Блог

Иванов О.К.
О перспективах развития минералогии

О ПЕРСПЕКТИВАХ РАЗВИТИЯ МИНЕРАЛОГИИ 

О. К. Иванов

Уральский институт минерального сырья, Екатеринбург

 

Современное состояние минералогии внешне блестящее. Продолжают открываться новые минералы, диагностируются все более мелкие индивиды минералов, детально изучены структуры почти всех минералов, разработана номенклатура минералов, открыты новые области исследования («космическая» минералогия, метаколлоиды, наноминералогия, витаминералогия, минералогия техногеогенеза – технических продуктов, подвергшихся природному воздействию, детально изучаются физические и химические свойства минералов, достигнуты большие успехи в области онтогении гидротермальных и пегматитовых минералов, разработана методика минералогического картирования, проводятся совещания по минералогии, ее теории и методологии, избираются академики и члены корреспондентов РАН, и т. д.

Вместе с тем бросается в глаза, что основные успехи получены вследствие появления новых приборов и расширения областей исследования. Общего научного стержня минералогия как будто не имеет. Одна из причин этого – огромное разнообразие минералогических и генетических объектов минералогии в разных частях Земли и трудности их обобщения, слишком большая сложность (нетехнологичность) минералогических методов, по сравнению, например, с геохимическими, односторонний интерес классической минералогии к кристалломорфологическим и онтогеническим проблемам. И, наконец, зацикленность классической минералогии на кварцевых жилках и пегматитах, по сравнению с другими, гораздо более широко развитыми, процессами минералообразования. Конечно, в этих областях (петрологии, метаморфизма, седиментологии, и т. д.) тоже ведутся детальные минералогические работы, но как бы независимо от основной линии минералогии.

Минералогия явилась родоначальницей почти всех геологических наук, и создается впечатление, что сейчас она иссякла. Симптомами этого является общее ощущение, явный отток исследователей в более интересные и более творческие области геологии, а также такие характерные явления как резкий упадок преподавания минералогии в ВУЗах России, особенно, в горных и геологических, кроме двух-трех,   исчезновение академической минералогии в некоторых старых минералогических центрах (например, в Екатеринбурге), исключение минералогии из числа наук, представленных в Докладах РАН, и т. д. Создается впечатление, что минералогия становится все более прикладной, призванной только обслуживать другие науки и отрасли.

Первое высказывание о кризисе минералогии было сделано Н. П. Юшкиным [20], но наиболее резко оно изложено Г. Н. Вертушковым [3] и И. П. Шараповым [17] в 1985 году на совещании по теории минералогии в Сыктывкаре.

Г. Н. Вертушков [3] так высказался о теперешнем положении минералогии: «…наметился отход минералогии от решения геологических проблем (здесь и далее выделено нами. – О. И.), который с каждым годом возрастает»; «…главная задача минералогии, как фундаментальной науки о Земле – изучать «вещественный состав» литосферы на геологической основе»; «…основной задачей «геологической минералогии»является изучение истории минералов и агрегатов». И важное объяснение своего беспокойства: «Геологическая история минерального вещества в земной коре невоспроизводима в условиях эксперимента».

Второй удар по самомнению минералогов нанес И. П. Шарапов [17–19], заявив, что наукой можно считать только такую систему идей, в которой есть номологические положения, т. е. законы, принципы и правила. Дипломатично анализируя законы минералогии, суммированные Н. П. Юшкиным и постоянно ссылаясь на его слова, что «минералогия еще не достигла того уровня, на котором ее можно было считать подлинной наукой», он высказался, что «она пока полунаука–полуискусство». И «Всякая наука – система знания и познания, а раз минералогия еще не система, значит она еще не сформировавшаяся наука» ([18], с. 26).

Как реакция на эту критику, появились большие обзоры лидеров нашей минералогии – Н. П. Юшкина и Ю. Б. Марина.

Н. П. Юшкин [21] согласился с тем, что «Особенно плохо разработаны представления о минерале, как элементе геологических систем, разорваны связи минералогии с геологией…». И в области теории минералогии «…проблема должна решаться путем представления накопленных минералогических данных в виде свода эмпирических законов, закономерностей, принципов…».

Ю. Б. Марин [15] в своей статье также особо остановился на геологическом начале в минералогии: «…некоторое ослабление геологических позиций в минералогии на фоне все большего проникновения в нее кристаллохимии и физики твердого тела…», что «…несколько увело минералогию от постановки и решения собственных фундаментальных задач, выведения глобальных минералогических закономерностей и формулирования собственных законов». Со всем этим нельзя не согласиться.

Наконец, в 2002 г. в материалах совещании «Новые идеи и концепции в минералогии» в Сыктывкаре в своем докладе «Современная минералогия и новые тенденции ее развития» Н. П. Юшкин [22] пишет: «Одной из определяющих тенденцийстала геологизация минералогии. Наиболее эффективно она реализуется через генетикоинформационную минералогию…».   И снова: «По нашему мнению, важнейшими тенденциямив развитии минералогии ХХ1 века будут…геологизация, т. е. развитие минералогии как органического компонента метагеологии и всего естествознания, возвращение…к познанию минерального мира в целом…». Так стала тенденция или еще будет? И только лишь через «генетикоинформационную минералогию»? Режет слух термин «геологизация». Он был бы уместен в тексте специалиста по физической химии, но не минералога. Вне геологии минералогии как науки не существует.

Это высказывание не случайно и отражает явную головную боль автора оценки, так как «геологизация» минералогии это, прежде всего, насущная задача Института геологии Коми НЦ УрО РАН в Сыктывкаре и его директора известного минералога Н. П. Юшкина, академика РАН, РАЕН и УАГН, руководителя сыктывкарской минералогической школы, а сейчас и всей России. Именно приоритетное развитие физических и химических методов изучения вещества в Институте за счет собственно геолого-минералогических исследований и быстрое размножение талантливых, но далеких от геологии и не склонных к геологизации, молодых экспериментальщиков и физиков явно ведет институтскую науку в тупик, а сыктывкарскую минералогию в тотальную «физикозацию». Впрочем, близкие проблемы и в Институте минералогии УрО РАН в Миассе, и в Институте геологии и геохимии УрО РАН в Екатеринбурге, где минералогии нет, но физика минералов активно развивается.               

Так каковы же перспективы развития минералогии? Мне кажется, что кроме общей минералогии, где суммируются основные результаты развития разных ветвей минералогии в духе «Общей минералогии» А. Г. Булаха, существует четыре главных области или направления ее развития:

1) Описательная минералогия, занимающаяся изучением самих минералов, диагностикой, определением их физических и химических свойств, морфологии, внутреннего строения, последовательности их образования и изменения в природе.

2) Геологическая, или генетическая, минералогия, занимающаяся изучением минералов и условий их образования в конкретных геологических условиях и процессах. Это область, главными разделами которой являются минералогия магматитов, минералогия метаморфитов, минералогия постмагматических продуктов, седиментационная минералогия, минералогия гипергенеза, минералогия эвапоритов, минералогия астроблем, минералогия планет и метеоритов. Причем основным является не только диагностика и описание, ибо это цель и задача прикладной и описательной минералогии, но и выяснение закономерностей и причин образования тех или иных минералов и минеральных парагенезисов, которые слагают соответствующие горные породы – магматические, постмагматические, метаморфические, осадочные, и т. д.

3) Теоретическая, или аналитическая, минералогия, занимающаяся выяснением и формулированием закономерностей образования и преобразования минералов для минералогии в целом. При этом закономерности устанавливаются с помощью самих минералов и их типоморфных особенностей – химических, физических или онтогенических – эмпирически или теоретически (умозрительно).

4) Прикладная минералогия, занимающаяся использованием результатов и выводов минералогии в других науках и технических областях.

В отличие от Н. П. Юшкина [20] и А. Г. Булаха [2], я считаю, что сейчас кристаллохимия минералов и физика минералов являются самостоятельными науками и только используются минералогией по мере необходимости.

Наиболее удовлетворительноразвивается описательная и прикладная минералогия. Разве что кристалломорфология и онтогения слишком зациклились на кварцевых жилках. Это неизбежно и необходимо на ранних стадиях, но затем следует переходить к другим, более сложным генетическим типам минеральных образований. Онтогенический анализ оказался удобен для объяснения генезиса некоторых магматических и постмагматических образований – хондр, хромит-оливиновых нодулей, порфировых вулканитов, геденбергитовых корок в скарнах, но дает сбой при описании плутонических пород.

Основные перспективы ожидают минералогию в изучении продуктов важнейших геологических минералообразующих процессов. Для примера остановимся на минералогии магматических образований.

В этой области классическая минералогия имеет немного достижений. В петрологии магматических пород до сих пор господствует физико-химическая парадигма, основанная на экспериментах по плавлению–кристаллизации некоторых минералов или некоторых компонентов, проведенных в неравновесных условиях, а также на формальных математических или термодинамических законах и правилах, использование которых в области магматической петрологии не всегда корректно. Долгое время выводы специалистов по физической химии и экспериментам по плавлению и кристаллизации минералов не подвергались петрологами проверке независимыми методами и воспринимались некритически.

Первые же попытки использования конкретного сравнительного анализа составов петрогенных минералов (на примере оливинов и плагиоклазов) и состава магматических горных пород показали, что предложенная Н. Л. Боуэном интерпретация диаграмм плавкости–кристаллизации плагиоклазов и оливинов совершенно неудовлетворительна. По его мнению, постоянное взаимодействие выделившихся кристаллов с расплавом приводит к постоянному изменению их состава и приведению их в равновесие с составом расплава. Все это чрезвычайно сомнительно с позиций здравого смысла и онтогении. Однако детальное онтогеническое исследование этого процесса до сих пор отсутствует.

В действительности в реальных магматических горных породах состав петрогенных минералов определяется соотношением катионов-модификаторов в расплаве и условиями кристаллизации [6, 7]. Для плутонических пород земной коры при равновесной кристаллизации состав плагиоклазов близок к соотношению катионов в расплаве или материнской породе. В неравновесно кристаллизующихся вулканитах средний состав зональных петрогенных минералов обогащен относительно мелкими катионами, а внешние

части по соотношению катионов близки к таковому в материнской породе. В метеоритах с низкимPO2состав петрогенных минералов не подчиняется этой закономерности. И вывод диаграммы плавкости–кристаллизации соответствуют частному случаю эксперимента для расплавов определенной вязкости, определенной скорости охлаждения, определенного парциального давления кислорода (PO2)и для определенного размера тигля. Диаграмма неприменима для метеоритов с низкой степенью окисления железа.

Другой пример. Сравнительный анализ составов минерал–горная порода по основным компонентам с появлением того или иного минерала (нефелина, кварца, оливина, и т. д.) показал, что появление петрогенных минералов в магматической породе определяется, прежде всего, содержанием петрогенных окислов, слагающих петрогенный минерал. Например, кварц кристаллизуется в равновесных ортомагматических горных породах только при содержании SiO2 выше 50 мас. % [10]. На многочисленных треугольных и более сложных экспериментальных диаграммах установить условия кристаллизации минерала в конкретной породе и его потенциальное содержание технически очень трудно. В целом, именно в области магматической петрологии минералогия сейчас добивается наиболее эффективных успехов. Это определяется также удобством и скоростью определения химического состава петрогенных и акцессорных минералов горных пород, а также относительно замкнутыми условиями кристаллизации большинства магматических пород, по крайней мере, в отношении нелетучих компонентов.

Таким образом, в области геологической минералогии мы имеем обширное белое поле для исследования и выяснения общих закономерностей минералообразования. И наиболее перспективна область продуктов магматической и постмагматической кристаллизации.

Рассмотрим положение с законами и закономерностями в минералогии. По мнению всех крупных минералогов, в этой области существует широкая возможность для обобщений. Краткий обзор установленных законов, принципов и правил, в той или иной степени касающийся минералогии, показывает их хаотичность и полное отсутствие системы, что подтверждается высказываниями известных минералогов и аналитиков. Кроме нечеткого определения формулировок, в свод этих закономерностей входят частные замечания, второстепенные закономерности, вариации физических, химических, физико-химических и термодинамических (математических) законов, в той или иной степени приспособленных к минералогии или петрологии.

По моему мнению, отсутствие основы системы имеющихся законов обусловлено тем, что авторы брали за основу частные или узкие вопросы минералообразования. Так, Д. П. Григорьев [4] сформулировал законы анатомии кристаллов, Н. П. Юшкин [20] рассматривал генетико-информационные законы и закономерности, В. А. Попов [16] и Н. З. Евзикова [5] – кристалломорфологические. В такой достаточно простой науке, как физика, законы выведены отдельно для каждого процесса – механического, электрического, магнитного, гравитационного и др., и лишь затем физика перешла к более общим вопросам. Очевидно то же должно быть и в геолого-минералогической науке. И здесь закономерности должны устанавливаться также для главных самостоятельных геологических процессов, а именно – для магматического (вулканического и плутонического), постмагматического (включая пегматитообразование, скарнообразование, гидротермальное и эксгаляционное минералообразование), метаморфического, седиментационного, и т. д. Именно эти процессы основные в геологии, и они в большинстве случаев не могут быть воспроизведены экспериментально из-за различий краткости эксперимента и огромного геологического времени минералообразования. Еще одна важная причина для магматических горных пород – высокая вязкость силикатных и алюмосиликатных расплавов, препятствующих установлению равновесия при быстрой кристаллизации. Именно этими особенностями геологические процессы отличается от тех, которые изучаются другими науками.

Исходя из этого, таковыми законами должна быть серия частных законов для конкретных минералообразующих процессов, которые должны ответить на вопросы: 1) о причинах кристаллизации тех или иных минералов; 2) о причинах состава того или иного минерала, особенно для минералов переменного состава; 3) о числе кристаллизующихся минералов; 4) о причинах кристаллизации того или иного парагенезиса; 5) о последовательности кристаллизации минералов в том или ином парагенезисе. При этом законы, видимо, должны выводиться раздельно для разных условий кристаллизации минералов – в открытых полостях и образующихся метасоматически. Лишь после этого возможно составление, сравнение и формулирование общих законов для всех минералообразующих процессов. Именно это, по нашему мнению, может быть стержнем общей минералогии и ее третьим крупным вкладом (после изучения самих минералов и взаимоотношений между ними) в общую геологию. И изучать надо не только историю минералов земной коры, как призывал Г. Н. Вертушков, но также и причины их кристаллизации. Наибольшие перспективы для установления таких законов лежат в области изучения магматических и постмагматических процессов.

При этом уже на имеющемся материале возможно с той или иной точностью формулировать некоторые частные (для отдельных генетических типов месторождений) минералогические законы.

В качестве одного из примеров возьмем уже опубликованный материал о т. н. минералогическом правиле фаз Гольдшмидта, определяющем число кристаллизующихся минералов в магматической породе. Это минералогическое правило фаз (?) является модификацией правила фаз Джиббса, выведенного математически и введенное в оборот основателями физической химии. В формулировке В. Гольдшмидта: «Из n компонентов могут (при произвольном давлении и температуре) устойчиво существовать не более n минералов». В более корректной трактовке Ферхугена: «Максимальное число кристаллических фаз, которые могут сосуществовать в породах в устойчивом равновесии, равно числу компонентов». При этом ни Джиббс, ни Оствальд и другие физико-химики не дали четкого определения, что они понимают под термином «компонент». По этому поводу постоянно возникают дискуссии. А. Г. Булах [1], детально изучивший вопрос, пришел к выводу о невозможности использования правила фаз в минералогии, а следовательно, и в петрологии. Тем не менее, оба правила настолько внедрились в петрологию, что без них не обходится ни один учебник. В то же время никакой реальной проверки действия правила, насколько я знаю, не проводилось. Автором [11, 13, 14] проведена эмпирическая проверка правила для магматических горных пород, при этом за компоненты принимались оксиды металлов. Брались две выборки – вулканических пород, кристаллизовавшихся в неравновесных условиях, и плутонических пород, кристаллизовавшихся в равновесных или близравновесных условиях. Для вулканических пород, кристаллизовавшихся в неравновесных условиях, оказалось, что: 1) в идеально неравновесных условиях кристаллизации образуется одна некристаллическая фаза – стекло; 2) в неравновесных условиях, чем выше скорость кристаллизации, тем меньше видов, чем меньше скорость кристаллизации, тем большее число сокристаллизующихся минеральных видов, статистически приближающихся к числу компонентов; 3) правило фаз Джиббса и Гольдшмидта не может использоваться в случае кристаллизации горных пород в неравновесных условиях. Для пород, кристаллизовавшихся в равновесных (плутонических) условиях, закономерности кристаллизации совершенно иные. С увеличением числа петрогенных компонентов (петрогенных оксидов) породы пропорционально увеличивается число минеральных видов. Средние статистические значения для всей совокупности главных типов горных пород показывают, что число минеральных видов (петрогненых и акцессорных) стремится к числу компонентов и обычно меньше их числа, но в некоторых группах и типах пород число минералов может быть и больше числа компонентов. Т. е. минералогическое правило фаз для равновесных пород чисто статистическое [12, 13].

Более детальное обсуждение такого расхождения показало, что вопрос еще более сложен.

В целом, правило, принцип или закон, определяющий число кристаллизующихся из расплава минералов (минеральных видов) можно сформулировать так:

«Число кристаллизующихся из расплава (магмы) минеральных видов зависит от условий кристаллизации. При ультранеравновесной кристаллизации оно может равняться нулю (вулканическое стекло) при равновесной кристаллизации число минералов определяется числом анионов и анионных комплексов в породе, которое для силикатных и алюмосиликатных минералов определяется спектром и количеством катионов-модификаторов. При промежуточных условиях кристаллизации число петрогенных и акцессорных минералов статистически стремится к числу компонентов, но может быть и больше». Это частное правило, выведенное для магматических горных пород, было бы желательно проверить на примере пегматитов или гидротермальных жил, чтобы выяснить, справедливо ли оно для всех случаев кристаллизации в открытых полостях или только для расплавов.

Из вышеизложенного следует:

  1. Минералогии нет нуждыгеологизироваться,ибо вне геологии минералогии не существует.
  2. Основная проблема минералогии – освоить, уточнить и обобщить результаты минералогических исследований горных пород и минеральных образований разных генетических типов.
  3. Основные задачи минералогии состоят в выяснении условий, причин и закономерностей минералообразования конкретных природных генетических типов пород и минеральных ассоциаций.

               

Литература

  1. Булах А. Г.Методы термодинамики в минералогии. Л.: Недра, 1974. 184 с.
  2. Булах А. Г.Общая минералогия. Изд. СПб ун-та, 1999. 354 с.
  3. Вертушков Г. Н.Геологическая минералогия // Теория и методология минералогии. Тез. докл. Всесоюз. совещ. Сыктывкар, 1995. С. 17.
  4. Григорьев Д. П., Жабин А. Г.Онтогения минералов. Индивиды. М.. Наука, 1975. 339 с.
  5. Евзикова Н. З.Кристаллографические основы учения о типоморфизме минералов // Региональная и генетическая минералогия. Киев, 1979. Вып. 3. С. 3–11.  
  6. Иванов О. К.О факторах, определяющих состав оливина // Изв. АН СССР, сер. геол., 1978. № 6. С. 86–99.
  7. Иванов О. К.Факторы, определяющие состав плагиоклазов магматических пород // MorphologyandPhase EquilibriumofMinerals. IMA-1982 (1986). P. 241–250.
  8. Иванов О. К.Зональность и условия равновесной кристаллизации ортомагматических минералов // Теория                 минералогии. Л.: Наука, 1988. С. 91–96.
  9. Иванов О. К.Критика некоторых оснований теории Боуэна // Петрография на рубеже ХХ1 века. Итоги и перспективы. Матер. II Всеросс. петрограф. совещ. Т. 1. Сыктывкар, 2000. С. 94–96.
  10. Иванов О. К. О причинах кристаллизации кварца в ортомагматических породах // «Кварц-кремнезем». Матер. международ. семинара. Сыктывкар, 2004. С. 87–88.
  11. Иванов О. К. Минералогические признаки равновесной и неравновесной кристаллизации ортомагматических горных пород // Урал. геол. журнал, 2006. № 1 (49). С. 75–84.
  12. Иванов О. К. Минералогическое правило фаз для равновесных ортомагматических горных пород // «Теория, история, философия и практика минералогии». Тез. докл. Сыктывкар, 2006. С. 40–42.
  13. Иванов О. К. Число сосуществующих минералов в ортомагматических горных породах, кристаллизовавшихся        в неравновесных условиях // Урал. геол. журнал, 2006. № 3 (51). С. 89–98.
  14. Иванов О. К. Типы равновесной–неравновесной магматической кристаллизации // Урал. геол. журнал, 2006. № 6 (54). С. 51–68.
  15. Марин Ю. Б.Теоретический и эмпирический подходы в минералогии // Теория минералогии. Л.: Наука. 1988. С. 15–20.
  16. Попов В. А.Практическая кристалломорфология минералов. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1984. 191 с.
  17. Шарапов И. П.О законах минералогии // Теория и методология минералогии. Тез. докл. Всесоюз. совещ. Сыктывкар, 1985. С. 5–7.
  18. Шарапов И. П.О законах минералогии // Теория минералогии. Л.: Наука, 1988. С. 22–27.
  19. Шарапов И. П.Метагеология. Некоторые проблемы. М.: Наука, 1989. 208 с.
  20. Юшкин Н. П.Теория и методы в минералогии. Л.: Наука, 1977. 291 с.
  21. Юшкин Н. П.Проблемы и пути развития минералогической теории // Теория минералогии. Л.: Наука, 1988. С. 4–10.
  22. Юшкин Н. П.Современная минералогия и новые тенденции ее развития // Новые идеи и концепции в минералогии. Матер. III международ. минерал. семинара. Сыктывкар, 2002. С. 8–9.