16302C
Титульный экран
1.4 Минералы и горные породы
Горные породы, слагающие земную кору, представляют собой агрегаты, сложенные теми или иными минералами.
Минералами называют сравнительно однородные по химическому составу соединения, образовавшиеся в результате сложных физико-химических процессов в недрах Земли или на ее поверхности. Минералы могут быть твердыми (кварц, роговая обманка), жидкими (самородная ртуть), и газообразными (сероводород, метан). Твердые, жидкие и газообразные минералы представлены на рисунке 1.2.
 |
 |
 |
|
а
|
б
|
в
|
|
Рисунок 1.2 – минералы: а – кварц, б – самородная ртуть, в – сероводород.
|
||
Подавляющее большинство твердых минералов являются кристаллическими образованиями и лишь незначительная их часть – аморфными (рисунок 1.3).
Рисунок 1.3 – аморфный минерал – опал.
Минералы, находящиеся в кристаллическом состоянии, в природе чаще всего встречаются в виде агрегатов (скоплений зерен) неправильной формы и значительно реже - в виде правильных многогранников – кристаллов. Размеры минеральных индивидов могут быть от больших, масса которых несколько тонн (полевой шпат, кварц), до мельчайших зернышек, видимых только в микроскоп. Большинство минералов встречаются именно в виде мелких и мельчайших зернышек, образуя зернистую структуру магматических, осадочных и метаморфических горных пород.
В природе встречается около 7000 минералов и их разновидностей (КаталогМинералов.RU).
Большинство минералов встречается редко, чуть более 100 минералов встречаются часто и в большом количестве. Они входят в состав тех или иных горных пород. Такие минералы называют породообразующими. Каждый из них имеет определенное строение и обладает присущим ему комплексом физических свойств (твердость, удельный вес, спайность, магнитность и др.), влияющих на инженерно-геологические (строительные) свойства горных пород геологической среды.
Условия, в которых образуются минералы, отличаются большим многообразием и сложностью. Различают три основных процесса минералообразования: эндогенный, экзогенный и метаморфический.
Эндогенный процесс связан с внутренними силами Земли и проявляется в ее недрах. Минералы формируются из магмы. Это плотные минералы, с большой твердостью, стойкие к воде, кислотам, щелочам.
Эндогенный процесс свойственен поверхности земной коры. Минералы формируются на суше и в море в процессе выветривания, выпадения химических осадков из водных растворов и за счет жизнедеятельности различных организмов. В большинстве случаев это минералы низкой твердости, активно взаимодействующие с водой или растворяющиеся в ней.
Метаморфический процесс образования минералов осуществляется под воздействием высоких температур и давлений, а также магматических газов и воды на некоторой глубине в земной коре. Происходит преобразование ранее образованных экзогенных минералов, которые, преобразуясь, приобретают прочность, плотность.
Видео 1.2 - Кристаллы и минералы Земли. Лучшая подборка:
Видеофильм 05 мин. 42 сек.
Из физических свойств минералов большое значение имеют в их диагностике оптические (прозрачность, цвет минерала и его черты, блеск) и механические (твердость, спайность) признаки.
Под прозрачностью понимается способность вещества пропускать сквозь себя свет. По степени прозрачности минералы, наблюдаемые в виде крупных кристаллов, подразделяются на группы: прозрачные, сквозь которые ясно видно изображение (горный хрусталь, прозрачный кальцит – исландский шпат); непрозрачные, не пропускающие свет даже в тонких обломках (пирит); полупрозрачные, сквозь которые предметы распознаются с трудом (гипс) (рисунок 1.4).
 |
 |
 |
|
Исландский шпат
|
Пирит
|
Гипс
|
|
а
|
б
|
в
|
|
Рисунок 1.4 – прозрачность минералов: а – прозрачные, б – непрозрачные, в – полупрозрачные.
|
||
Цвет (окраска) является важным диагностическим признаком минералов. Для многих минералов он строго постоянен. Минералы условно разделяют на светлые (кварц, кальцит, ортоклаз) и темные (роговая обманка, авгит, лабрадорит) (рисунок 1.5).
 |
 |
|
кальцит
|
роговая обманка
|
|
а
|
б
|
|
Рисунок 1.5 – цвет минералов: а – светлые, б - темные
|
|
Цвет черты - цвет тонкого слоя порошка минерала, остающегося на поверхности неглазурованной фарфоровой пластинки, если по ней провести минералом (рисунок 5). Цвет черты является надежным признаком по сравнению с окраской минералов. Цвет черты может соответствовать цвету минерала (черная черта у черного магнетита, красная – у красной киновари). Часто цвет черты отличается от окраски минерала (черная черта у латунно-желтого пирита и т. д.).
Блеск.
Отраженный от поверхности минерала свет создает его блеск, который зависит от показателя преломления минерала и практически не зависит от его окраски.
А. Г. Бетехтин чисто практическим путем по показателям преломления с учетом характера отражающей поверхности минералов выделил следующие градации интенсивности блеска минералов.
Стеклянный блеск является самым распространенным и напоминает блеск поверхности стекла. Свойственен минералам с показателем преломления 1,3 – 1,9 (силикаты) (рисунок 1.6 а).
Алмазный блеск искрящийся, выражается в переливающейся игре цветов. Характерен для минералов с показателем преломления 1,9 – 2,6 (алмаз, сфалерит) (рисунок 1.6 б).
Полуметаллический (металловидный) блеск напоминает, как бы потускневший металлический. Имеется у полупрозрачных и прозрачных минералов с показателем преломления от 2,6 до 3,0 (киноварь, гематит) (рисунок 1.6 в).
Металлический блеск характерен для непрозрачных минералов с показателями преломления выше 3 (пирит, галенит) (рисунок 1.6 г).
Жирный (смолистый) блеск наблюдается на куске каменной соли после ее пребывания во влажном воздухе, когда блестящая в свежем изломе поверхность тускнеет и как бы покрывается пленкой жира. Этим же блеском обладает нефелин на слегка выветренных поверхностях (рисунок 1.6 д).
Восковой блеск присущ поверхностям с более грубой неровностью (некоторые кремни) (рисунок 1.6 е).
Матовый блеск наблюдается у тонкопористых минералов (сухой каолин) (рисунок 1.6 ж).
Перламутровый блеск узнается по радужному переливанию цветов вследствие отражения лучей света от плоскостей спайности. Характерен для минералов с весьма совершенной спайностью (мусковит, пластинчатый гипс) (рисунок 1.6 з).
Шелковистый блеск сходен с блеском шелкового волокна. Наблюдается у минералов с параллельным волокнистым строением (асбест, волокнистый гипс) (рисунок 1.6 и).
 |
 |
 |
|
ортоклаз
|
алмаз
|
гематит
|
|
а
|
б
|
в
|
 |
 |
 |
|
пирит
|
нефелин
|
опал
|
|
г
|
д
|
е
|
 |
 |
 |
|
каолинит
|
мусковит
|
гипс
|
|
ж
|
з
|
и
|
|
Рисунок 1.6 – разновидности блеска минералов: а - стеклянный, б – алмазный,
в – полуметаллический, г – металлический, д – жирный, е – восковой, ж – матовый,
з – перламутровый, и – шелковистый.
|
||
Следует помнить, что многие минералы одного и того же состава вследствие особенностей их внутреннего строения могут иметь различный блеск.
Твердость.
Под твердостью минералов понимается их способность сопротивляться внешним механическим воздействиям, в частности царапанью.
Для оценки твердости минералов применяется шкала Мооса, в которую входят десять минералов, твердость которых взята в условных единицах (таблица 1.2).
Таблица 1.2
|
Минерал
|
Твердость
|
Минерал
|
Твердость
|
|
Тальк
Гипс
Кальцит
Флюорит
Апатит
|
1
2
3
4
5
|
Полевой шпат
Кварц
Топаз
Корунд
Алмаз
|
6
7
8
9
10
|
Твердость исследуемого минерала определяется путем установления, какой из эталонных минералов он царапает последним.
Твердость порошкообразных минералов определяется путем натирания поверхности эталона порошком испытуемого минерала.
Твердость минералов можно приблизительно определить и не имея шкалы Мооса. Так, минералы с твердостью 1-2 чертятся ногтем (мягкие минералы), с твердостью 3-5 (минералы средней твердости) - не царапаются ногтем и сами не царапают стекло, с твердостью 6-7 (твердые минералы) – царапают стекло, но не царапают кварц, с твердостью 8-10 (очень твердые минералы) – царапают кварц.
Спайность.
Спайностью называют способность кристаллов минералов раскалываться или расщепляться по определенным кристаллографическим направлениям с образованием гладких ровных блестящих поверхностей. Раскол происходит параллельно плоским сеткам пространственной решетки, между которыми действуют наиболее слабые силы связи. Для спайности определяются степень совершенства и простая форма, по которой кристалл раскалывается.
По степени совершенства выделяют следующие виды спайности:
- весьма совершенная – кристаллы минералов легко расщепляются руками на пластинки или листочки (слюды, хлорит);
- совершенная – кристаллы раскалываются на обломки, ограниченные плоскостями спайности, причем отбитые куски внешне напоминают кристаллы (галит, кальцит);
- средняя (ясная) – кристаллы раскалываются на обломки, ограниченные как плоскостями спайности, так и неровными поверхностями излома по случайным направлениям (пироксены);
- несовершенная – спайности почти не наблюдается, при раскалывании образуется главным образом неправильные поверхности излома (апатит, гематит);
- весьма несовершенная – спайность отсутствует, при ударе кристалл раскалывается по случайным направлениям и дает неправильные поверхности излома (кварц, пирит).
В зависимости от той простой формы, по которой проходят плоскости спайности, кристаллы могут раскалываться по нескольким направлениям:
- одному направлению, соответствующему пинакоиду;
- двум – призме ромбической или тетрагональной, двум пинакоидам;
- трем – призме тригональной или гексагональной, кубу или ромбоэдру, трем пинакоидам;
- четырем – октаэдру;
- шести – ромбододекаэдру.
 |
 |
 |
|
биотит
|
галит
|
апатит
|
|
а
|
б
|
в
|
|
|
 |
|
|
|
кварц
|
|
|
|
г
|
|
|
Рисунок 1.7 – разновидности спайности минералов: а – весьма совершенная,
б – совершенная, г - отсутствует
|
||
Прозрачность – способность минералов пропускать свет. Выделяют три группы минералов: прозрачные (кварц, мусковит), полупрозрачные (гипс, халцедон) и непрозрачные (пирит).
Наиболее распространенной является химическая классификация минералов:
Силикаты – наиболее многочисленный класс, включающий до 800 минералов, являющихся основной составной частью большинства магматических и метаморфических пород. Среди силикатов выделяют группы минералов, характеризующиеся некоторой общностью состава и строения, – полевые шпаты, пироксены, амфиболы, слюды, а также оливин, тальк, хлориты и глинистые минералы. Все они по своему составу алюмосиликаты.
Оксиды и гидроксиды. Эти два класса объединяют около 200 минералов, на их долю приходится до 17 % всей массы земной коры. Наибольшее распространение имеют кварц, опал и лимонит.
Карбонаты. К ним относятся более 80 минералов. Наиболее распространены кальцит, магнезит, доломит. Происхождение в основном экзогенное и связано с водными растворами. В контакте с водой они немного снижают свою механическую прочность, хотя и слабо, но растворяются в воде, разрушаются в кислотах.
Сульфаты. Этот класс объединяет до 260 минералов, происхождение которых связано с водными растворами. Характеризуются небольшой твердостью, светлой окраской. Сравнительно хорошо растворяются в воде. Наибольшее распространение имеют гипс и ангидрит. При соприкосновении с водой ангидрит переходит в гипс, увеличиваясь в объеме до 33 %.
Сульфиды насчитывают до 200 минералов. Типичный представитель пирит. Сульфиды в зоне выветривания разрушаются, поэтому их примесь снижает качество строительных материалов.
Галоиды содержат около 100 минералов. Происхождение связано в основном с водными растворами. Наибольшее распространение имеет галит. Может быть составной частью осадочных пород, легко растворяется в воде.
Минералы классов фосфатов, вольфраматов и самородных элементов встречаются гораздо реже, чем другие.
Существуют и другие классификации минералов.