, 1956).
Михаил Николаевич Годлевский (1902–1984) – отечественный минералог, специалист по теории рудообразования, профессор, доктор геолого-минералогических наук. Выполнил исследования траппового магматизма, минералогии и происхождения сульфидных медно-никеливых руд Сибири, что обусловило открытие Талнахского месторождения. Автор первой классификации медно-никеливых месторождений мира.
Дмитрий Сергеевич Коржинский (1899–1985) – отечественный геолог, специалист в области петрографии, геохимии и геологии рудных месторождений, один из основоположников физико-химической петрологии и минералогии, а также физической геохимии, академик АН СССР. Разработал основы физико-химической теории процессов минералообразования: термодинамическую теорию природных минеральных систем с вполне подвижными компонентами, физико-химический анализ парагенезисов минералов и теорию метасоматической зональности. Обосновал принцип кислотно-основного взаимодействия при кристаллизации расплавов.
Александр Александрович Кухаренко (1914–1993) – отечественный геолог, минералог и геохимик, профессор, доктор геолого-минералогических наук. Основные труды относятся к изучению алмазов, минералогии россыпей, петрологии и геохимии щелочно-ультраосновных комплексов и связанных с ними карбонатитов. На основе разработанного им в начале 50-х годов XX века метода «пироповой съемки» открыто первое в нашей стране коренное месторождение алмазов в Якутии.
Евгений Константинович Лазаренко (1912–1979) – советский минералог, академик Академии наук Украинской ССР. Создатель украинской научной школы в области региональной минералогии, автор учебников по минералогии. Предложил генетическую классификацию минералов.
Вадим Дмитриевич Никитин (1915–1969) – горный инженер-геолог, профессор, доктор геолого-минералогических наук. Выдвинул и обосновал гипотезу о перекристаллизационной природе пегматитовых пород, метасоматическом образовании крупнокристаллических слюд и редкометальных минералов, показав при этом ведущую роль тектоники и открытости системы минералообразования.
Александр Сергеевич Поваренных (1915–1986) – отечественный геолог и минералог, профессор, доктор геолого-минералогических наук, академик Академии наук Украинской ССР. Основное направление исследований – геохимия и кристаллохимия во взаимосвязи с физическими свойствами минералов.
Дмитрий Васильевич Рундквист (1930) – отечественный геолог, профессор, доктор геолого-минералогических наук, академик РАН. Основные направления исследований – минералогия, петрография и учение о закономерностях размещения месторождений полезных ископаемых.
Сергей Сергеевич Смирнов (1895–1947) – отечественный геолог и минералог, академик АН СССР. Основные труды по минералогии рудных месторождений и проблемам рудообразования. Разработал учение о зональности гидротермального оруденения и связи его с магматизмом. Создал новое металлогеническое направление в учении о полезных ископаемых. Государственная премия СССР (1946) за открытие и исследование ряда оловорудных месторождений.
Николай Алексеевич Смольянинов (1885–1957) – отечественный минералог, профессор, доктор геолого-минералогических наук, лауреат Сталинской премии. Его работа «Практическое руководство по минералогии» и в настоящее время считается классическим описанием минералов.
Владимир Степанович Соболев (1908–1982) – отечественный минералог и петрограф, академик АН СССР, Герой Социалистического Труда, лауреат Государственной и Ленинской премий. Выполнил первый обобщенный анализ петрологии траппов Сибирской платформы. Обосновал научный прогноз алмазоносности северной и северо-восточной ее частей, который подтвердился в 1954 году. В результате его исследований получены новые научные данные в теоретической минералогии силикатов, физикохимии минералообразования, петрологии магматических пород, учении o фациях метаморфизма.
Александр Сергеевич Уклонский (1888–1972) – отечественный минералог и геохимик, академик АН Узбекской ССР. Разработал положение о парагенезисе серы и нефти. Ряд работ посвящен геохимии природных вод, в частности выяснению значения изотопов в геохимии воды. Ввел понятие о «протокристалле» как реально существующей окристаллизованной молекуле и связанное с ним понятие о «параэлементах», одновременно в нем находящихся. Обосновал представление о «перемещенных минералах» и предложил их геохимическую классификацию. Автор ряда приборов для определения некоторых физических свойств минералов.
Николай Михайлович Федоровский (1886–1956) – отечественный минералог, организатор горной промышленности, член-корреспондент АН СССР. Придавал большое значение комплексному изучению полезных ископаемых для наиболее полного их использования в народном хозяйстве; разработал классификацию этих ископаемых по энергетическому признаку и промышленному применению. Им заложены основы Государственного кадастра месторождений CCCP; под его руководством разработан Горный устав – основа советского законодательства o недрах, который определял порядок выделения и использования горного отвода.
Илларион Илларионович Шафрановский (1907–1994) – отечественный кристаллограф и минералог, доктор геолого-минералогических наук, профессор. Заслуженный деятель науки России, почетный член минералогических обществ России и Украины. Кавалер ордена Трудового Красного Знамени.
Николай Павлович Юшкин (1936–2012) – отечественный геолог и минералог, академик РАН. Основные труды по теоретической минералогии и металлогении. Организатор науки – директор Института геологии Коми научного центра Уральского отделения РАН (Сыктывкар, 1985–2008).
|
|
|
|
|
Рис. 2.1. Укрупненная схема взаимосвязей в минералогии
Таблица 2.1