При высоких значениях температуры в кристаллическую решетку минералов может входить большое число изоморфных примесей и в большем количестве, чем при низких. Распад высокотемпературных изоморфных соединений происходит при более низких температурах: например, распад частично изоморфной смеси калинатровых полевых шпатов на KAlSi3O8 и NaAlSi3O8 при понижении температуры. Высокотемпературные генерации минералов, область кристаллизации которых охватывает значительный температурный интервал, обладают большим числом примесей по сравнению с низкотемпературными, как правило, являющимися более чистыми. Это явление А. Е. Ферсман назвал автолизацией (самоочисткой).
В. И. Вернадский писал, что в каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности по мере увеличения тонкости наших исследований мы открываем все новые и новые элементы. Рассеяние атомов элементов характерно не только для газов или водных растворов, но и для твердого вещества, системы кристаллических решеток. Рассеяние имеет свои пределы, различные для разных элементов, и зависит от особенностей строения атомов и от внешних термодинамических условий. Для так называемых «малых» или «редких» элементов частичный изоморфизм является единственной формой нахождения в природе в связи с незначительной их распространенностью. Основная часть их атомов, если не исключительно все, находится в земной коре в состоянии рассеяния. Это, во-первых, типичные элементы рассеяния Sc, Ga, Hf, In, Rb, Вr, I, во-вторых, радиоактивные элементы.
Значительная часть довольно распространенных и редких элементов тоже находится в состоянии рассеяния. Так, значительная часть иттрия и редких земель находится в апатите, сфене и флюорите, изоморфно замещая кальций; трехвалентиый ванадий замещает в магнетите окисное железо; селен — серу в пирите. Одни и те же химические элементы могут образовывать самостоятельные минеральные виды, изоморфно замещать другие элементы в кристаллических решетках и находиться в состоянии рассеяния, например TR, Be, Mg, Fe, Al, Nb, Та, V, Th.
В процессе накопления осадков, при тектонических нарушениях в земной коре и движении магмы образуются определенные группы месторождений. Закономерности размещения элементов приводят к совместному нахождению определенных минералов и горных пород, возникшему в результате одновременного или последовательного образования, — парагенезису.
Парагенезис имеет большое значение для поисково-разведочных работ и оценки месторождений полезных ископаемых. Если в дунитах, например, встречен хромит, то возможно нахождение в них и платины. Если габбро содержит пирротин FeSn и халькопирит CuFeS2, то в них может присутствовать и пентландит (Fe, Ni)9Ss. В гранитных пегматитах, содержащих кристаллы литиевого минерала сподумена, следует искать касситерит SnO2. В месторождениях прожилково-вкрапленных руд наряду с сульфидами меди может находиться в промышленных количествах молибденит. В колчеданных пиритных рудах, помимо основных промышленных элементов Си, Au, Ag, S, постоянно присутствуют Zn, Cd, As и др., поэтому необходима комплексная переработка таких руд. Для латеритов характерно наличие в железной руде цепных примесей — никеля и хрома, позволяющих использовать их как природно-легированные руды.
Люди и камни
В камне есть своя жизнь, темная и неисследованная, проявляющаяся в форме кристаллизации, в сопутствии известным горным породам, в антипатии к другим, в отношениях к свету, электричеству и химическим реагентам… Мертвая земля смотрит на человека этими цветными глазами, говорящими о тайниках скрытой в ней жизни. Это — «последняя улыбка» цепенеющей в мертвом холоде неорганизованной природы…
Каменный век и 100 000 лет спустя
В эпоху древнего каменного века — палеолита — использовались 13 видов различных минералов и горных пород. Полмиллиона лет назад первым полезным минералом стал кварцит, из которого вытачивались топоры и наконечники для копий. Остатки примитивных орудий из кварцита найдены археологами на стоянках синантропов и питекантропов. Использовались не только камни, найденные в осыпях скал, но и кремниевые желваки, добытые из меловых и известняковых отложений. Сами известняки стали первым строительным материалом. Нашли применение песок, глина, базальт, каменная соль.
В бронзовом веке человеку стали известны медь и золото, а также нефрит и некоторые цветные камни.
В период 3500–3000 лет до нашей эры велась широкая мировая торговля драгоценными камнями, она охватывала Вавилон, Ассирию, Индию и Египет. Египтяне искали и высоко ценили различные самоцветы, особенно синие и голубые, например ляпис-лазурь, бирюзу. В то время снаряжались целые геологоразведочные экспедиции. Одну из них (египетскую, в Синай за бирюзой) возглавлял первый в истории «геолог-разведчик» и мореплаватель Гароэрис. Разведочные работы того времени велись с большим размахом. Установлено, что египтяне прошли сотни разведочных шахт для добычи изумрудов на побережье Красного моря. Глубина некоторых шахт при этом превышала 200 м.
На территории Советского Союза древние разведчики, «рудознатцы», судя по раскопкам, открыли многие рудные районы, а также россыпи на Урале, в Казахстане, Средней Азии и Сибири.
Множество месторождений в предшествующие века обнаружено охотниками, скотоводами, пахарями, лесниками. Это относится прежде всего к давно разрабатываемым полезным ископаемым: железным, медным, оловянным, свинцовым, золотым, серебряным рудам, самоцветам, каменному углю, глинам, известнякам, пескам.
Некоторые из полезных ископаемых разрабатывались давно, как, например, олово в Корнуолле (Великобритания) и медь в Есиока (Япония), — за тысячу лет до нашей эры, а железо в Энгерлянде (ФРГ) — более чем за две тысячи лет.
Но и в недавнее время, уже в нашем веке, подобные открытия не редкость. Так, Карагандинское угольное месторождение было обнаружено пастухами-казахами. Они находили в степи черные блестящие камни и издавна знали их замечательное свойство — гореть в костре, давая тепло в холодные ночи.
Несметны и неисчерпаемы богатства Земли. Содержание в земной коре, считая до глубины 16 км, даже самого редкого элемента — радия — составляет 55,5 млн т, золота — около 500 млн т, меди — 2 000 000 млрд т. А таких элементов, как алюминий, железо, кальций, в недрах Земли содержится гораздо больше— сотни миллионов миллиардов тонн.
Однако использовать эти колоссальные богатства не так просто. Природа тщательно перемешала все элементы, соединила их друг с другом прочными физическими и химическими связями, одни оставила почти у поверхности Земли, другие запрятала глубоко в ее недра. Кислород по процентному содержанию составляет почти половину земной коры, по тот кислород, который содержится в горных породах, хотя и в количестве большем, чем в воздухе, связан с другими химическими элементами и непригоден для дыхания. Из алюминия, составляющего почти 8 % земной коры, нельзя сделать даже простой ложки, если не извлечь его из глип.
Однако природа сама помогла человеку освоить полезные ископаемые, сконцентрировав их в месторождениях. Почти все минералы могут образовывать более или менее крупные скопления — самородки золота и меди, кристаллы каменной соли, глыбы галенита, горы магнитного железняка. Их в первую очередь и использовали люди. К сожалению, сейчас все реже удается находить такие крупные образования ценных минералов, а потребность в минеральном сырье возрастает.
Приходится извлекать из земной коры все более и более сложно извлекаемые элементы. Полмиллиона лет назад кварцит стал первым полезным минералом, из которого изготовлялись топоры и наконечники для копий. Всего лишь три века назад люди использовали только девятнадцать элементов из девяноста, имеющихся в природе. Ныне используются почти все элементы, притом в огромных количествах.