Основы общей и инженерной геологии. Лекции

ТЕМА  2.

Основные породообразующие минералы.

2.1. Происхождение, физические свойства, шкала твердости минералов

2.2. Классификация по химическому составу. Характеристика основных породообразующих минералов.  

      2.1. Происхождение, физические свойства, шкала твердости минералов. 

      Минералами называются природные химические элементы, однородные по химическим и физическим свойствам, которые образуются в земной коре или на ее поверхности. Они являются составной частью горных пород, руд и других минеральных тел, слагающих земную кору. В земной коре более 7000 минералов и их разновидностей.

      Большая часть минералов встречается  очень редко и только некоторые  из них (около 50-ти) составляют основную массу пород, руд и различных  минеральных тел. Их называют породообразующими (кварц, полевые шпаты,  глинистые минералы, карбонаты, сульфаты, пироксены, амфиболы). Это твердые минералы, но есть и жидкие – ртуть, вода, нефть (условно), и газообразные – углекислый газ СО₂ и другие газы. Каждый минерал - продукт (результат) определенного геологического процесса и может существовать только при определенных условиях. При изменении условий минералы либо разрушаются, либо видоизменяются.

   Происхождение минералов. По условиям образования все минералы делятся на три группы: магматические, экзогенные (осадочные) и метаморфические.

   При остывании магмы (силикатного огненно-жидкого  расплава с температурой 1200-1300⁰С) образуются магматические породообразующие минералы (кварц, полевые шпаты, слюды и др.). Они стойкие к воде, щелочам и кислотам, плотные и обычно с большой твердостью.

   Экзогенные минералы образуются на поверхности Земли за счет разрушения магматических пород и минералов. Глинистые минералы образуются в процессе выветривания магматических минералов (полевых шпатов, слюд). Некоторые минералы выпадают в виде солей в водах морей и озер (галит NaCl, сильвин KCl, мирабилит Na₂SO₄, кальцит CaCO₃), или за счет жизнедеятельности различных организмов (кальцит, опал).

   Метаморфические (видоизмененные) минералы образуются на некоторой глубине в земной коре (≈ 6-10 км) из магматических и осадочных (экзогенных) пород и минералов. Здесь под воздействием высоких температур и давлений происходит преобразование (метаморфизм) ранее образованных осадочных и магматических минералов. Без расплавления вещества, с участием магматических газов и паров воды происходит перекристаллизация вещества: известняки переходят в мраморы, уголь - в графит, гранит – в гнейс, глина – в сланец.

   В земной коре преобладают (88,4%) магматические минералы и породы (гранит, базальт, диорит, трахит и др.). Метаморфические породы составляют 7%, а осадочные – 4,6%. Но на поверхности Земли преобладают осадочные породы (65-70%). Строители обычно имеют дело с осадочными породами, которые принято называть грунтами.

   Физические  свойства минералов. Каждый минерал имеет определенный химический состав и обладает только ему присущими физическими и химическими свойствами. По этим свойствам производится диагностика минералов. Основные физические свойства:

   1. Цвет (окраска) – разнообразная и не всегда устойчивая, т.к. зависит от примесей. Устойчивый цвет имеют: желтый – сера S, золото Au, пирит FeS₂, аурипигмент As₂S₃; бурый (ржавый) – бурый железняк Fe₂O₃; красный – киноварь HgS; зеленый – малахит Cu₂(OH)₂CO₃ и другие медные минералы; бесцветные (белые) – поваренная соль (галит NaCl), кварц SiO₂– горный хрусталь, лед H₂O. Из-за примесей кварц может быть фиолетовым (аметист), черным (морион), дымчатым (раухтопаз), желтым (цитрин), зеленым (празем), буро-красным (авантюрин) и др.

   Многие  минералы в растертом состоянии имеют другой цвет. Для этого определяют цвет черты царапанием по неглазурированной фарфоровой поверхности. Цвет черты более постоянный, чем цвет самого минерала. Многие окрашенные минералы имеют белый цвет черты.

   2. Блеск создается отраженными лучами, зависит от показателя преломления минерала. Различают: стеклянный блеск – лед, кварц, кальцит, корунд, ортоклаз, флюорит (с показателем преломления (n=1,3-1,9); алмазный – алмаз, сера (n=1,9-2,6); полуметаллический – гематит, киноварь (n=2,6-3,0) и металлический - молибденит – более n=3,0.

   3. Прозрачность – способность пропускать свет. Различают три группы минералов по прозрачности: прозрачные (кварц, мусковит), полупрозрачные (гипс, халцедон, кальцит), непрозрачные (графит, пирит и мн.др.).

   4. Твердость – сопротивление механическому воздействию (истиранию, царапанию, удару, раздавливанию и т. д.). Немецкий минералог Моос предложил условную 10-тибалльную шкалу твердости из 10-ти минералов: тальк -1, гипс - 2, кальцит - 3, флюорит - 4, апатит - 5, ортоклаз - 6, кварц - 7, топаз - 8, корунд - 9, алмаз - 10. Истинная твердость, которую определяют на специальных приборах (склерометрах-микротвердомерах) по отпечатку алмазной пирамиды, существенно отличается от числа твердости Мооса (табл.2.1).

     Таблица 2.1 - Твердость минералов 

   Для сведения: твердость графита – 1, ногтя - 2,5, медной монеты – 3, стекла - 5-5,5, стального ножа – 5,5-6.

   5. Спайность – способность некоторых минералов раскалываться или расщепляться по определенным направлениям с образованием гладких (зеркальных) поверхностей, называемых плоскостями спайности. Спайность объясняется внутренним строением минералов. Различают пять разновидностей спайности: 1 - весьма совершенная (слюда, гипс), 2 - совершенная (кальцит, ортоклаз, каменная соль), 3 - несовершенная (полевые шпаты, роговая обманка), 4 – несовершенная (плоскости наблюдаются на отдельных небольших участках). 5 – весьма несовершенная (кварц, корунд) – спайность отсутствует, нет гладких поверхностей.

   6. Излом – характер поверхности, может быть ровный (для минералов с совершенной спайностью), неровный, занозистый (для волокнистых минералов типа асбеста), раковистый (кварц, обсидиан), землистый (каолинит и др.).

   7. Удельный вес (плотность) минералов изменяется от 0,6 (смола) и 0,9 г/см³ (лед) до 18-19 г/см³ (золото, платина) и 23,0 г/см³ (осмистый иридий). У наиболее распространенных минералов плотность 2,5- 3,0 г/см³. По плотности различают: легкие до 2,5 г/см³; средние – 2,5 - 2,8 г/см³ и тяжелые минералы – более 2,8 г/см³.

   Особые  свойства минералов: растворимость в воде (галит - соленый, сильвин -    горько-соленый); в кислотах (холодная соляная кислота растворяет кальцит, горячая – доломит). Породы, содержащие карбонаты (мрамор, мел, известняк, лесс), вскипают от соляной кислоты. Растворимые в воде соли имеют свой вкус. Специфический запах имеет сера и желваки фосфорита. Магнитными свойствами обладает магнитный железняк, а электропроводностью - некоторые рудные минералы.  

2.2. Классификация по химическому составу. Характеристика основных породообразующих минералов. 

  1. Самородные химические элементы находятся в природе в свободном состоянии (золото Au, серебро Ag, платина Pt, медь Cu, алмаз C, графит C, сера S).

  2. Окислы – корунд Al₂O₃, гематит (красный железняк, «кровавик» Fe₂O₃), лед, кварц.

  3. Гидроокислы – лимонит Fe₂O₃·nH₂O, опал SiO₂·H₂O.

  4. Сульфиды – пирит (серный, железный колчедан FeS₂) и его разновидности – марказит и халькопирит (медный колчедан CuFeS₂), галенит (свинцовый блеск PbS), сфалерит (цинковая обманка ZnS), киноварь HgS. 

  5. Галоиды - галит (каменная соль NaCl), сильвин KCl, флюорит CaF₂.

  6. Карбонаты - кальцит CaCO₃, магнезит MgCO₃, доломит CaCO₃·MgCO₃, сидерит (железный шпат FeCO₃).  

  7. Сульфаты - гипс CaSO₄·2H₂O, ангидрит CaSO₄, мирабилит (глауберова соль Na₂SO₄·10H₂O), барит (тяжелый шпат BaSO₄). При соприкосновении с водой ангидрит переходит в гипс, увеличиваясь в объеме до 33 %.

  8. Фосфаты - апатит, фосфорит. 

  9. Вольфрамиты - редкие минералы.

  10. Силикаты составляют 83 % массы земной коры и 33 % всех минералов. В их кристаллической решетке основу составляет кремнекислородный тетраэдр, в котором ион кремния Si⁴⁺ связан с четырьмя ионами кислорода. Остальные связи кислорода идут на соединение с другими ионам.   В зависимости от расположения  тетраэдров различают:

  - Островные силикаты, в которых тетраэдры связаны ионами металлов Mg²⁺, Fe²⁺ – оливин (Mg,Fe)₂SiO₄) оливково-зеленого цвета, один из главных минералов магматических основных и ультраосновных пород: плотность - 3,3-3,5 г/см³, твердость 6,5-7, температура плавления 1600 Сº.

  - Цепочечные силикаты. Их основная группа – пироксены, а основной минерал – авгит Ca(Mg, Fe, Al)(SiAl)₂O₆ имеет черные, зелено-черные  призматические кристаллы со стеклянным блеском, твердость 5-6,5, плотность 3,2-3,6 г/см³. Как и оливин, важный породообразующий минерал основных и ультраосновных пород. В зоне выветривания дает каолинит и лимонит.

  - Ленточные: амфиболы, основной минерал – роговая обманка Ca₂Na(Mg,Fe)₄(Al,Fe)₄((Al,Fe)(Si,Al)₄O₁₁)₂(OH)₂, цвет зеленый, бурый до черного; кристаллы удлиненные, призматические, игольчатой формы, излом занозистый, плотность 3,1-3,3 г/см³, твердость 5-6, происхождение – магматическое и метаморфическое, в поверхностных условиях превращается в карбонаты, лимонит, опал.

  - Слоистые силикаты, в которых кремнекислые тетраэдры связаны ионами К, Na, Ca, Al, OH. Если Al³⁺ замещает Si⁴⁺, минералы называются «алюмосиликатами». Между их слоями могут проникать молекулы воды. При выветривании эти минералы расщепляются на тончайшие листочки. К слоистым силикатам относятся: тальк, каолинит, монтмориллонит, слюды. Тальк – Mg₃(Si₄O₁₀)(OH)₂ - цвет бледно-зеленый или белый, твердость - 1, черта белая, спайность весьма совершенная, блеск стеклянный, плотность 2,7-2,8 г/см³, образуется при гидротермальном изменении ультраосновных пород, богатых Mg.

  - Глинистые минералы:

  Каолинит Al₄(Si₄O₁₀)(OH)₈ - белая, серовато-белая глина, жирная на ощупь («кау-линг» - белая гора в Китае), блеск матовый, твердость 1-2,5, плотность 2,6-2,63 г/см³. Образуется при химическом разложении полевых шпатов. Лучшая огнеупорная глина, основное сырье фарфоровой и фаянсовой промышленности, применяется в бумажной, текстильной, парфюмерной промышленности (бумага, линолеум, клеенка, сукно). Слабо набухает, усадка при сушке мала.