Генезис минералов

Определение "Генезис минералов" в словаре Брокгауза и Ефрона

Генезис минералов — Учение о Г. минералов занимается процессами образования минералов. Минералы представляют из себя определенные химические соединения или изоморфные смеси таких соединений (см. Изоморфизм), образовавшиеся естественным путем на Земле. Это почти все твердые соединения. Каждый минерал является памятником физического или химического процесса, шедшего на Земле, иногда в весьма отдаленное от нас время. Изучив минералы какого-нибудь определенного места на земном шаре и определив Г. их, мы можем восстановить картину химических процессов, один за другим шедших в этой местности. От этих частных проявлений химической жизни Земли мы можем подняться до более общего представления о генетических условиях различных частей земного шара, как по отношению к поверхности, так и об изменении этих условий Г. минералов в слоях различной глубины, наконец, изменение генетических явлений с течением времени. В этом заключается научный и практический интерес изучения Г. минералов. Зная условия Г. минерала, его устойчивость при природных условиях (т. е. Г. других минералов, которые могут из него произойти) — мы в состоянии бываем решать, при каких условиях и в каких местностях можно ждать тех или иных руд важных металлов. Эти и тому подобные вопросы могут быть решены только при возможно широком развитии и распространении учения о Г. минералов, которые отчасти и сложились под влиянием практических потребностей. Научный интерес, конечно, не зависит от того, уменьшится ли потребность знать Г., напр., минералов кобальта или увеличится практическое значение Г. минералов марганца, как мы видим в наше время. Впервые интерес к Г. минералов проявился в горных странах. Брейтгаупт в первой половине нашего столетия соединил в единое целое опыт рудокопов и наблюдения ученых (напр. Фурнэ и др.), создав учение о парагенезисе (см. ниже; его соч. "Die Paragenesis d. Mineralien" появилось в 1849); позже многочисленные исследования позволили сперва Котте, Гримму, позже Филлипсу и Гроддеку изложить все учение о рудных месторождениях в более полном виде. Одновременно шло накопление знаний с другой, более отвлеченной точки зрения. Работы Блюма, Бишофа и др. в Германии, Сен-Клер-Девилля, Добрэ, Эбельмена и пр. во Франции открыли перед нами многочисленные законности среди редких и практически не важных минералов. Интерес несколько ослаб к 60-80 гг. нашего столетия; теперь мы присутствуем при новом возбуждении интереса к тем же вопросам.

Все наши знания получаются здесь путем прямого наблюдения процесса образования минерала, идущего в природе у нас на глазах, и, во-вторых, путем логического вывода о том или другом возможном происхождении данного минерала. Достоверность этих обоих способов познания неодинаковая. Мы должны проверять выводы, полученные вторым путем, прямым наблюдением в природе. Пример такого прямого наблюдения представляют процессы образования некоторых простых солей в природе. В целом ряде мест земного шара, преимущественно в низменностях или в котловинах, не имеющих истока, находятся большие и малые соленые и горькие озера. У нас в Астраханской губернии, на недалеком расстоянии от Волги, лежит более тысячи таких озер, из которых иные, напр. Эльтонское или Баскунчакское, занимают обширную площадь (Эльтонское около 180 кв. верст). В этих озерах количество соли и самый состав ее различен; в одних раствор очень слаб, в других он почти насыщен при обычной температуре. В них заключаются хлористые, сернокислые и др. соли натрия, магния, калия и проч. При незначительном понижении температуры или при значительном испарении воды часть бывших в растворе веществ не может больше в нем удерживаться, и они оседают в виде твердых кристаллических масс или отдельных кристаллов, или плавают по поверхности озера. Во всех этих озерах перед нашими глазами идет Г. различных минералов, отлагаемых в десятках миллионах пудов. Мы в состоянии применить здесь самые полные, точные способы наблюдения. Этим путем образуются каменная соль (NaCl — хлористый натрий), тенардит (Na₂SO₄ — сернокислый натрий), глауберова соль (Na₂SO₄ ∙10Н ₂ О), трона (Na₃H[CO₃]2H₂O), бура (Na₂B₄O₇∙10H2O), гипс (CaSO₄ ∙2Н ₂ О) и т. п. — по крайней мере десятка два-три различных минералов. Состав образуемых продуктов меняется: 1) в зависимости от тех или иных изменений в составе самого раствора и 2) от тех или иных условий самого их отложения. Например: борнокислых соединений нет в наших озерах Астраханской губернии, но их много в некоторых озерах Тибета или Северной Америки, а соответственно и минералы, из них образовавшиеся, являются иными, чем у них. В Неваде из таких озер оседает боронатрокальцит (двойная борнокислая соль натрия и кальция), в других случаях оседает бура, калеманит (известковая соль борной кислоты — Са ₂ В ₂ О ₁₁ ∙5Н ₂ О) и пр. Сильно влияют на состав образуемых минералов внешние условия среды. Например, в озерах, содержащих одновременно хлористый натрий и сернокислый натрий, идет отложение сернокислой соли в виде минерала тенардита (Na₂SO₄), тогда как в присутствии малого количества хлористого натрия образуется мирабилит (Na₂SO₄ ∙10Н ₂ О). Еще интереснее опыты Ван-Гоффа и Девентера, подтверждаемые прямым наблюдением в природе. Из одного и того же раствора в природных озерах (напр. в астраханских), заключающего Na ₂SO₄, MgSO₄, могут образоваться различные минералы. Иногда идет образование тенардита, или глауберовой соли, и одновременно оседают магнезиальные соединения в виде кизерита (Mg SO₄ ∙Н ₂ О) или горькой соли (MgSO₄ ∙7На ₂ О). Нередко, однако, происходит образование двойной соли в виде минерала астраханита Na₂Mg(SO₄)₂∙4H₂ О. Ван-Гоффу и Девентеру удалось доказать, что процесс идет в том или ином направлении в зависимости от температуры окружающего пространства. При температуре выше 21,5° Ц. происходит всегда отложение астраханита; при иной отдельно выделяются глауберова и горькая соль. Подобных случаев можно привести много. Изучая в какой-нибудь местности одни оставшиеся от когда-то бывших там озер твердые осадки — минералы, — мы по сравнению с теперь наблюдаемыми можем легко судить о генезисе этих осадков.

Другой значительный класс существенно иных соединений приходится наблюдать нам на месте их генезиса во время каждого вулканического извержения. Здесь процессы идут в расплавленных массах разнообразных силикатов или среди парообразных продуктов, выделяемых под влиянием высокой температуры из недр Земли, попав в нашу более холодную атмосферу, эти пары превращаются в твердое состояние и нередко на многие годы остаются памятником бывшего извержения. После каждого извержения стенки кратеров и местность на значительное от них расстояние покрывается налетами разных солей — хлористого натрия нашатыря, серы и пр. Нередко мы можем проследить и химические реакции между этими парами; так, почти каждое извержение всех вулканов сопровождается выделением паров летучего около 400° соединения хлорного железа — Fе ₂Cl₆, — одновременно выделяются огромные количества паров воды. Пары хлорного железа и воды быстро соединяются и дают очень устойчивое, нелетучее при самых высоких доступных нам температурах, соединение, так называемый железный блеск, окись железа — Fe ₂ О ₃. Она оседает тут же в виде блестящих пластинчатых кристаллов темно-серого цвета с сильным металлическим блеском. Эти кристаллы проникают во все трещины, покрывают стенки кратера и более холодные части лавы и остаются памятниками извержения и выделения хлорного железа на долгое время. Форма кристаллов железного блеска, происшедшего этим путем, отличает их очень ясно от железного блеска, произошедшего иными путями. В то же самое время в расплавленной лаве идут свои химические процессы во время ее застывания, выделяется целый ряд характерных соединений — минералов, как оливин (Mg,Fе) ₂SiO₄, авгит (см.), полевые шпаты и т. п. Состав выделяемых минералов меняется в зависимости от состава лавы и от изменения внешних условий еще в большей степени, чем то, что мы видели в озерах. При одном и том же составе могут образоваться разные минералы в зависимости от различных внешних условий.

Наконец, третий случай прямого наблюдения генезиса минералов представляет образование их деятельностью организмов. Кораллы отлагают целые острова, состоящие из кальцита — углекислой извести; с ними вместе ту же роль играют некоторые водоросли, в горячих источниках выделяется сера, как продукт жизни серных бактерий. В озерах умеренного пояса, в местах выхода железных ключей, в болотах идет непрерывно образование железной руды. Растворы двууглекислого железа, образовавшиеся при иных условиях, попадая на земную поверхность, разлагаются деятельностью низших животных и, может быть, особой бактерии. Они дают начало отложениям дерновой, бобовой и др. руд железа, состоящих главным образом из гидрата окиси железа — 2Fе ₂ О ₃∙3H₂ O. В почвах деятельностью особого грибка идет постоянно образование селитры, что может быть прослежено на месте. Таким образом, путем прямого научного наблюдения Г. минералов, идущего у нас на глазах, мы можем собрать значительное число фактов для разъяснения этого Г. в тех случаях, когда проследить процесс своими глазами мы не можем. Всегда можно отличить минералы между собой, происходящие от неодинаковых процессов. Сравнение дает нам признаки их одинакового или различного Г. Этим путем мы знаем, что многочисленные железные руды Средней Германии или наших среднерусских губерний произошли тем же путем, как и те, какие теперь образуются в болотах и озерах; что значительная часть минералов Центральной Франции или многих других местностей обязана своим происхождением когда-то бывшим там вулканам, от которых нередко остались едва заметные следы. В очень многих случаях, однако, когда такое сравнение дает неясные указания, мы должны идти другим путем, пользуясь рядом наблюдений над теми или иными явлениями минерального царства. Во-первых, нам важно знать залегание минералов. Иногда минерал лежит толстым слоем, в виде гнезда, или штока (см.), иной раз находится в виде кристаллов, заполняющих пустоты в породе, тонким налетом покрывает трещины или стенки породы или же находится в могучих трещинах горных пород, в так называемых жилах (см.). Все это различные случаи образования минералов: в жилах он не образуется из расплавленного состояния; в трещину породы нередко должен проникнуть в парах; очень ясно можно убедиться в выделении его из раствора, например, в пустотах породы, куда иначе он проникнуть не мог. Еще важнее бывает знать происхождение самой породы. Например, фосфориты нередко встречаются в осадочных породах, где кости погребенных в этих слоях животных превратились в фосфорит. Здесь ясно их происхождение — медленным путем выделения из раствора, — причем материалом им послужили содержащие фосфор вещества исчезнувших организмов. Не менее важны явления парагенезиса. Парагенезисом называется нахождение в природе определенных различных минералов вместе в одном куске или месторождении. Очевидно, это указывает на существование известной зависимости их друг от друга. Так, всюду и везде на поверхностных частях различных никелевых и кобальтовых соединений мышьяка, например купферникеля (NiAs — одномышьяковистый никель), шпейсового кобальта [Со(As,S) ₂ ] и проч., мы находим зеленые никелевые цветы (NiAsО ₄∙6H₂ O) или розовые кобальтовые цветы (СоAsО ₄ ∙6Н ₂ О). Очевидно, это продукты окисления никелевых и кобальтовых соединений. При изучении парагенезиса мы в состоянии различить минералы, раньше или позже образовавшиеся, так как последние всегда находятся на ранее образованных продуктах. Это различают, говоря о первой, второй, третьей генерации минералов какой-нибудь местности. Каждая генерация указывает на особый химический процесс. Явления парагенезиса определяют, главным образом, такую последовательность минералов или указывают на постоянное совместное нахождение в природе различных минералов, что заставляет исключать из числа возможных реакций те, которые не дадут этого объяснения. Так, самородный висмут встречается в жилах вместе с кобальтовыми и никелевыми сернистыми и мышьяковистыми соединениями, а оловянный камень (SnО ₂), находящийся также в жилах, никогда не встречается вместе с никелевыми или кобальтовыми соединениями — его сопровождают кварц (SiО ₂), соединения вольфрама (напр. шеелит CaWO₄), богатые фтором (напр. плавиковый шпат СаF ₂, топаз Al₂ Si(О,F ₂)₅ и пр.] и т. п. Очевидно, условия образования висмута и оловянного камня существенно иные. Парагенезис больше ставит вопросы, — решать приходится другими приемами.

Не менее важно с точки зрения Г. минералов изучение так называемых псевдоморфоз (см.). В очень многих случаях химический процесс изменения или отложения какого-нибудь соединения идет чрезвычайно медленно и правильно; одно из соединений, принимающих участие в реакции, может быть в твердом состоянии и иметь определенную форму. Если его изменение идет очень медленно и полученные из него продукты мало отличаются от него объемом, то наружная форма соединений при этом не изменится. Так, мы часто находим окаменелые деревья, их наружная форма и даже внутреннее строение их клеток, насколько оно доступно нам путем исследования микроскопических разрезов, ничем не отличается от настоящего дерева, но вместо органических соединений вещество такого дерева состоит из кремнезема. Такие случаи псевдоморфоз очень часты и дают нам ясное понятие о процессах изменения, идущих в природе. Например, серебряный блеск (Ag₂ S) нередко дает псевдоморфозы, состоящие из самородного серебра, полевой шпат — ортоклаз — K₂Al₂Si₆O₁₆, переходя в каолин Н ₂ Аl ₂Si₂ О ₈, сохраняет свою форму — получаются псевдоморфозы каолина по полевому шпату. В этих случаях легко понять те химические процессы, которые дали начало серебру или каолину. Среди огромного материала о псевдоморфозах многие случаи могут быть поняты с большими оговорками, но в общем они дают ясную картину химической жизни Земли. Наконец, последнее указание представляет определение состава химического соединения и знание его химических свойств. Например минералы, содержащие воду, легко удаляемую при высокой температуре (напр. цеолиты и т. п.), не могли образоваться при этой высокой температуре, не могли при ней вообще образоваться все соединения, которые при этой температуре легко разлагаются и т. п. В последнее время очень много для познания химических свойств минералов дало их искусственное получение, так называемый синтез минералов (см.). Все происходящие на Земле реакции могут быть сведены в немногие группы. Минералы образуются на Земле следующими способами.

1) Выделением из растворов. Огромное большинство минералов образовалось этим путем. Мы видели пример такого образования в рассмотренном раньше случае солей. В природе действует не чистая вода, а вода, насыщенная углекислотой. Нередко растворы находятся при высокой температуре или же богаты угольной кислотой и находятся под давлением. Этим путем выделяются из растворов многочисленные кремнеземистые соединения. Из горячих источников (гейзеров) оседает свободная кремнекислота (так называемый гейзерит и пр.), нерастворимая при обыкновенных условиях, углекислая закись железа выделяется в виде сидерита, представляющего из себя одну из богатейших и важнейших руд на железо. Нередко кристаллизация происходит в глубинах Земли под давлением, иногда идет в присутствии различных солей, позволяющих переводить в раствор при обычных условиях нерастворимые соединения; так, в присутствии в воде сернистых щелочей переходят в раствор и из него выделяются киноварь (HgS), золото и пр. (горячие источники в Калифорнии). В природе вообще могучим деятелем является время: слаборастворимые вещества в течение тысячелетий могут оставить заметные следы своей растворимости (ср. Метаморфизм).

2) Не столь часты, но весьма характерны разнообразные молекулярные перемещения, происходящие в минералах, когда один минерал получается из другого путем молекулярной перегруппировки в твердом состоянии. Так, нередки кристаллы рутила (TiO₂), образовавшиеся из анатаза или брукита — полиморфных разновидностей той же TiO ₂. Под давлением эти реакции идут очень часто.

3) Самым важным случаем генезиса являются, однако, химические реакции. Мы можем различать несколько классов химических реакций, идущих в природе: а) реакции присоединения, когда одно соединение образуется из другого путем присоединения ко второму некоторых элементов; таково образование куприта (Cu₂ O) из самородной меди под влиянием воздуха, также англезита (PbSO₄) из свинцового блеска (PbS) и пр. б) Реакции двойных разложений — наиболее чистая и обычная форма Г. минералов. Здесь два тела, входя в реакцию, меняют свои составные части. Примером подобного происхождения может служить волластонит (CaSiO₂), образующийся из СаСО ₃ — под влиянием действия кремнеземистых солей и т. п. в) Реакции распадения — когда соединение распадается на свои составные части и эти части являются нам в виде самостоятельных минералов. В природе это нередкая форма образования для некоторых сложных соединений, которые являются неустойчивыми при изменившихся внешних условиях из среды; так, например, блеклые руды распадаются на составные части и дают начало сурьмяному блеску (Sb₂S₃), аурипигменту (As₂S₃), медному блеску (Cu₂ S) и пр. г) Наконец, реакции восстановления и целый ряд процессов диссоциации (см.).
Этими тремя путями объясняется Г. большинства минералов; редко приходится допускать иные процессы, как электролиз (для некоторых самородных элементов) или малоизученные изменения в твердой среде.

Важно изучить распределение всех этих способов Г. на земной поверхности, в земных глубинах и их изменяемость во времени. Распространение различных минералов, а следовательно, и Г. в пространстве не имеет большого значения в современном учении о Г. минералов. Гораздо больше имеет значения изменение условий образования с глубиной. Для всего земного мира внешние условия химических реакций на земной поверхности и на большей или меньшей глубине резко различны. Окружающая всякое соединение очень подвижная атмосфера постоянно действует на всякий минерал; это — среда по преимуществу окисляющая благодаря присутствию свободного кислорода. Поэтому здесь весьма часты реакции окисления, металлы дают окислы или кислородные соли и т. п. На всей земной поверхности всюду идет этот процесс. Уже иную среду представляет из себя часть земной поверхности более удаленная от земной атмосферы: в ней нет избытка кислорода, а потому возможны и идут различные реакции, имеющие характер восстановительных процессов. Например сернистые соединения на земной поверхности переходят в сернокислые (напр. марказит FeS₂ в железный купорос, свинцовый блеск PbS в англезит и т. п.), на некотором расстоянии от поверхности они образуются свободно. Соответственно всюду на поверхности Земли идет другой процесс: из безводных или средних солей образуются водные соли или кислые соли; так, авгиты и роговые обманки (в наиболее простом случае соли: MgSiO ₃, FeSiO₃) превращаются в тальки (Mg ₃H₂(SiO₃)₄), оливин (Mg₂SiO₄) в серпентин и т.д.; образуются цеолиты и т. п. Вода поглощается и переводится в твердые соединения. На этой же поверхн. части земного шара сосредоточено образование различных углекислых соединений, сернокислых, фосфорнокислых, мышьяковокислых и т. п. Как на некоторой глубине Земли, так и на дне моря процессы иные. Чем дальше спускаемся в глубь Земли, тем сильнее меняется характер происходящих реакций. Среда становится все менее и менее богатой кислородом, вследствие чего возможно образование иногда очень сложных сернистых, мышьяковистых и других схожих соединений металлов; температура все увеличивается; входит важный новый элемент — давление, нередко вполне изменяющее ход всех реакций. Можно различать очень резко различные области в Г. минералов, образующихся не на земной поверхности; так, на дне моря идет образование различных водных гидратов марганца — на поверхности окислы марганца чаще являются в виде безводных соединений; образуются цеолиты и т. п.; вода под давлением огромного водяного столба океанов обладает способностью растворять в большем количестве минералы, обычно в ней малорастворимые; так на больших глубинах океанов углекислая известь переходит в раствор и невозможны отложения кальцита. Вторую область будут представлять такие части земли, не очень удаленные от поверхности, где давление и температура играют малую роль, а главным образом изменяет ход действия небогатая кислородом среда. Всюду в поверхностных слоях, в глинах и т. п. происходит образование сернистых соединений, нередко восстановление их до серы и пр. Наконец, частью в глубоких жилах, частью в более глубоких частях сплошных пород Г. минералов идет в связи с сильным давлением и довольно высокой температурой. Водяные соединения переходят мало-помалу в безводные, сернистые дают сложные соединения — сульфосоли и т. п. В каждой области ход реакций стремится в конце концов дать определенную группу соединений, которые являлись бы наиболее устойчивыми для данных условий среды. Если эти условия исчезнут, соединения должны переходить в новые формы, устойчивые для новой среды. В жизни Земли постоянно минералы, образовавшиеся под давлением, с течением времени оказываются на поверхности: наложенные на них слои мало-помалу смываются и счищаются; отложившиеся из растворов или газов под высоким давлением минералы оказываются находящимися при обыкновенном давлении по удалении этих газов или жидкостей и т. п. В свою очередь, и соединения, образовавшиеся на поверхности, мало-помалу оказываются через тысячи лет подверженными давлению. Благодаря этому, часто вследствие геологических процессов, ставящих минералы в условия иные, чем бывшие при их образовании, должны идти новые изменения. Так, в указанном раньше примере — образование озерной или болотной руды 2Fe ₂O₃ ∙3Н ₂ О. Через тысячи лет озера или болота, на дне которых происходило образование минерала, перестают существовать, на них отлагается целый ряд новых слоев — нередко в течение огромного промежутка времени; давление вышележащих слоев достигает большой силы, и бурый железняк начинает медленно терять воду, переходя в пределе в красный железняк (Fe₂O₃). То же происходит в очень многих случаях. Здесь ясно влияние времени в генезисе минералов. Процесс идет очень медленно и прекращается лишь через тысячи лет. В разные времена мы найдем комбинацию различных минералов. Во многих природных процессах мы имеем круговые или циклические процессы, как еще это заметили в свое время Либих и Дюма. Проходя в течение определенного времени через ряд различных соединений, минерал в конце концов возвращается к своему первоначальному виду с тем, чтобы вскоре опять начать прежний круговой процесс. Мы имеем здесь как простые, так и сложные случаи. Такой круговой процесс иногда состоит из двух соединений; так, например, серебряный блеск Ag₂ S переходит всегда в соприкосновении с атмосферой в самородное серебро. Доказано, что этот процесс вызывается действием паров воды, которая дает с Ag ₂ S — Ag и сероводород H ₂ S. Однако Н ₂ S вскоре начинает действовать на Ag и снова дает прежнее соединение — серебряный блеск. Другой пример могут представить фосфорнокислые соединения. В природе фосфор главным образом находится в виде апатита (3Са ₂ Р ₂ О ₃∙Ca[Cl,Fe]₂), который является относительно устойчивым соединением. На земной поверхности он разлагается под влиянием атмосферных деятелей и переходит в растения. Через растения и животных фосфор при гниении тела животного переходит в ряд очень разнообразных практически важных соединений, так называемых фосфоритов. Все эти фосфориты мало-помалу с течением веков дают нам тот же самый апатит. Тот же самый процесс мы видим всюду — для соединений меди, железа, азота, кремния и пр. Эти процессы еще мало известны нам; они служат лишь указателем того равновесия, которое устанавливалось в течение веков в огромной химической лаборатории, какой является земной шар. Все эти процессы идут за счет или внешней энергии, получаемой Землей от Солнца, или они идут за счет той энергии, какая еще свойственна Земле, когда влияет давление или теплота внутренности земного шара. Связного учения о генезисе не имеется. Ср. Гроддек, "Рудные месторождения" (пер. с нем. изд. 1879 г., СПб. 1888); Roth, "Allgemeine u. chem. Geologie" (I, 1879); Daelter, "Allgemeine chem. Mineralogie" (1891).

В. И. Вернадский.