ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ МИНЕРАЛЫ И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ Вещество

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ

МИНЕРАЛЫ И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ Вещество, слагающее Земную кору, в геологии принято подразделять на минералы (от позднелат. minera - руда) и горные породы. Такое деление было предложено еще в первой половине XVI века немецким ученым и алхимиком Георгом Бауэром (1494 -1555), автором первых трактатов по горному делу. Бауэр, известный также под псевдонимом Агрикола, раздел минеральное царство на две группы: однородных тел, или минералов, и сложных минеральных тел - горных пород. Существуют разные трактовки содержания термина «минерал» . Согласно одной из них к минералам относят только твердые природные вещества неорганического происхождения, имеющие кристаллическую структуру, а также аморфные разности этих веществ. Более расширенная трактовка этого понятия, согласующаяся с точкой зрения крупнейшего авторитета в области геохимии академика В. И. Вернадского, предполагает отнесение к минералам всех природных твердых веществ (в том числе и органического происхождения) а также жидкостей и газов. Георг Бауэр (Агрикола) Труды по геологии и горному делу: "О происхождении и причинах того, что находится под землей", "О природе того, что вытекает из Земли", "О природе ископаемых", "О древних и новых металлах", "Двенадцать книг о металлах". Портрет Агриколы с сайта kanitz. onlinehome. de В. И. Вернадский (1863 -1945) крупнейший геохимик, основоположник биогеохимиии, создатель учения о биосере

Минерал - химический элемент или их соединение, образовавшееся в ходе естественных физико-химических процессов внутри Земли или на ее поверхности, примерно однородное по своему составу, свойствам и строению. Горная порода - природный агрегат (скопление, сросток кристаллов, обломков), одного или нескольких минералов, обладающий более или менее постоянным минералогическим и химическим составом. Термин минерал понимается как синонимом небольшого количества вещества образца. Большие массы минералов (пласты, слои, линзы) рассматриваются уже как мономинеральные породы. Науке известно около 4000 минералов, однако, в значительных количествах в горных породах слагающих Земную кору встречается лишь 30 -40 из них, так называемые породообразующие. Данное обстоятельство связано с тем, что основную массу Земной коры - 98% составляют всего 8 химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний; еще 12 составляют в основном оставшуюся часть. Устойчивые соединения этих элементов и образуют группу наиболее распространенных минералов. Распространение основных химических элементов в Земной коре (кларки).

Первые из известных классификаций минералов и горных пород, предложенные натурфилософами Древней Греции, Рима (Теофраст, Плиней), а также среднеазиатскими учеными (Авицена, Бируни) основывались на их физических и полезных свойствах. Соответственно, выделялись горючие, негорючие вещества, соли, руды, драгоценные камни и т. д. Современная систематика минералов, базирующейся на химическом принципе, в своих основах была разработана в первой половине ХIХ века шведским химиком Я. Берцелиусом и американским минерологом Дж. Дэна, и, впоследствии, развита работами многих ученых. С середины ХХ века в этой классификации стали использоваться кристаллохимический и структурный признаки (по структуре кристаллической решетки). Выделяют 4 класса минералов: Простые вещества ( «самородные элементы» ) – химические элементы в чистом виде; Оксиды – соединения элементов с кислородом или гидроксилом (ОН) Соли кислот; Силикаты. Внутри классов минералы также подразделяются на группы.

Класс - Простые вещества ( «самородные элементы» ). Этот класс включает в себя до 100 минералов, составляющих, считая газы атмосферы -0. 1% массы земной коры. Внутри класса выделяются две группы: самородные металлы - (платина, золото, серебро, ртуть, медь и др. ) и их природные сплавы; неметаллические вещества, состоящие из одного химического элемента – (алмаз, графит, сера и др. ). Минералы этого класса имеют различное происхождение. Алмаз и платина - магматическое; золото и серебро, как правило, гидротермальное глубинное, медь - приповерхностное; графит - магматическое или метаморфическое, сера – гипергенное (продукт разрушения гипса) или вулканическое (при конденсации паров в жерлах вулканов). Самородная медь и сера www. mineral -land. com Графит Фото: А. А. Евсеев

Название Графит Сера Хим. формула С S Твердость 1 1. 5 -2. 5 2. 2 2. 1 Удельный вес, г/см 3 Спайность весьма совершенная в одном направлении несовершенная Излом зернистый раковистый или неровный Цвет серый до черного светло-желтый Цвет черты черная, блестящая ярко-желтая Блеск металловидный (матовый) жирный Происхождение магматическое, метаморфическое При разложении гипса и сернистых соединений, вулканогенное Формы нахождения в природе плотные землистые или пластинчатые массы. вкрапления в породах, корки кристаллов Отличительные особенности Характерный блеск, пишет на бумаге, пачкает руки, жиркий на ощупь Цвет, загорается от спички, горит с серным запахом

Оксиды – соединения элементов с кислородом либо гидроокислом. Составляют порядка 17% массы земной коры, в том числе – 13% - кварц, – 3 -4% окислы железа). Класс включает около 200 минералов, многие из которых являются породообразующими. В классе выделяются группы: • Кремнеземов (оксидов кремния) кварц (Si. O 2) и его многочисленные кристаллические и скрытокристаллические разновидности – горный хрусталь, аметист, морион, раухтопаз, моховики, агаты, сердолики, ониксы, опалы, кремни, яшмы; • Оксидов железа: гематит (Fe 2 О 3), магнетит (Fe 3 О 4), лимонит (Fe 2 О 3*n. H 2 O), • Оксидов алюминия: корунд (Al 2 О 3), основная руда алюминия боксит (Al 2 О 3*n. H 2 O) и др. Оксиды образуются при магматических, метаморфических, гидротермальных процессах, окислении сульфидов и выветривании горных пород. Многие из них являются важнейшими рудами металлов, редкоземельных и радиоактивных элементов.

Кремнеземы: кварц – диоксид кремния (Si. O 2) и некоторые его разновидности. Часть из них имеет кристаллическое строение, часть скрытокристаллическое.

Кремнеземы: Опал – гидроксид кремнезема (Si. O 2·n. H 2 O), имеет аморфное строение.

Оксиды железа: гематит (Fe 2 O 3) магнетит (Fe 2 O 3 *Fe. O), лимонит (Fe 2 O 3 *n. H 2 O). Фото: http: //lithotherapy. ru/katalog 1/gematit. html,

Оксиды алюминия: корунд (Al 2 O 3) и его разновидности.

Название Кварц Хим. формула Корунд Магнетит Опал Si 02 Fe 203 x n. H 20 Al 203 Fe 2+Fe 23+04, (Fe 304) Si 02 x n. H 20 7 1 -6 9 5. 5 2. 6 Твердость Удельный вес, г/см 3 Спайность Лимонит 3. 6 -4 4 5. 2 1. 9 -2. 3 весьма несовершенная весьма несовершенная Излом Раковистый или неровный Неровный, землистый Мелкозернистый / нет неровный раковистый Цвет Белый, розовый, черный и др. Ржаво-желтый Серый, синий, малиновый Железо-черный Зеленоватосерый и др. Цвет черты нет Охристо-желтый нет черный нет Блеск стеклянный на гранях, жирный на изломе матовый Стеклянныйалмазный Полуметаллический Стекляный, жирный Происхождение Гидротермальное, магматическое осадочное Магматическое, Гидротермальное, метаморфическое Магматическое, метаморфическое Экзогенное Формы нахождения в природе Отличительные особенности Кристаллические массы, друзы, сростки Сплошные массы, натеки, конкреции Сплошные зернистые массы, кристаллы Кристаллы, вкрапления, руды (сплошные массы) Тонкие слои, линзы Твердость, отсутствие спайности, излом, форма кристаллов Цвет, цвет черты Твердость, форма кристаллов, рисунок на верхних гранях Сильно магнитен

Соли кислот: Сульфиды; Сульфаты; Карбонаты, Галогениды; Фосфаты и др.

Сульфиды и их аналоги – соединения металлов с серой, мышьяком, сурьмой, теллуром (соли сероводородной кислоты - Н 2 S). Класс включает около 200 минералов, составляющих по массе 0. 25% веса земной коры, причем, 3/4 этой массы приходится на два минерала – пирит (Fe. S 2) и, менее распространенный, родственный ему пирротин (Fe. S). Эти минералы могут иметь различное происхождение – магматическое, контактовометаморфическое, гипергенное, но чаще образуются при гидротермальных явлениях. Пирит используется преимущественно в производстве серной кислоты, может являться рудой меди и золота (если содержит их включения). Из других распространенных минералов этого класса следует отметить галенит (Pb. S) – основную руду свинца, халькозин (Cu 2 S) и халькопирит (Cu. Fe. S 2) – основные руды меди, сфалерит (Zn. S) – руду цинка, киноварь (Hg. S)- руду ртути, реальгар (As. S) и арсенопирит (Fe. As. S) – руды мышьяка, антимонит (Sb 2 S 3) – руду сурьмы, висмутин (Bi 2 S 3)- руду висмута, молибденит (Mo. S 2)- руду молибдена и др. Все эти минералы имеют преимущественно гидротермальное происхождение. Пирит, галенит, киноварь, арсенопирит. Фото: А. А. Евсеев

Название Пирит Галенит Хим. формула Fe. S 2 Pb. S Твердость 6 -6. 5 2. 5 -3 4. 9 -5. 2 7. 4 -7. 6 Удельный вес, г/см 3 Спайность Отсутствует Совершенная по кубу Излом неровный ступенчатый Цвет Латунно-желтый Свинцово-серый Цвет черты черный Блеск Металлический, очень яркий Происхождение Гидротермальное, магматическое, гипергенное Гидротермальное Формы нахождения в природе Сплошные зернистые Кристаллические массы, реже массы, агрегаты кристаллы Отличительные особенности Цвет черты, твердость, штриховка на гранях кристаллов Тяжелый, металлический блеск на свежем изломе

Галогениды - соединения металлов с галогенами (фтором, хлором, бромом и иодом). Класс включает около 100 минералов. Наиболее распространены соединения фтора и хлора, среди них флюорит, минерал гидротермального происхождения, использующийся в производстве плавиковой кислоты, галит (каменная соль) и сильвин (калийное удобрение) являющиеся химическими осадками морей и озер. Флюорит, галит, сильвин. Фото: 1 - Н. Пеков; 2, 3 – А. А. Евсеев

Название Галит Сильвин Флюорит Хим. формула Na. Cl KCl Ca. F 2 Твердость 2/5 2 4 Удельный вес, г/см 3 Спайность 2, 2 2 3, 1 -3, 2 Весьма совершенная по кубу Совершенная по октаэдру Излом нет раковистый Цвет Бесцветный, белый, розовый и др. Серый, розовый, белый и др. Фиолетовый, зеленый, часто полихромный Цвет черты белый Блеск Стеклянный Происхождение осадочное Осадочное, редко возгонка в почвах, вулканах Гидротермальное, реже пневматолитическое Формы нахождения в природе Сплошные зернистые массы, кристаллы Сплошные зернистые массы, редко кристаллы Кристаллы и кристаллические массы Отличительные особенности Соленый, растворяется в воде Горький, растворяется в воде Зональность окраски, оптические свойства

Карбонаты – соли угольной кислоты (Н 2 CО 3). Известно около 80 минералов составляющих по массе до 1. 7% веса земной коры. Происхождение их преимущественно гидротермальное, гипергенное или биогенное. Наиболее распространены карбонаты кальция и магния – кальцит (Ca. CO 3), арагонит и их разновидности, магнезит (Mg. CO 3), смитсонит (Zn. CO 3) доломит (Ca. Mg(CO 3)2), сидерит (Fe. CO 3). Из других карбонатов можно отметить соду – водный карбонат натрия и сложные безводные карбонаты меди - малахит и азурит, применяемые при производстве красок и как ценное поделочное сырье. Карбонаты преимущественно используются как руды железа, цинка, свинца, меди, строительный материал, флюсы, удобрения и т. д. Смитсонит, лазурит, малахит, магнезит.

Кальцит (Ca. CO 3).

Доломит (Ca. Mg(CO 3)2

Название Кальцит Хим. формула Доломит Са. СОз 3 Удельный вес, г/см 3 3, 5 -4 2, 7 Твердость Ca. Mg(C 03)2 2, 8 -2, 9 Спайность Совершенная в 3 -х направлениях Совершенная по ромбоэдру Излом Ступенчатый, неровный Цвет Белый, бело-серый и др. Серый, желтый Цвет черты белый Блеск Стеклянный, матовый стеклянный Происхождение Осадочное, гидротермальное Формы нахождения в природе Плотные кристаллические массы, кристаллы, натеки Сплошные кристаллические и землистые массы Отличительные особенности Реакция с соляной кислотой, спайность Реакция с соляной кислотой идет только в порошке

Бораты – соли борной кислоты. Известно около 40 минералов, наиболее распространенные из них являются преимущественно химическими осадками озер и продуктами их преобразования (бура, колеманит). Хроматы, молибдаты, вольфрамиты – соли родственных хромовой, молибденовой, вольфрамовой кислот. Минералы этой группы весьма немногочисленны и редки. Промышленное значение имеют вольфрамит (Fe. Mn. WO 4) и шеелит (Ca. WO 4) – руды вольфрама, имеющие глубинное происхождение.

Сульфаты – соли серной кислоты. Известно около 260 минералов, удельный вес которых в массе земной коры составляет порядка 0. 1%. По происхождению это в основном химические озерные и морские осадки, продукты окисления сульфидов и серы. Сульфаты относительно легко преобразуются – безводные формы переходят в водные и наоборот. Наиболее распространены: ангидрит (Ca. SO 4) – химический морской осадок; при взаимодействии с водой преобразуется в гипс (Ca. SO 4*2 Н 2 О), выпадающий из водных растворов при более низкой температуре, мирабилит (Na 2 SO 4*10 Н 2 О), целестин (Sr. SO 4), барит (Ва. SO 4).

Гипс

Барит

Название Хим. формула Гипс Ангидрит Барит Ca. S 04 x n. H 20 Ca. S 04 Ba. S 04 2 3 -3, 5 2, 3 2, 8 -3 4, 3 -4, 7 Твердость Удельный вес, г/см 3 Спайность Весьма совершенная в одном направлении совершенная Излом Пластинчатый, занозистый зернистый Цвет Белый, желтый, розовый и др. Белый, сероголубой Белый, белосерый, розовый Цвет черты Белый Блеск Стеклянный, перламутровый Стеклянный Происхождение осадочное Осадочное, гидротермальное Формы нахождения в природе Кристаллы, сростки, мраморовидные массы, реже кристаллы Сплошные зернистые массы, кристаллы Отличительные особенности Малая твердость, спайность Большой удельный вес

Нитраты – соли азотной кислоты, называемые также селитрами. Образуются в поверхностных условиях путем окисления и бактериального разложения органических остатков. Встречаются относительно редко. Наиболее распространены: натриевая (чилийская) селитра (Na. NO 3) и калийная селитра (KNO 3). Используются для производства азотной кислоты, пороха, как удобрение. Фосфаты, арсенаты, ванадаты – соли родственных фосфорной, мышьяковой и ванадиевой кислот. Известно около 350 минералов, составляющих 0. 7% массы земной коры. Наиболее распространены фосфаты: апатит, фосфориты (Ca 5 (F, Cl)[PO 4]3) – сырье для фосфорных удобрений.

Апатит

Фосфорит Конкреция фосфорита. Справа – скол; в ядре кристаллы галенита

Название Хим. формула Твердость Удельный вес, г/см 3 Спайность Апатит Фосфорит Ca 5(P 04)3(F, Cl) 5 3, 2 несовершенная Излом Цвет Полиморфная смесь апатита с кальцитом и др. занозистый Голубой, зеленый, фиолетовый, реже бесцветный Цвет черты Блеск стеклянный Происхождение Магматическое, пневматолитическ ое и гидротермальное Осадочное Формы нахождения в природе Врапленники кристаллов, зернистые и сахаровидные массы Конкреции, псевдоморфозы, землистые и натечные массы Отличительные особенности

Силикаты – важнейшие породообразующие минералы (800 видов), составляющие до 80% массы земной коры. Химический состав их в большинстве сложный; главными компонентами являются – О, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K и ряд других элементов. Структурной основой силикатов является кремнийкислородный тетраэдр ([Si. O 4]), а многообразие этих соединений обуславливается тем, что тетраэдры могут группироваться между собой и с причленяющимися атомами различными способами. В классе выделяются группы островных, цепочечных, ленточных, листовых и каркасных силикатов. В своем большинстве силикаты имеют эндогенное происхождение - магматическое, пегматитовое или метаморфическое, либо образуются при выветривании (разрушении) других силикатов. Силикаты используются как руды бериллия (берилл), титана (сфен), циркония (циркон, эвдиалит) лития (лепидолит), цезия (поллуцит), церия (ортит), редкоземельных элементов, сырье для строительной промышленности, при производстве керамики и фарфора (каолинит), огне и кислотоупоров (асбест), изоляторов (слюды), бумажной и резиновой промышленности (тальк), электронике и др. Некоторые из силикатов относится к поделочным (родонит, жадеит, нефрит), полудрагоценными и драгоценными камням (топаз, гранаты, аквамарин, изумруд, турмалин и др. )

Оливин

Авгит

Роговая обманка

Каолинит

Название Оливин Хим. формула Авгит Роговая обманка Каолинит (Mg. Fe)2 Si 04 Ca(Mg, Fe)Si 206 Твердость 6, 5 5. 5 -6 1 -2 Удельный вес, г/см 3 3, 4 3, 1 -3, 5 2, 6 Спайность несовершенная средняя Совершенная в двух напр; угол 124 о Излом зернистый Ступенчатонеровный, раковистый занозистый Цвет Оливково-зеленый и Темно-зеленый до др. черного Темно-зеленый до черного Белый с разными оттенками Цвет черты нет Серовато-зеленый зеленоватый белый Блеск стеклянный матовый Происхождение магматическое Магматический, контактовый Магматическое, метаморфическое Выветривание КПШ, слюд и др; при гидротермальных процессах Формы нахождения в природе Мелкозернистые массы Кристаллы и зернистые массы Кристаллические агрегаты Плотные землистые массы Отличительные особенности Высокая твердость, зернистое строение Излом Жирный на ощупь, гигроскопичен; влажный – пахнет глиной Весьма совершенная

Мусковит, биотит

Лабрадор

Микроклин

Название Биотит / мусковит лабродор Ортоклаз / микроклин Хим. формула K 2 OAl 203*6 Si. О 2 Твердость 2 -3 6 6 3 -3, 1 2, 7 2, 6 Спайность Весьма совершенная в одном направлении Совершенная в двух направлениях под углом 90 о Излом неровный Неровный неровный Цвет Черный / прозрачен Серый до черного Бело-розовый до зеленовато-серого Цвет черты белый Белый Блеск Жирный /стеклянный перламутровый Стекляный Происхождение Магматическое, гидротермальное Магматическое Формы нахождения в природе Сплошные крисаллы, листоватые массы Плотные крупнозернистые массы Сплошные кристаллические массы Отличительные особенности спайность иризация Твердость, спайность Удельный вес, г/см 3

В качестве диагностических признаков минералов используются: Химический состав; • Форма кристаллов (минералы, обладающие кристаллической решеткой, образовывают кристаллы только определенной формы, углы между соответствующими гранями которых у данного минерала равны и постоянны; • Твердость (сопротивление царапанью). В качестве мер относительной твердости обычно используют т. н. шкалу Мооса - 10 эталонных минералов, расположенных в порядке возрастания относительной • твердости 1 - тальк, 2 -гипс, 3 -кальцит, 4 - флюорит, 5 - апатит, 6 - ортоклаз, 7 -кварц, 8 -топаз, 9 - корунд, 10 - алмаз. • Спайность - способность раскалываться вдоль определенных направлений (отмечается число плоскостей спайности, углы между ними, ровность поверхностей раскола «степень совершенства спайности» . • Излом - способность раскалываться по неровным поверхностям (выделяют: раковистый, волокнистый, шероховатый и др. изломы); • Цвет; • Блеск (жирный, стеклянный, алмазный, металлический и т. п. ); • Цвет черты (цвет порошка при царапании по фарфоровой пластинке); • Удельный вес (большой удельный вес - признак высокого содержания металлов); • Магнитные свойства; • Растворимость в кислотах (внешне схожие известняк и доломит различаются по реакции с соляной кислотой); • Прочность;