Основные проблемы современной минералогии

Минералогия достигла больших успехов в изучении вещественного состава самых разнообразных геологических объектов, в познании внутреннего строения минералов, в раскрытии генезиса минеральных индивидов и их агрегатов, минеральных видов и сложных минеральных ассоциаций. В настоящее время минералогия, рождение которой уходит в глубокую древность, переживает омоложение, обусловленное применением новых методов физического и химического исследования, использованием теоретических достижений химии, физики, физической химии, кристаллохимии.
Современная минералогия базируется на двух основных принципах: кристаллохимическом и генетическом. Первый берет свое начало от Е.С. Федорова, второй окончательно утвержден в минералогии В.И. Вернадским.
Кристаллохимический принцип открывает закономерности внутренней конституции минерала, т. е. его химического состава, кристаллической структуры и свойств, а также их взаимосвязи и взаимозависимости. Основным источником информации при кристаллохимических исследованиях стали данные различных физических и химических методик, арсенал которых особенно обновился и пополнился за последние годы. Благодаря получению новых точных данных и использованию достижений атомной физики в области строения атомов и их взаимодействия в кристаллическом веществе, минералогия сделала резкий скачок в познании минералов.
Большие достижения, обусловленные кристаллохимическим подходом к изучению минералов, имеются в раскрытии взаимосвязи между составом, структурой и свойствами минералов, в учении об изоморфизме и полиморфизме, в изучении тонкодисперсных слоистых силикатов, природы эпитаксических срастаний, окраски минералов и т. д. Однако минералогия — это не просто физика твердого тела или кристаллохимия, а историческая наука, изучающая природные твердые тела, как правило, очень сложных химического состава и структуры, которые в координатах пространство — время зарождаются, растут, разрушаются, образуют сложнейшие, но закономерные ассоциации в земной коре в зависимости от постоянно и бесконечно меняющихся термодинамических параметров среды.
Для минералогов кристаллохимическое изучение минералов является неотъемлемой частью минералогии и теснейшим образом связано с решением тех теоретических и прикладных задач, которые стоят перед минералогией. Блестящий пример в этом отношении представляют работы Н.В. Белова. Особое место среди них занимают многочисленные расшифровки структур силикатов с крупными катионами, на основе которых составлена вторая глава кристаллохимии силикатов. Н.В. Белов внес не только принципиально новое в понимание конституции силикатов, но и по-новому с минералогической точки зрения осветил процесс кристаллизации магматического расплава. Примеры работ Н.В. Белова по минералогической кристаллохимии, в которых кристаллохимические построения служат для объяснения или предсказания тех или иных особенностей минералов в природе (устойчивость и распространение, генезис, парагенезис и др.), многочисленны. Работы Н.В. Белова являются связующим звеном между собственно кристаллохимией и минералогией, а в самой минералогии — между ее кристаллохимическим и генетическим принципами.
Большую роль в развитии генетического принципа минералогии сыграли физико-химический подход к изучению минеральных парагенезисов и применение законов термодинамики для решения общих вопросов, касающихся кристаллического состояния вещества и химической эволюции земной коры. Огромный вклад в развитие этих направлений внесли В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман, А.Н. Заварицкий, А.П. Виноградов, Д.С. Коржинский, В.А. Николаев, В.С. Соболев, А.Г. Бетехтин и другие советские ученые.
Непосредственное приложение физико-химического анализа и законов термодинамики к изучению процессов минералообразования в земной коре сопряжено с большими трудностями. Чрезвычайная сложность и изменчивость природных минералообразующих систем приводит к тому, что при физико-химической интерпретации процессов минералообразования в большом числе случаев мы вынуждены в той или иной мере прибегать к идеализированным схемам.
Сейчас существуют два направления, развитие которых позволит более конкретно применять законы физической химии к процессам минералообразования: экспериментальные работы по моделированию минералообразующих процессов и изучение включений минералообразующей среды в минералах. И тем и другим путем минералогического исследования уже получены многообещающие результаты как общетеоретического, так и прикладного характера. Благодаря этим методикам можно создать наиболее реальные модели природных процессов, не наблюдаемых непосредственно, и, применив законы физической химии, проникнуть «во глубину земную разумом».
И все же генезис минералов и их историю нельзя познать без самого тщательного изучения особенностей зарождения, роста и изменения минерала как определенного геологического тела — составной части земной коры. Убедительным примером в этом отношении являются целеустремленные работы Д.П. Григорьева по изучению генезиса минеральных индивидов и их агрегатов, которые в конечном счете и составляют минеральные ассоциации на отдельных участках земной коры. Минерал остается ,тем материальным документом, в котором отражены все страницы геологической истории от процессов гигантских масштабов до микроизменений в окружающей среде.
Современная минералогия для раскрытия генетического принципа получает информацию по трем указанным выше основным каналам, но, к сожалению, они пока еще не слились в одно могучее русло. Поэтому генетический принцип минералогии фактически окончательно не определился. Для интересов минералогии как науки о минеральной форме вещества Земли и особенно для выполнения запросов народного хозяйства требуется неотложное решение этого кардинального вопроса, ибо чем ближе наши представления о генезисе конкретных минералов и минеральных ассоциаций к действительности, тем рациональнее осуществляются поиски, разведка и разработка минеральных месторождений. Генетический принцип минералогии может быть раскрыт только объединенными усилиями минералогов всех направлений при активном участии физико-химиков и экспериментаторов. При этом необходимо иметь в виду, что рассмотрение генезиса минералов минеральных ассоциаций и комплексов немыслимо в отрыве от общегеологической истории данного участка земной коры.
Какой же из двух принципов минералогии является основополагающим?
Кристаллохимический метод раскрывает взаимосвязь внутренней структуры, состава и свойств минералов как готовых продуктов того или иного природного процесса, поэтому кристаллохимический принцип по своей сути статичен. Генетический принцип динамичен, он отвечает духу минералогии как исторической науки, в нем самом заложен принцип историзма. В.И. Вернадский писал: «Я положил в основу широкое изучение минералогических процессов земной коры, обращая основное внимание на процесс, а не только на исследование продукта процесса (минерала), на динамическое изучение процессов, а не только на статическое изучение их продуктов». Это положение должно являться фундаментальным с точки зрения формирования минералогического метода изучения земной коры. Следует добавить лишь, что В.И. Вернадский обращал основное внимание на химическую историю минерала, но теперь уже известно, что физическая сторона процесса (особенно физические изменения минералов) также играет огромную роль в истории минерала.
Таким образом, все сказанное выше дает право утверждать, что современная минералогия должна базироваться на генетическом принципе.
Рассмотрим с позиций кристаллохимического и генетического принципов факторы минералообразования, которые можно разделить (по аналогии с классификацией геохимических факторов А.Е. Ферсмана) на внутренние и внешние.
Внутренними факторами минералообразования следует называть только качества атомов химических элементов, вытекающие из положения их в естественной классификации — периодической системе Д.И. Менделеева. Внешними факторами минералообразования являются те конкретные термодинамические и физико-химические условия, в которых осуществляются зарождение, рост и дальнейшая история возникновения минерала. Все они в общем определяются температурой, давлением и концентрацией минералообразующих компонентов.
Может возникнуть вопрос, к каким из факторов относятся свойства самих минералов? В настоящее время все более утверждается тенденция считать определяющими при равнозначных внутренних факторах внешние факторы — физико-химические параметры среды. Это доказывается, с одной стороны, на примере кристаллизации и существования полиморфных модификаций, а с другой — на примере таких групп минералов, как полевые шпаты и фельдшпатиты, оливины и пироксены, пироксены и амфиболы и многие другие.
Общеизвестно, что с изменением внешних факторов идет разрушение старых и образование новых минеральных индивидов, видов, ассоциаций. Физико-химические свойства минералов определяются синтезом внутренних и внешних факторов, но в процессе минералообразования главенствуют внешние факторы. Через свойства атомов и их способность вступать в химические соединения с образованием кристаллических тел внешние факторы отражаются на внутренней конституции минералов, расшифровка которой методами кристаллохимии должна помогать минералогам в познании процессов минералообразования и формирования месторождений, а следовательно, облегчить их поиски и разведку.
Минералогия призвана изучать минералы — природные твердые тела и минеральные ассоциации — естественные совокупности минералов, возникающие в земной коре в результате разнообразных физико-химических процессов. Как наука естественноисторическая, минералогия должна изучать историю своих объектов, их изменения в пространстве и времени. Базисом для такого изучения, а следовательно, и для дальнейшего развития минералогии, являются установленные ею закономерности, а также арсенал законов и положений смежных наук — геохимии, геологии, кристаллохимии, физической химии и т. д. Однако ни методы, ни законы этих смежных наук не могут ни подменить, ни тем более заменить собственно минералогический метод исследования литосферы, которая является объектом изучения минералогии в планетарном масштабе. Однако минералогия еще не разработала и не сформировала такого метода. Это в значительной мере обусловлено разрозненностью и глубокой дифференциацией минералогических исследований, что и определило некоторую кажущуюся узость выдвигаемых минералогией проблем.
Важнейшим принципом, который должен быть положен в основу минералогического метода изучения литосферы, т. е. в основу современной минералогии и дальнейшего ее развития, должен стать принцип историко-генетический. Только на основе этого принципа можно ставить и решать вопросы истории минеральных тел и эволюции минерального вещества в планетарном аспекте, а также наиболее рационально подойти к раскрытию причин возникновения высоких концентраций минералов в отдельных участках, провинциях, поясах земной коры.
В качестве примера проблемы, которая может быть решена на основе историко-генетического принципа, может служить проблема зависимости состава и строения минералов и характера минеральных ассоциаций от времени и места их образования, условий кристаллизации и пережитой ими геологической истории. В условиях земной коры наблюдается большое количество геологических тел с одинаковым валовым элементным составом, но резко различных с точки зрения минерального состава. Поскольку в природе подобное явление оказывается обычным, постольку минералогия вправе утверждать, что внутренняя конституция минералов и локальная специфичность их ассоциаций (при одном и том же общем химическом составе) определяется генезисом — историей данного участка земной коры или космического тела, которому присуще минеральное состояние вещества.
Историко-генетический принцип минералогии сам по себе вызывает необходимость создания генетической классификации минералов. Сейчас в минералогии всеобщее признание получила кристаллохимическая классификация минералов. С помощью новых и новейших методик расшифровки внутренней структуры минералов эта классификация внесла чрезвычайно много в понимание кристаллохимических взаимосвязей между наблюдаемыми в природе минеральными индивидами. Ho эти взаимосвязи только линейные, они не учитывают координату времени, т. е. лишены историко-генетического аспекта. Поэтому кристаллохимическая классификация минералов остается только одним из важных достижений современной минералогии, облегчающим построение генетической классификации.
При решении указанных важнейших проблем особое значение приобретают регионально-минералогические работы.
Для большинства территорий минералы в подавляющем своем большинстве изучены, но изучены и описаны, как правило, на уровне, не соответствующем современному состоянию минералогической науки. Поэтому любые новые данные, полученные в результате более тщательных и целеустремленных наблюдений и с помощью новых методик исследования, представляют собой важные минералогические документы. Однако получаемая таким образом информация, как правило, разрознена, часто не включает сведений об условиях нахождения минерала и его геологической истории.
Назрела необходимость проведения общих регионально-минералогических исследований, осуществление которых даст возможность подвести итоги минералогического изучения определенных территорий. Минералогическая информация, которая будет получена при региональных исследованиях, окажется намного полнее той, которую мы получаем в настоящее время.
Изучение минералогии региона дает нам ключ к расшифровке взаимосвязи его геологической истории и тех физических и химических изменений минералов и минеральных ассоциаций, по которым в значительной мере эта геологическая история восстанавливается. Такие исследования являются основным указателем для изучения распределения минералов, а следовательно, и месторождений полезных ископаемых в земной коре (особенно ее приповерхностной части). Отсюда вытекает вывод о необходимости обеспечения поисково-съемочных и разведочных партий, рудников и шахт минералогами, которые бы совместно с поисковиками, разведчиками и эксплуатационниками принимали участие в производстве соответствующих работ. Непосредственное участие опытных минералогов могло бы резко повысить эффективность и производительность геологических исследований, а также горнодобывающей промышленности, в частности обогатительных предприятий.
Одной из основных задач общего плана, которые должна решать минералогия, является установление закономерностей распределения минералов во времени и пространстве в связи с общей геологической историей Земли. Раскрывая закономерности образования и превращения минералов, законы возникновения их ассоциаций в зависимости от внешних термодинамических условий, т. е. от места и времени их нахождения, минералогия тем самым вносит свой вклад как в общее познание истории Земли, так и в прикладную геологию.
Более конкретной задачей минералогии является составление детальных региональных минералогических сводок и карт по единому плану с описанием минералов на современном уровне минералогических и физико-химических исследований для минералого-геохимических провинций, связанных общностью геологической истории. Подобные исследования представляют исходный материал для поисков месторождений полезных ископаемых и обобщений в любой области минералогии.
Решение коренных задач минералогии невозможно без широкой подготовки кадров минералогов, вооруженных глубокими знаниями также смежных наук, и насыщения такими кадрами не только научно-исследовательских институтов, но и, что особенно важно, производственных геологопоисковых и разведочных организаций. Очевидно, что непосредственное участие опытных минералогов в поисковых, разведочных и эксплуатационных работах резко повысит эффективность последних, и минералогия внесет более весомый вклад в обеспечение народного хозяйства мощной минерально-сырьевой базой.