Minerały
Czym są oraz ich klasyfikacja
Co to jest minerał?
Aby substancja mogła nosić miano minerału, musi spełnić następujące warunki:
- być pierwiastkiem lub związkiem chemicznym (to oznacza, że jesteśmy w stanie podać chemiczny wzór minerału, a jeżeli jego skład jest zmienny, to możemy określić, co podlega zmianom i w jakim zakresie),
- w temperaturze pokojowej musi być ciałem stałym,
- jako ciało stałe musi wykazywać strukturę krystaliczną, a więc uporządkowaną budowę wewnętrzną,
- musi powstawać naturalnie (co nie wyklucza możliwości sztucznego wytwarzania przez człowieka minerałów, które rzeczywiście istnieją w przyrodzie), na Ziemi (w drodze działania procesów geologicznych) lub na innych ciałach kosmicznych.
Jeżeli jakaś naturalna substancja nie spełnia wszystkich tych warunków, to możemy ją określić mianem substancji mineralnej lub mineraloidu. Takimi substancjami są na przykład:
- opal (odmiana krzemionki, która w odróżnieniu od będącego minerałem kwarcu nie posiada postaci krystalicznej),
- ropa naftowa i gaz ziemny (powstają w naturze w wyniku procesów geologicznych, ale nie wykazują stałego stanu skupienia),
- cyrkonia (tlenek cyrkonu i/lub itru, związek chemiczny o stanie skupienia, może być szlifowana jak diamenty – ale jest substancją wytwarzaną jedynie przez człowieka, nie pojawia się w przyrodzie).
Ze względu na to, że każdy minerał musi obowiązkowo wykazywać strukturę krystaliczną, warto zdefiniować również pojęcie kryształu.
Czym jest kryształ?
Kryształ to substancja, która:
- wykazuje strukturę krystaliczną; nie musi być ona widoczna gołym okiem – wynika ona z wewnętrznego uporządkowania atomów, jonów lub cząsteczek, a zatem zachodzi w bardzo małej skali,
- posiada wielościenną, wykształconą w charakterystyczny dla siebie sposób, postać zewnętrzną, która może być dostrzegalna gołym okiem.
Potocznie rzadko używa się pojęcia kryształ względem substancji, której kryształy dostrzegalne są w bardzo drobnej skali (na przykład pod mikroskopem skaningowym). Jednak naturalna substancja wytwarzająca kryształy widoczne tylko w nanoskali też jest minerałem.
Uporządkowana budowa wewnętrzna kryształu sięga skali pojedynczych atomów lub cząsteczek. Najmniejszym powtarzalnym elementem struktury kryształu jest tak zwana komórka elementarna. Jeżeli może ona być powielana w niezakłócony sposób, to powoduje to narastanie kryształu, a więc struktury ograniczonej tworzącymi się naturalnie, płaskimi ścianami. Wykazuje ona właściwy dla danego minerału układ płaszczyzn oraz osi symetrii.
Każdy minerał posiada strukturę krystaliczną, ale niekoniecznie musi zawsze wytwarzać kryształy ograniczone płaskimi, ułożonymi w charakterystyczny sposób ścianami. Jeśli dany minerał krystalizuje szybko lub pojawia się w skale w ostatniej kolejności, między istniejącymi już innymi kryształami, to nie uzyska on prawidłowej formy. Jego budowa wewnętrzna pozostanie widoczna tylko w najmniejszej skali.
Cechy minerałów
Rozpoznanie minerału wymaga zbadania jego cech. Tylko niektóre z nich są widoczne dla nieuzbrojonego oka – inne wymagają zastosowania narzędzi pomocniczych. Zbadanie podstawowych cech minerałów nie wiąże się z pracą laboratoryjną. Za pomocą kilku wzorców twardości (szkło, gwóźdź stalowy, drut miedziany) oraz płytki porcelanowej możliwe jest oznaczenie podstawowych minerałów.
Opisy najważniejszych cech minerałów wraz ze wskazówkami dotyczącymi ich badania można znaleźć na tych stronach:
Bardziej zaawansowaną analizę cech minerałów, prowadzącą do ich rozpoznania, wykonuje się w warunkach laboratoryjnych. Stosowane są między innymi następujące metody:
- mikroskop optyczny – pozwala on na obserwacje minerałów w świetle odbitym i przechodzącym przez kryształ, stosując światło białe oraz spolaryzowane; aby skorzystać z mikroskopu konieczne jest przygotowanie płytek cienkich (szlifów), czyli wypolerowanych przekrojów przez minerały lub skały, o grubości około 0,01 mm, naklejonych przezroczystą żywicą na szkiełko; szlify takie obracane są na stoliku mikroskopowym, a obserwacja zachowania światła pozwala na ustalenie niektórych cech badanych minerałów,
- mikroskop skaningowy elektronowy (SEM) – służy do badania substancji bardzo drobnokrystalicznych (czyli skrytokrystalicznych),
- dyfraktometr rentgenowski (XRD) – pozwala na ustalenie struktury wewnętrznej analizowanej substancji, poprzez badanie kierunków odbicia wiązki promieniowania.
Jak rozpoznać minerał?
Z powyższego opisu może wynikać, że nadanie nazwy minerałowi jest długim i żmudnym procesem. W wielu przypadkach jest tak rzeczywiście. Na szczęście jednak podstawowe, najczęściej występujące minerały możemy rozpoznać w stosunkowo łatwy sposób, korzystając z narzędzi dostępnych niemal wszędzie.
Praktyczny, krótki kurs rozpoznawania kilku najważniejszych grup minerałów można znaleźć tutaj:
Gdzie pojawiają się minerały?
Wszystkie skały – czyli całe znajdujące się pod naszymi nogami naturalne podłoże (piasek, żwir i muł to też skały) – zbudowane są głównie z minerałów. Występują one zatem wszędzie. Niektóre z minerałów często pojawiają się w charakterystycznym towarzystwie, co ułatwia ich rozpoznawanie.
Zespół występujących wspólnie minerałów nazywany jest paragenezą. Zazwyczaj pojawiają się one w wyniku działania jednego procesu geologicznego, zachodzącego w środowisku bogatym w konkretne pierwiastki i związki chemiczne. Znajomość paragenez ułatwia rozpoznawanie minerałów. Najbardziej pospolitym przykładem takiego zjawiska jest współwystępowanie kwarcu oraz miki; często pojawiają się one razem w tej samej skale, na przykład w powszechnych na terenie Polski granitoidach.
Krystalizacja minerałów z reguły zachodzi w ściśle określonej kolejności. Przykładowo, w powoli krzepnącej magmie pojawiają się kolejno różne minerały, w zależności od temperatury i składu stopu skalnego. Takie same zjawisko obserwowane jest w silnie zasolonych zbiornikach, z których wytrącają się w ściśle określonym porządku kryształy kalcytu, gipsu oraz halitu (soli kuchennej) tworząc tak zwane cyklotemy – charakteryzujące się rytmicznością i powtarzalnością kompleksy skalne.
Niekiedy rozpoznanie minerału może być utrudnione, nawet jeśli dysponujemy dużymi kryształami. Dzieje się tak wówczas, gdy przyjęły one postać właściwą innym minerałom. Są to tak zwane pseudomorfozy (kryształy fałszywe). Tworzą się one w pustkach po usunięciu (rozpuszczeniu) minerałów występujących w nich wcześniej. Krystalizująca substancja dostosowuje swoją postać zewnętrzną do dostępnej przestrzeni, imitując w ten sposób pierwotny minerał.
Podział minerałów
Minerały dzielone są na gromady (klasy), w obrębie których wyróżniane są jednostki niższego rzędu. W systematyce uwzględnia się:
- skład chemiczny,
- strukturę krystaliczną,
- a także powszechność występowania
- oraz przydatność dla gospodarki.
Znajdujący się niżej podział minerałów jest uproszczony. Usunięto z niego grupy mające niewielki udział w skorupie ziemskiej. Nacisk położono na tak zwane minerały użyteczne, czyli niezbędne dla gospodarki człowieka.