ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Внешняяформа (морфология) минералов и их агрегатов весьма разнообразна и, как правило, имеет неправильные очертания (рис. 6). В морфологии минералов и их агрегатов отражаются их кристаллическая структура и условия образования.

Сростки делятся на закономерные, срастающиеся по каким-то определенным кристаллографическим направлениям, незакономерные (друзы) и др.

Друзы (щетки) – незакономерные сростки отдельных хорошо оформленных кристаллов, прикрепленных одним концом к общему основанию (рис. 6а). Свободные ограненные концы образуют подобие щетки. Формируются в трещинах и пустотах обычно из постмагматических растворов. Встречаются крупные, очень красивые друзы кварца и кальцита, в ассоциации с топазом, пиритом, сфалеритом, галенитом и другими.

Минеральные агрегаты делятся на кристаллически-зернистые, округлые, натечные, землистые и дендриты.

Кристаллически-зернистыеагрегаты(самые распространенные формы) образуются при одновременной кристаллизации из растворов или расплавов большого количества минеральных зерен. Различают крупно- (> 5 мм), средне- (1…5 мм) и мелкозернистые (< 1 мм) агрегаты. Кроме того, по форме они могут быть относительно идиоморфными (листоватыми, чешуйчатыми, игольчатыми, волокнистыми) и ксеноморфными (неправильными).

Термин «кристаллические агрегаты» используется чаще для агрегатов, состоящих из хорошо выраженных, относительно правильных минеральных индивидов; а термин «зернистые агрегаты» – для агрегатов, состоящих из мелких и тонких зерен, не различаемых на глаз, осадочного генезиса.

Среди округлых агрегатов выделяются сферолиты, секреции, конкреции,

оолиты, натечные формы, землистые агрегаты, дендриты.

Сферолиты – агрегаты тонких игольчатых кристаллов в виде шариков радиально-лучистого строения, возникающие при кристаллизации вулканических стекол или при осаждении минералов в илистом осадке.

Секреции – минеральные образования, заполняющие пустоты в горных породах и отличающиеся от них по составу (рис. 6б). Образовались путем последовательного (от стенок к центру) полного или частичного заполнения пустот минеральными веществами, привнесенными истинными и коллоидными растворами при гипергенных и гидротермальных процессах. Различают следующие разновидности секреций: жеоды и миндалины. Жеода (секреции с размером в диаметре более 2 см) – замкнутая полость в горных породах, не полностью заполненная скрыто- или явно кристаллическим минеральным веществом. Миндалины(мелкие секреции) – минеральные агрегаты из цеолита, халцедона и кальцита заполняющие небольшие пустоты в эффузивных горных породах.

Конкреции(стяжения) – минеральные образования округлой формы (рис. 6в) возникают при диагенезе горных пород и резко отличаются от вмещающей по- роды составом и формой: содержатся обычно в осадочных породах (песчаник, глина, фосфорит). В центре конкреций иногда находятся органические остатки, вокруг которых концентрировалось вещество. Предполагают, что образование конкреций связано с притоком вещества от периферии к центру, при этом рост кристаллов направлен противоположно – от центра к периферии.

Оолиты – шаровидные образования, возникающие вокруг каких-либо зернышек или тел бактерий (рис. 6г). По внешнему виду они напоминают мелкие конкреции размером менее 5 мм (железная и марганцовистые руды) и агрегаты в виде скорлупок. В зависимости от их величины различают гороховые, икряные и другие виды оолитов.

Натечныеформы (сталактитыисталагмиты) – неправильные цилиндрические образования, возникающие чаще всего в подземных пещерах, в результате медленного стекания и испарения растворов.

Различныеземлистыеагрегаты, т.е. рыхлые массы слабо связанных между

собой частиц минералов (глина, песчано-глинистые, с гидрооксидами).

Дендриты (тонкиепленки) – минеральные агрегаты (иногда кристаллы) древовидной формы (рис. 6ж) образуются на стенках различных горных пород в форме веток (медь, серебро, золото, марганцовистые минералы).

Размеры минеральных индивидов колеблются от 1 нм до кристаллов длиной до 10 м и массой в несколько тонн. По внешней форме (рис. 7) отдельные кристаллы (монокристаллы) делятся на изометричные (одинаковые размеры в трех направлениях), вытянутые в одном направлении (игольчатые, столбчатые, призматические) и вытянутые в двух направлениях (пластинчатые, чешуйчатые).

Цвет для многих минералов непостоянен. Собственная (идиохроматическая) окраска обусловлена внутренними особенностями минералов: наличием химических элементов-хромофоров (железа разной валентности, хрома, меди, марганца) и наличием дефектов структуры (пирит, авгит, малахит, азурит). Чужеродная (аллохроматическая) окраскасвязана с механическимивключениями ярко окрашенных посторонних минералов или химических примесей.

Некоторые минералы имеют ложную (псевдохроматическую) окраску, вызванную рассеянием или интерференциейсвета, например, иризация (игра цветов) лабрадора, опала, лунного камня (олигоклаза). Побежалость (или радужнаяокраска) халькопирита, борнита возникает за счет образования на поверхности минерала тонкой пленки окисления. Некоторые названия минералов характеризуют их цвет, например: альбит – белый, гематит – кровавый, рубин – красный, родонит – розовый; сера – желтая, малахит – зеленый. Отдельные минералы меняют свою окраску при физических воздействиях. Радиоактивное облучение вызывает появление синего цвета у галита; зеленого, бурого или голубого – у алмаза; черного – у кварца.

При изучении горных пород обращают внимание и учитывают наличие и соотношение светло- (кварц, гипс, кальцит, полевые шпаты) и темно-окрашенных (роговая обманка, авгит, слюды и другие) минералов.

Прозрачность– способность минерала пропускать свет через тонкие пластинки. Различают прозрачные (горный хрусталь, мусковит, исландский шпат), полупрозрачные (сфалерит, киноварь, гипс, халцедон) и непрозрачные (магнетит, пирит, графит) минералы.

Блеск– способность поверхности минерала отражать свет в различной степени. Интенсивность блеска зависит от показателя преломления (N).

Различают следующие разновидности блеска:

– стеклянный(N = 1,3…1,9) напоминает блеск стекла, характерен для прозрачных и полупрозрачных минералов (лед, флюорит, кварц, ангидрит, галит, карбонаты, силикаты, роговая обманка);

– алмазный (N = 1,9…2,6) достаточно сильный искрящийся блеск, характерен

для прозрачных и полупрозрачных минералов (алмаз, циркон, сфалерит);

– полуметаллический (N = 2,6…3,0) сходный с блеском потускневшей поверхности металла, характерен для полупрозрачных и непрозрачных минералов (куприт, гематит);

– металлический (N > 3,0) напоминает блеск гладкой поверхности металла. Он характерен для полупрозрачных и непрозрачных минералов (халькопирит, галенит, пирит, золото).

Кроме того, у минералов со стеклянным блеском различают шелковистый (асбест, гипс-селенит), жирный (тальк), матовый (каолин, лимонит), восковой (кремень, тальк) и перламутровый блеск (тальк, мусковит, пластинчатый гипс).

Цветчерты (цветтонкогопорошка). Этот признак минерала легко наблюдать, проводя испытуемым минералом черту на шероховатой, непокрытой глазурью поверхности фарфора. К данному свойству прибегают, когда исследуемые минералы весьма трудно различить по внешнему виду. Например, в сплошных кусках очень трудно отличить друг от друга красный, бурый и магнитный железняк. По цвету черты они легко различаются: красный железняк (гематит) дает вишнево-красную черту, бурый железняк (лимонит) – бурую и желтую, магнитный железняк (магнетит) – черную черту.

Твердость– сопротивление, которое оказывает поверхность минерала при попытке поцарапать ее другим камнем или иным предметом (табл. 8).

Спайность – способность минералов раскалываться или расщепляться по определенным направлениям с образованием ровных как будто полированных зеркальных поверхностей скола индивидов – плоскостей спайности. Спайность может появляться в одном, двух, трех и четырех направлениях. Это свойство обусловлено внутренним строением кристаллов и не зависит от их внешней формы.

Различают несколько видов спайности:

– весьмасовершеннаяспайность – минерал легко расщепляется на тончайшие

пластинки и чешуйки (слюда, тальк, графит);

– совершенная спайность – на поверхностях скола индивидов наблюдается

ровные и зеркальные плоскости в одном (гипс), двух (полевые шпаты, пироксены), трех (галит и кальцит) или четырех (флюорит) направлениях;

весьманесовершенная спайность – поверхности раскола кристаллов неровные

и волнистые, раковистые (кварц и нефелин).

Часто определяют и среднюю спайность, когда при расколе образуются как ровные поверхности скола (1 или 2), так и неровные (2 или 1).

Плотность минералов колеблется в широких пределах (г/см3): галит – 2,2;

гипс – 2,3; киноварь – 8,0; медь – 8,9; серебро – 11; платина – 21; иридий (самый тяжелый минерал) – 22,7. Большинство минералов имеет плотность 2,5…3,5 г/см3. Минералы обладают и рядом других физических свойств: хрупкостью, плавкостью, магнитностью, вкусом, запахом, люминесценцией, радиоактивностью.

Радиоактивные минералы наиболее часто присутствуют в гранитах и глинах, которые могут иметь довольно высокую «фоновую» радиоактивность, в то время как известняки и кварцевый песок имеют обычно низкую радиоактивность.

Для отдельных минералов особые свойства могут быть отличительными при- знаками: галит имеет соленый вкус, сера пахнет при горении и т. п.

Диагностика каждого минерала (минерального вида) производится на основе определения всего комплекса свойств у отдельных минеральных индивидов (зерен, кристаллов), поскольку агрегат обладает уже другими свойствами. Кроме диагностических свойств определяются генетико-информационные свойства минералов с помощью современных методов (люминесценция, ЭПР и ЯМР, электронная микроскопия и др.).

Классификацияминераловииххарактеристика

Минералы находятся в земной коре, главным образом, в виде моно- и полиминеральных агрегатов, образуя определенные парагенетическиеассоциации – закономерные совместные нахождения минералов в природе, обусловленные близостью их генезиса (происхождения).

Среди минералов различают минеральные виды и их разновидности. Первые имеют особые характерные только для них химический состав и кристаллическую структуру, вторые являются вариациями одного минерального вида по химическому составу, особенностям структуры, цвету, форме и другим свойствам, изменяющимся в определенных пределах.

В настоящее время известно более 3 000 минералов. Однако лишь около 50 минералов наиболее широко распространены в земной коре и слагают горные по- роды – главныепородообразующие минералы. Другие минералы встречаются в подчиненном количестве (менее 1…5 %) – второстепенныеминералы. Некоторые из второстепенных минералов (акцессорные) характерны только для определенного вида горных пород (хромит в дунитах, циркон в щелочных породах). Практическое значение имеют около 300 минералов, в т. ч. и многие породообразующие и второстепенные. В этом случае их называют руднымиминералами.

В основе современной классификации минералов лежат их химический состав и кристаллическая структура – кристаллохимическаяклассификация. Наиболее важные кристаллохимические классы минералов приведены в табл. 10.

Силикаты. Это наиболее многочисленный класс, включающий до 800 минералов. Они являются важнейшей составной частью большинства горных пород, в особенности магматических и метаморфических. Кристаллическую структуру силикатов составляют кремнекислородные тетраэдры [SiO4]–4. Они могут занимать изолированное положение, соединяясь с помощью ионных связей с катионами и образуя островные силикаты. Гораздо чаще одни кремнекислородные тетраэдры связаны с другими тетраэдрами (рис. 9), образуя цепочки, ленточки, слои и каркасы, состоящие из тетраэдров. Такие сложные радикалы соединяются друг с другом через катионы. В соответствии со структурой различают следующие структурные типы силикатов: островные, цепочечные, ленточные, листовые и каркасные силикаты.

Островные силикатыимеют в основе изолированные [SiO4]–4 -радикалы, соединяющиеся друг с другом через катионы Mg, Fe, Ca и др. К ним относятся оливин, гранаты, топаз, дистен и многие др. Оливин (Mg, Fe)2SiO4зеленый за счет присутствия в составе Fe+2, относительно малостойкий (под действием горячей (300…400 оС) воды, кислорода и углекислоты он переходит в серпентин с увеличением объема). Оливин образуется только при кристаллизации ультраосновной магмы и слагает соответствующие горные породы.

Цепочечные силикатыпостроены из цепочек кремнекислородных тетраэдров, образующих радикалы [Si2O6]–4 или [Si3O9]–6, которые соединяются через катионы. Наиболее распространенными являются минералы группы пироксенов – авгит, диопсид, отличающиеся таблитчатой формой и темно-зеленым цветом.

Ленточные силикатысостоят из кремнекислородных тетраэдров, соединенных между собой в обособленные полосы, которые соединяются через катионы Mg, Fe, Ca, Na, Al и др. Особо выделяется группа амфиболов(роговая обманка, актинолит, тремолит), отличающиеся вытянутой столбчатой или игольчатой формой кристаллов. Амфиболы имеют темно-зеленый цвет до черного, совершенную спайность в двух направлениях.

Слоевые силикатысодержат целые слои кремнекислородных тетраэдров, соединяющиеся между собой через катионы, из-за чего они имеют пластинчатую и листовую форму, отличаются весьма совершенной спайностью, пониженной прочностью и стойкостью. Среди них особо выделяютсяслюды– водные алюмо- силикаты сложного и разнообразного составов. Наиболее распространенными слюдами являются прозрачный светлый мусковит (Na, K)·Al2(OH, F)2·[AlSi3O10],

и черный полупрозрачный биотит K·(Mg, Fe2+, Mn)3(OH, F)2·[(Al, Fe3+)·Si3O10]. Они имеют эндогенное происхождение, а вблизи поверхности за счет гидратации превращаются в гидрослюды – гидромусковит и гидробиотит (вермикулит).

Вышеперечисленные силикаты за счет содержания железа в своем составе имеют темную окраску, а благодаря структуре – прочность до 400 МПа, высокую атмосферостойкость, большую ударную вязкость.

Каркасные силикатыпредставляет собой алюмосиликаты калия, натрия и кальция, в структуре которых кроме кремнекислородных тетраэдров имеются тетраэдры с алюминием в центре. 50 % массы земной коры состоит из полевыхшпатов(ПШ) – группы минералов, имеющих одинаковую совершенную спайность в двух направления, твердость 6 и достаточную прочность (100…170 МПа). У них наиболее широко проявляется изоморфизм, как среди катионов, так и анионов.

Поэтому полевые шпаты подразделяются в зависимости от своего химического состава на подсемейства (подгруппы) Ca–Na–ПШ – плагиоклазы (косораскалывающиеся)(табл. 11) и K–Na–ПШ – щелочныеполевыешпаты. К последним от- носятся ортоклаз (прямораскалывающийся), микроклин, санидини др. Полевые шпаты отличаются слабой атмосферостойкостью – в субтропическом климате их структура разрушается из-за гидролиза, и образуются глинистые минералы: каолинит, монтмориллонит, глауконит.

Кварц (диоксид кремния SiO2) – один из самых распространенных (12 % по массе), прочных (до 2000 МПа) и стойких минералов. Плотность – 2,5…2,8 г/см3, кислотостойкий, кроме плавиковой кислоты, твердый (7), спайность отсутствует. С основаниями кварц образует силикаты и гидросиликаты, а при нагревании претерпевает полиморфные (модификационные) превращения при 575, 870, 1050 и 1400 оС. Плавится при 1710 оС, при быстром охлаждении расплава образуется аморфныйкремнезем с плотностью 2,3 г/см3, который отличается высокой химической активностью. При выветривании кварц образует песок. Скрытокристаллический кварц известен под названием халцедон. Водный кремнезем (опал) содержит 2…14 % воды; халцедон и опал с примесью глины и песка называется крем- нем. В известняках или песчаниках встречаются скопления овальной формы раз- личных размеров из кремния – желваки.

Карбонаты (углекислыесоли) включают более 80 минералов. Они отличаются светлой окраской, стеклянным блеском, средней твердостью 3…4, совершенной спайностью в трех направлениях по ромбоэдру, неводостойкостью. Третье место по распространенности занимает после полевых шпатов и кварца кальцит (известковыйшпат) СаCO3, который слагает почти целиком мел, известняки и мрамор, и легко диагностируется в скрытозернистых горных породах по реакции (растворение с шипением) под действием холодной соляной кислоты. Часто вме- сте с кальцитом встречается доломит MgСа[CO3] 2, который реагирует с HCl только в порошке. С нагретой HCl взаимодействует магнезит Mg[CO3], который используется, прежде всего, как огнеупорный материал. Карбонаты слагают оса- дочные и некоторые метаморфические и магматические горные породы.

Сульфаты (сернокислыесоли)составляют до 260 минералов. Наиболее рас- пространенными являются гипсCaSO4·2H2O, возникающий при гидратации ангидрита CaSO4. Возможен и обратный процесс дегидратации гипса и возникновение ангидрита при повышении литостатического давления. Сульфаты отличаются невысокой твердостью, неметаллическим блеском, светлой окраской, совершенной спайностью и хорошей растворимостью. Они являются важнейшими породообразующими минералами одноименных осадочных горных пород.

Сульфиды составляют до 200 минералов. Наиболее часто встречающимся в горных пород различного генезиса является пирит, или серный (железный) колчедан FeS2, который используется лишь для получения серной кислоты. На месторождениях полиметаллических руд пирит является спутником халькопирита(медного колчедана) CuFeS2, галенита (свинцового блеска) PbS, сфалерита(цинковой обманки) ZnS. Сульфиды отличаются металлическим блеском, непрозрачностью, электропроводностью и высокой плотностью. Они входят в состав металлических руд, из них выплавляют металлы, однако их присутствие снижает качество строительных материалов.

Галоиды составляют около 100 минералов. Они являются составной частью осадочных горных пород и легко растворяются в воде. Наиболее распространенным является галит (каменная соль) NaCl, карналлит KCl·MgCl2·6H2O, флюорит (плавиковый шпат) CaF2, сильвин KCl, крезолит AlF3·3NaF. У галоидов небольшая твердость, стеклянный блеск, совершенная спайность, хорошая растворимость в воде.

Самородныеэлементы (золото, серебро, медь, ртуть, сера, алмаз, графит), встречаются довольно редко – всего около 40 видов. Многие самородные минералы имеют весьма важное значение, в особенности золото, серебро, платина, графит, алмаз и сера.

Кроме естественных минералов в инженерной геологии в ряде случаев изучаются и искусственные минералы, полученные в результате производственной деятельности человека. Насчитывается более 150 таких минералов. Промышленность получает два вида искусственных минералов: аналогиитехнические. Аналогиявляются структурно-химическими аналогами (повторением) природных минера- лов: алмаза, корунда, горного хрусталя и др. Технические – это вновь созданные минералы с заранее заданными свойствами или продукты деятельности человека, например, различные металлургические шлаки. Такие минералы входят в состав различных строительных материалов: в портландцементе находятся алит 3СаО·SiО2 и белит 2СаО·SiО2, в огнеупорах – силлиманит Al2O3·SiO2, муллит3Al2O3·2SiO2и периклаз MgO, в абразивах – карборунд SiC. Современная наука изучает технические минералы с целью более полного использования всех продуктов металлургического производства.