Понятие о минералах

Материалы для самостоятельного изучения

Тема 1

ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Понятие о минералах, их классификация и физические свойства. Основные почвообразующие минералы.

Горные породы, их состав и свойства: химический и минералогический состав, структура и текстура. Классификация горных пород. Магматические горные породы – глубинные (интрузивные) и излившиеся (эффузивные); ультракислые, кислые, средние, основные и ультраосновные. Метаморфические горные породы и их основные разновидности. Осадочные горные породы: обломочные, глинистые, хемогенные и биогенные. Основные почвообразующие породы. Понятие об агрорудах.

МИНЕРАЛЫ

ПОНЯТИЕ О МИНЕРАЛАХ

В составе земной коры определены почти все известные химические элементы. Наиболее часто встречаются 9 элементов (О, Si, Al, Fe, Са, Na, К, Mg, Ti), на долю которых приходится более 99% всей массы коры. Большинство элементов находятся в форме различных, иногда очень сложных химических соединений, называемых минералами, скопления которых составляют горные породы. Изучением минералов занимается особый раздел геологии – минералогия.

Минералами называют природные химические соединения или самородные элементы, образующиеся в результате разнообразных физико-химических процессов, происходящих в земной коре и на ее поверхности.

В настоящее время в природе известно более 2500 минералов. Большинство из них находится в твердом состоянии и лишь немногие - в жидком (вода, ртуть) или газообразном (сероводород, углекислый газ, метан). Разные минералы имеют неодинаковое распространение. Некоторые минералы дают большие самостоятельные скопления (апа­титы, фосфориты, каменная соль, сера, магнетит и др.) и называются рудными минералами. Другие минералы встречаются в земной коре в рассеянном виде (золото, алмаз, платина и др.) и называются редкими. Наибольшее распространение получили всего несколько десятков минералов, которые слагают главную массу горных пород и называются породообразующими, К ним относятся полевые шпаты, кварц, слюды, амфиболы, пироксены, глинистые минералы, кальцит и др. Многие горные породы, главным образом осадочного происхождения, являются материальной основой для формирования почв. Минералы, входящие в состав почв, определяют их минералогический состав и являются почвообразующими. В целом, минералы составляют до 90-98% массы почвы и оказывают существенное влияние на ряд ее физических и химических свойств, во многом определяя уровень поч­венного плодородия.

Минералы также имеют большое народно-хозяйственное значение:

1. Являются агрономическими рудами для производства минеральных удобрений (сильвин, сильвинит, доломит, апатит и др.), средств химической защиты растений (сера) и химической мелиорации почв, т.е. известкование (доломит, кальцит) и гипсование (гипс).

2. Являются рудой на металл (боксит, гематит, пиролюзит и др.).

3. Являются прекрасным строительным, облицовочным и поделочным материалом (микроклин, альбит, лабрадор).

4. Применяют в стекольной и керамической промышленности (альбит, мирабилит).

Твердые минералы находятся в земной коре преимущественно в кристаллическом состоянии, и лишь незначительная часть (около 2%)-в аморфном. В кристаллическом минерале атомы или ионы, благодаря наличию кристаллической решетки, расположены в строго определенном для данного вещества порядке.

Различают следующие виды кристаллических решеток:

1) атомные – в узлах решетки находятся атомы (характерны для алмаза, графита, серы, меди);

2) ионные – в узлах решетки расположены ионы (галит, пирит, глинистые минералы);

3) молекулярные – в узлах решетки находятся молекулы (характерны для органических веществ).

В аморфном минерале закономерность в расположении частиц от­сутствует. Различия во внутреннем строении кристаллических и аморфных минералов обусловливают различия в их свойствах. Свойства кристаллических минеральных тел зависят от их химического состава и характера расположения элементарных частиц.. В природе известны случаи, когда одинаковое по составу химическое вещество имеет различное строение кристаллической решетки, следовательно, и разные свойства. Такое явление называется полиморфизмом. Например, алмаз и графит, пирит и марказит, кальцит и арагонит представляют собой две модификации соответственно углерода, дисульфида железа и карбоната кальция.

Для кристаллического состояния вещества характерна анизотропность, или неравносвойственность, которая проявляется в том, что с изменением направления в кристалле меняются его свойства - величина электропроводности, окраска, твердость, спайность и др. Анизотропность обусловлена тем, что в различных направлениях расстояния между элементарными частицами и характер связи между ними различны. Отсюда различны и свойства кристалла в разных направлениях. Пример анизотропности: пластина слюды легко расщепляется на тонкие листочки только вдоль определенной плоскости, так как параллельно этой плоскости силы сцепления между частицами слюды меньше.

Аморфные вещества являются изотропными, поскольку их физические свойства определяются только химическим составом и остаются неизменными во всех направлениях.

Однако при наличии анизотропности кристаллические вещества сохраняют однородность – любой осколок кристалла обладает теми же свойствами, что и весь кристалл.

Многие кристаллические минералы обладают способностью к самоогранению _, т.е. к образованию природных правильных многогранников (кристаллов), имеющих характерные элементы огранения: 1) грани - плоскости, ограничивающие кристаллы; 2) ребра -линии пересечения граней; 3) гранные углы - углы между гранями кристалла; 4) вершины - точки пересечения ребер.

Для всех кристаллов одного и того же вещества углы между соот­ветствующими гранями одинаковы и постоянны. Это свойство носит название закона постоянства гранных углов, который является одним из важнейших законов кристаллографии. По значению гранных углов можно определить любой минерал.

Совокупность процессов образования минералов в земной коре называется генезисом. Каждый минерал устойчив в определенных термодинамических условиях, при изменении которых он разрушается и переходит в новое устойчивое в измененных условиях состояние. Условия, в которых минералы образуются в природе, отличаются большим разнообразием и сложностью. Все многочисленные процессы минералообразования можно объединить в три группы: эндогенные, экзогенные и метаморфические.

Эндогенные процессы минералообразования. Эндогенные, или глубинные, процессы генезиса минералов обусловлены внутренними силами Земли и связаны с магматической деятельностью. Необходимая энергия освобождается, главным образом, в результате распада радиоактивных элементов с накоплением тепла. При достижении температур свыше 1000°С на глубинах 60–200 км вещество Земли расплавляется с образованием магмы. Магма представляет собой природный глубинный поликомпонентный раствор-расплав, содержащий различные элементы, их оксиды и летучие компоненты (, С1, Н₂0, С0₂ и др.). Из эндогенных процессов ведущую роль играют следующие:

магматический – происходит по мере охлаждения магмы в глубоких слоях Земли при расщеплении, или дифференциации, магматического расплава с последующей его кристаллизацией и затвердеванием. Минералы магматического происхождения – кварц, оливин, авгит, роговая обманка, полевые шпаты, магнетит и др.;

пегматитовый – происходит при дальнейшем остывании магмы в верхней части магматического очага. Магматический расплав теряет часть летучих компонентов и под давлением газов выдавливается в трещины вмещающих пород, где происходит его кристаллизация. Представители минералов пегматитового генезиса – кварц, полевые шпаты, слюды, драгоценные камни;

пневматолитовый - связан с выделением минералов непосредственно из газовой фазы, порождаемой охлаждающимся магматическим очагом. Образование минералов может происходить как в результате возгонки, так и в результате воздействия газов на ранее существовавшие минералы. Так образуются самородная сера, некоторые сульфиды и сульфаты, борные соединения;

гидротермальный - охватывает все явления образования минералов из нагретых водных растворов, циркулирующих вблизи магматического очага в трещинах и пустотах горных пород. Таким путем образуются полиминеральные жилы, содержащие кварц, пирит, халькопирит, галенит, сфалерит, киноварь, аурипигмент, золото, серебро и другие ценные рудные минералы.

Минералы эндогенного генезиса – типичные первичные породооб­разующие минералы. Многие из них входят в состав различных маг­матических горных пород.

Экзогенные процессы минералообразования. Экзогенный генезис минералов происходит вблизи или на поверхности Земли и включает:

образование минералов в результате выветривания – под действием многочисленных факторов (кислорода, углекислого газа, воды, водных растворов, температуры, солнечной энергии и др.) первичные минералы подвергаются влиянию различных химических преобразований (растворение, гидролиз, гидратация, окисление и др.) и из них образуются новые, более устойчивые в условиях земной поверхности минералы. Такой генезис минералов в результате их изменения в коре выветривания и биосфере носит название гипергенный. Так образуются комплекс глинистых минералов (каолинит, монтмориллонит, гидрослюды и др.) и разнообразные химические соединения типа сульфатов, карбонатов, оксидов и гидрооксидов.

осадочные процессы минералообразования – образование осадочных минералов происходит в результате кристаллизации и осаждения минеральных солей на дне морей, озер и мелководных лагун в периоды интенсивного испарения воды или изменения ее температуры, когда раствор становится пересыщенным. Осадочное происхождение имеют галит, сильвин, карналлит, гипс, мирабилит и др.

биогенные процессы минералообразования – многочисленные морские и наземные растительные и животные организмы в процессе своей жизнедеятельности накапливают значительные количества углекислого кальция, кремнезема, фосфатных и железосодержащих соединений. После их отмирания образуются скопления биогенных минералов - кальцита, опала, бурых железняков, фосфоритов и др.

Минералы экзогенного генезиса – типичные вторичные породо­образующие и входят в состав разнообразных осадочных горных пород.

Метаморфические процессы минералообразования. Эти процессы заключаются в глубоком преобразовании ранее сформировавшихся первичных и вторичных минералов вследствие изменения физико-химических условий (температуры, давления и концентрации химически-активных компонентов) их зарождения. При этом претерпевают изменения как внешний облик, так и внутреннее строение минералов. При метаморфизме рост минералов происходит с большей скоростью в направлениях, перпендикулярных давлению. Поэтому для метаморфических минералов (слюда, тальк, хлориты, роговая обманка и др.) характерны пластинчатые, листовые, шестоватые, игольчатые формы.

Минералы метаморфического генезиса могут сформироваться как на больших глубинах в условиях последовательно увеличивающихся давлений и температур (прогрессивный метаморфизм), так и вблизи земной поверхности при последовательном уменьшении давлений и температур (регрессивный метаморфизм). Поэтому в зависимости от условий образования метаморфические минералы могут быть первичными и вторичными. Эти минералы входят в состав разнообразных метаморфических горных пород.

Наиболее простым методом определения минералов является метод определения по их диагностическим признакам, которые можно наблюдать невооруженным глазом, без применения специальных приборов и приспособлений.

Каждый минерал имеет определенные морфологические (внешние) признаки и физические свойства, которые обусловлены условиями образования, химическим составом и особенностями кристаллического строения. Морфологическими признаками являются внешний вид (облик) минерала и форма его нахождения в природе. К физическим свойствам относятся: цвет минерала и цвет черты, прозрачность, блеск, твердость, спайность, излом, плотность, а для отдельных минералов - магнитность, побежалость, иризация, вкус, растворимость в воде, запах, вскипание от кислоты и др.

Некоторые признаки и свойства минералов являются постоянными (твердость), другие (окраска, блеск) – могут меняться. Поэтому необходимо изучать в каждом случае всю совокупность морфологических признаков и физических свойств. Изучение важнейших диагностических признаков минералов производится с помощью эталонных коллекций, шкалы твердости, фарфоровой неглазурованной пластинки, магнита, 5%-ного раствора НС1.

Среди минералов выделяют три группы, обладающие характерным обликом, или габитусом, кристаллов:

1) изометрические формы – масса минерала одинаково развита по всем трем направлениям – магнетит, пирит, гранат;

2) формы, удлиненные в одном направлении – призматические, столбчатые, игольчатые, шестоватые, волокнистые – кварц, роговая обманка, гипс, асбест;

3) формы, вытянутые в двух направлениях при сохранении третьего короткого, – таблитчатые, пластинчатые, листоватые и чешуйчатые кристаллы - мусковит, тальк, хлорит и др.

Внешний вид минералов не является их основным признаком, так как одни и те же минералы в зависимости от условий их образования могут иметь различный облик. Такие минералы, как кварц, кальцит и некоторые другие в различных природных условиях могут образовывать кристаллы различной формы.

Для определения внешнего вида минералов необходимо хорошо изучить учебную коллекцию, а затем, сравнивая с ней полученные от преподавателя образцы минералов, определить их внешний вид.

С внешним видом минералов тесно связана форма нахождения их в природе. Минералы встречаются в виде единичных кристаллов, их агрегатов, в виде натечных форм, вкраплений в породу и др.

Единичные кристаллы встречаются довольно редко и могут иметь различный размер (от одного-двух миллиметров до нескольких метров) и характерные формы в виде куба, призмы, тетраэдра, ромбоэдра, октаэдра и др. В такой форме в природе встречаются алмаз, кварц, пирит, галит, кальцит и другие минералы.

Сростки единичных кристаллов (двойники и тройники) представляют взаимное срастание хорошо оформленных двух-трех кристаллов минерала. Очень часто такие формы образуют гипс, галит, ортоклаз, горный хрусталь.

В природе отдельные кристаллы и их единичные сростки встречаются довольно редко. Гораздо чаще наблюдаются агрегаты минеральных зерен, характер которых зависит, главным образом, от условий образования.

Сростки множества кристаллов или минеральные агрегаты возникают при срастании большого числа кристаллов, часто различных не только по размеру, но и по форме. Различают:

1) зернисто-кристаллическиеагрегаты, они являются самой распространенной формой, при этом в сплошной массе минерального агрегата видны отдельные зерна минерала. Характерна для апатита, каменной соли, гипса, авгита, сильвина, карналита и др.;

2) плотные скрытокристаллические агрегаты, которые харак­теризуются тем, что зерна кристаллов в них можно различить только в микроскоп. Внешне они представляют собой однородную массу с гладкой на ощупь поверхностью. Плотные массы образуют магнезит, доломит, оливин, кварц, магнетит;

3) землистые агрегаты, которые состоят из мелких рыхло упакованных кристаллических или аморфных минералов, легко рассыпающихся на комочки - каолинит, лимонит, боксит;

4) щетки – большое количество хорошо выраженных кристаллов, более или менее одинаковых по высоте и направлению, наросших на плоскую поверхность, – кварц, горный хрусталь, галит;

5) друзы – группа кристаллов, разных по высоте и ориентации, наросших на выпуклую или плоскую поверхность, - кварц, кальцит, гипс, альбит, магнетит;

6) секреции - группа кристаллов, нарастающих на стенки пустот, постепенно заполняя их от периферии к центру. Среди секреций выделяют: а) м и н д а л и н ы - секреции небольшого размера (до 10 мм в поперечнике); б) ж е о д ы - крупные (более 10 мм) секреции. Секреции обычно имеют концентрически -слоистое строение, часто с пустотой в центре. Минералами, образующими секреции, являются сера, кварц, гипс, аметист;

7) конкреции - сростки кристаллов шарообразной формы с радиально-лучистым внутренним строением, образующиеся при отложении минерального вещества вокруг какого-либо центра кристаллизации –фосфорит, пирит, гипс;

8) оолиты - мелкие (до 10-20 мм в поперечнике), округлые обра­зования концентрического строения, возникающие при выпадении минерального вещества в водной подвижной среде – опал, фосфорит и др.

Натечные образования - минеральные агрегаты со скорлуповато-концентрическим или радиально-лучистым внутренним строением, образующиеся в пустотах при выпадении кристаллических зерен из медленно испаряющихся растворов. Часто они имеют причудливые очертания: а) б у г о р ч а т ы е – лимонит; б) о ч к о в и д н ы е – ма­лахит; в) с т а л а к т и т о в ы е и с т а л а г м и т о в ы е (сосулькообразные) – кальцит.

Вкрапления в породу представляют собой кристаллы минерала, включенные в какую-либо горную породу. Например, вкрапление пирита в глине, серы в известняке.

Корочки, налеты, выцветы, примазки встречаются на поверхности и в толще почвообразующих пород и почв, на стенках трещин, на дне высохших водоемов в виде тонких пластинок минералов, обра зующихся при их выпадении из испаряющейся воды, - галит, мирабилит, сода, гипс, кальцит и др.

Дендриты - скелетные кристаллы (часто гидрооксидов марганца), образующиеся при быстрой кристаллизации минералов на стенках тонких ветвящихся трещин в плотных породах и напоминающие по виду морозный рисунок на окнах или отпечатки мелких веточек папоротника или мха.

Псевдоморфозы (ложные формы) образуются при заполнении или замещении минеральным веществом кристаллов другого минерала (псевдоморфозы лимонита по пириту, кварца по кальциту) или корней, стеблей, древесной части растений, животных организмов.

Формы нахождения минералов в природе зависят от условий их образования, поэтому один и тот же минерал может существовать в разных формах. Особенно это характерно для гипса, кварца, пирита и др. Для определения форм нахождения минерала в природе нужна учебная коллекция, которую необходимо вначале изучить, затем путем сравнения определить все формы на минералах, полученных от преподавателя.

Дата добавления: 2015-07-14