ГЛАВНЫЕ МИНЕРАЛЫ В СОСТАВЕ ЗЕМЛИ

И ДРУГИХ ТЕЛ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Согласно общепризнанным представлениям, имелась исходная по отношению к началу формирования планет неоднородность в распределении химических элементов в Солнечной системе, отсюда следует разница в составе планет земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и дальних планет. Первые обогащены относительно тяжелыми химическими элементами, вторые - легкими. Соответственно главными по распространенности минералами на планетах земной группы являются силикаты и алюмосиликаты магния, железа, кальция, натрия, калия, карбонаты кальция и магния (табл. 1), а в метеоритах, кроме того, имеется природное железо в форме двух минералов: тэнита и феррита, они различаются по содержанию в них никеля. На поверхности Меркурия, Венеры, Луны и Марса горные породы сложены обычными минералами Земли: полевыми шпатами, пироксенами, оливинами. Представления о главных минералах Солнечной системы суммированы на рис. 1. Цифры для земной коры (рис. 2) были недавно рассчитаны нами [2], для верхней мантии взяты из книги А.Е. Рингвуда [9].

На поверхности дальних планет Солнечной системы косвенно установлено существование лишь нескольких легких твердых фаз. Это кристаллические СО2 , Н2О, 8, СН4 . Поскольку лед на поверхности Земли и поверхности Марса является минералом, постольку СО2(крист) на Марсе также дЧлжно рассматривать хотя бы чисто формально как минерал. Аналогично и лед СН4 на поверхности Плутона можно трактовать как минерал. 8(крист) , несомненно, следует отнести к минералам, так как именно таковой она является на Земле, где образуется в ходе разных геологических и геохимических явлений.

БИОГЕННЫЕ МИНЕРАЛЫ

Наряду с минералами - продуктами неживой природы на Земле имеются биогенные минералы. К ним относятся три типа кристаллических химических соединений. Одни образовались как прямой результат участия живых существ в геохимических процессах. Особенно типичны такие явления для придонных осадков озер, морей и океанов. В них, в илах и постепенно каменеющем тонкодисперсном осадочном материале бактерии и другие живые организмы способствуют появлению тех форм и локальных концентраций вещества, которые достаточны для начала кристаллизации минералов. С деятельностью бактерий связано образование химически чистой серы в глинах и известняках, залегающих над месторождениями нефти. В тех случаях, когда воды, пропитывавшие эти породы, содержали 802 или Н28 (за счет их проникновения из лежащих ниже скоплений нефти), сера выделялась бактериями как побочный продукт их жизнедеятельности. Затем, как показывают наблюдения, тонкодисперсная сера легко подвергалась перекристаллизации. Так, в глине и мраморе вырастали нередко крупные и красивые природные кристаллы серы.

Другой тип веществ можно проиллюстрировать на примере фосфоритов в карстовых пещерах. Фосфориты - это округлые, почковидные, бесформенные агрегаты разных фосфатов, среди них главным является апатит состава Са5(РО4)3(ОН). Источником фосфора были экскременты летучих мышей, кальций извлекался водами из известняков.

Наконец, третий тип биогенных минералов - это кристаллические вещества в твердых тканях живых организмов. Кальцит СаСОЗ в раковине аммонита или кораллах из отложений мелового периода всеми безусловно считается минералом. А тот же углекислый кальций в раковине современного живого существа - это минерал или нет? В формулировке, принятой КНМ, нет четкого Ответа. Действительно, кто скажет, где именно проходит граница между тем, что называют геохимическими, и тем, что называют биохимическими явлениями? И надо ли стремиться провести эту границу четко?

Известно, что в живых организмах существуют органо-минеральные агрегаты. Их подробное описание дано в монографии А.А. Кораго [5]. Эти агрегаты построены из закономерно расположенных кристаллов и обволакивающих их белковых веществ. Так, например, главным минералом твердых тканей человека является апатит, а каждое волокно его костной ткани состоит из цепочки мельчайших удлиненных (до 100 нм) призматических кристаллов этого минерала, окруженных белком-конхиалином и др. В ткани новорожденного часть фосфатного вещества костей волокон аморфна, часть окристаллизована плохо, доля белковых веществ относительно велика (значительно более 30%), кости ребенка мягкие. У стариков фосфатное вещество костей волокон хорошо окристаллизовано, доля белка мала, кость становится хрупкой. Из кристаллов апатита, погруженных в белковое вещество, состоят эмаль и дентин зубов человека (рис. 3). Главной твердой фазой в веществе хрящей опять-таки является апатит. Сам же апатит в тканях человека специфичен по кристаллохимическим особенностям - он относительно обогащен углекислотой и водой за счет соответственно меньшего содержания в нем фосфорного ангидрида. Полагают, что анионы (СОЗ)2 - занимают в кристаллической структуре такого апатита позиции анионов (РО4)3 -, а состав минерала изображают в виде химической формулы Са5(РО4)2(СОЗОН)(ОН) - сравните ее с формулой апатита в фосфоритах. Есть и другие кристаллические вещества в разных тканях и органах человека. Также есть они в организмах других живых существ и в растениях. Но и они не исчерпывают всего разнообразия веществ, которые можно отнести к минералам.

АНТРОПОГЕННЫЕ ВЕЩЕСТВА

Автор был недавно в Греции у городка Лаврион (Лаурион) на мысе Сунион. Здесь около 4-5 веков до Рождества Христова из руды выплавляли серебро, а шлаки сбрасывали в море. Они реагировали с водой, дав начало большому числу кристаллических веществ. Их давно внесли в справочники как природные минералы. Точно так же многочисленные и крайне разнообразные по составу кристаллические фазы - продукты химических реакций в отвалах шахт и металлургического производства считались до самого недавнего времени минералами, их тоже вносили в справочники. С 1995 года КНМ решила не принимать заявок на утверждение таких веществ в качестве новых минералов. Ну а как быть с прежними минералами такого рода? Встает и философская проблема, ярко высвеченная академиком В.И. Вернадским в его мыслях о ноосфере. Да, действительно, человек есть часть вечного и независимого от него мира, то есть все, что связано с его существованием на Земле, суть все-таки часть природы. Взгляд на антропогенные минералы оказывается разным с позиций различных философских и естественнонаучных концепций.

2.1.2.  Условия образования глинистых минералов

В обычном гранодиорите верхней коры в основном выветривают­ся с образованием глинистых минералов именно полевые шпаты. Поскольку они являются каркасными силикатами, образование слоистых силикатов  должно включать промежуточную ступень. В эту ступень входит высвобождение кремния, алюминия и других катионов с последующей их пере­стройкой в структуру слоистых силикатов. Поскольку в проме­жуточной ступени участвуют ионы почвенных растворов, на тип образующегося глинистого минерала будут влиять рН почвен­ной влаги и степень выщелачивания (скорость потока воды).

Алюминий и кремний осаждаются в виде нерастворимых оксидов или оксигидроксидов в пределах обычных для почв значений рН. Другие почвенные катионы и H₂SiO₄ достаточно растворимы и поэтому могут выноситься с выветривающегося участка.

Смектитовые глины, наоборот, образуются на слабо дрени­рованных участках. На базальтовом острове Гавайи тип почвен­ных глинистых минералов изменяется в последовательности смектит—каолинит—гиббсит с увеличением количества дож­девых осадков. Подобная обобщенная зональность, основанная на степени выщелачивания, была предложена для распределения глинистых минералов по глубине в почвах.

Интенсивное выщелачивание благоприятствует образова­нию каолинита, поскольку катионы и H₄Si0₄ выносятся и пони­жается отношение кремний: алюминий, что способствует струк­турной организации 1:1. При менее интенсивном выщелачива­нии отношение кремний : алюминий выше, что способствует образованию различных 2:1-минералов, в зависимости от по­ступающих катионов. Например, при выветривании базальта образуется много магния и формируются магниевые смектиты. В большинстве тропических сред с интенсивным выветрива­нием выносится весь кремний, что способствует образованию гиббсита, который можно рассматривать как структуру 0:1.

Неизвестно, каким образом глинистые минералы образуют­ся из растворов. Есть свидетельства того, что фульвокислоты, образующиеся при разложении органического вещества в почвах, могут взаимодействовать с алюминием с образованием растворимых алюмо-фульватных комплексов, в которых алю­миний находится в шестерной координации. Такая гиббситовая частица может затем адсорбировать тетраэдры SiO₄ и образо­вывать структуры, подобные глинистым минералам.

Небольшая часть невыветрелых породообразующих сили­катов, например слюд, уже является слоистыми силикатами. Нетрудно предугадать, что в результате трансформационных изменений они могут превратиться в глинистые минералы. Изменения вероятнее всего затрагивают межпакетные про­странства, особенно на поврежденных краях кристаллов. Тип образующегося минерала будет зависеть от состава как исходно­го материала, так и приобретенных в процессе трансформации ионов. Например, замена К⁺ на Mg²⁺ в мусковите может при­вести к образованию магниевого смектита.

Під природними сорбентами розуміють гірничі породи і мінерали, які без будь-якої додаткової обробки мають високі адсорбційні та іонообмінні властивості. До них належать природні бентонітові и палигорскитові глини, цеоліти, діатоміти, опоки, трепела та ін.

Важливе значення щодо сорбційних властивостей природних мінералів, які застосовуються у промисловості, грає пориста структура, розподіл об'єму пор за їх розміром, а також природа поверхні розподілу твердої фази на мережі з рідкою або пароподібною фазою.

Глина є унікальним природним мінералом, який володіє такими винятковими властивостями, як дисперсність, гідрофільність, здатність до сорбції й іонного обміну з навколишнім середовищем [1]. Глина знаходить застосування в багатьох галузях промисловості - керамічної, вогнетривкої, скляної, хімічної, але з погляду екологічної безпеки глина являє особливу цінність як недорогий і доступний сорбент.

Україна багата промисловими родовищами бентонітових глин, основним породоутворюючий мінералом яких є монтморилоніт. Усього на території України виявлено 100 проявів бентонітових глин [7]. Видобуток природних адсорбентів ведеться на шести родовищах - Горбське, Кудринське, Черкаське, Сокирницьке, Берегівське і Коноплянське. Бентоніти споживають у тих або інших кількостях близько 50 галузей промисловості і сільського господарства [8]. Це нафтовидобувна, нафтопереробна, хімічна, целюлозно-паперова, керамічна, харчова промисловість, медицина, тваринництво й ін.

По характеру проявления сорбционных свойств и строению природные сорбенты можно разделить на две группы (таблица 2.5) [30-32]:

· с кристаллической структурой минералов;

· с аморфной гелево-пористой структурой.