Классификация минералов, химический состав, строение и свойства

Лекция 2

Свойства и классификация минералов

1. Геологическое время и возраст горных пород

2. Классификация минералов, химический состав, строение и свойства.

Литература:

1. В.П. Ананьев, А.Д. Потапов. Инженерная геология, М., «Высшая школа», 2002

2. Л.Д. Белый, В.В. Попов. Инженерная геология, М. Стройиздат, 2005

3. Л.М. Пешковский, Г.М. Перескотова, Инженерная геология, М. Недра, 2002

Геологическое время и возраст горных пород

Земная кора формировалась длительное время, постепенно, неодинаково в разные отрезки времени; разнообразных физико-географических условиях. На отдельных участках происходило накопление осадков, затем их смятие в складки или разрывные (дислокационные) блоки при горообразовательных процессах; затем наступали периоды разрушения гор, перенос материала и накопления его в новых местах на суше или в океанах, которые то занимали большие площади, то отступали от береговой линии, оставляя на суше мощные толщи морских отложений – известняков, мергелей, конгломератов и др. Для воссоздания истории развития определенной территории, составления геологических карт и разрезов, необходимо знать возраст пород, слагающих тот или иной участок земной коры.

Различают два вида возраста горных пород:

- абсолютный, выраженный в годах (млн. лет). Для этого используется процесс радиоактивных превращений в направлении образования одних химических элементов из других. Наиболее часто используют разработанные методы: свинцовый, стронциевый, аргоновый и углеродный.

- относительный возраст рассматривается для одной горной породы относительно другой, моложе или старше ее по времени образования. Используют следующие методы:

а) стратиграфический – описывает последовательность залегания пород в порядке их образования. Применим при ненарушенном залегании пород, когда каждая вышележащая порода моложе нижележащей по времени образования.

б) палеонтологический – применим при наличии в осадках окаменелостей – остатков живых организмов, захороненных в слоях. Органическая жизнь на Земле развивалась от более простых форм к более сложным. Поэтому более древние слои будут содержать окаменелости более простых организмов.

Изучается наукой историческая геология. На основании общепринятых международных единиц стратиграфии и относительной геохронологии создана сводная шкала геологического времени – геохронологическая таблица, где каждому отрезку времени соответствует свой комплекс образовавшихся в это время пород.

Классификация минералов, химический состав, строение и свойства

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.

Горные породы земной коры могут быть мономинеральными, т. е. состоять из одного минерала (мрамор, дунит) или полиминеральными, состоящими из нескольких породообразующих минералов (гранит, габбро).

Горная порода образуется в своеобразных геологических условиях, которые и определяют ее минералогический состав, форму залегания, структуру и текстуру. По своему происхождению все горные породы разделяют на три большие группы, которые одновременно отражают их генезис и важнейшие петрографические особенности.

– магматические, связанные с процессами магматической деятельности;

– осадочные, связанные с экзогенными процессами, т. е. процессами внешней динамики Земли;

– метаморфические, образующиеся в результате преобразования магматических и осадочных пород.

Магматические горные породы образуются в результате остывания и кристаллизации магмы.

Магма – это огненно-жидкий расплав-раствор, содержащий различные элементы, их окисленные и летучие компоненты (фтор, хлор, воду, углекислоту и др.). В процессе кристаллизации магмы происходит перераспределение компонентов. Если образующиеся кристаллы удаляются из магматического очага, например, опускаются в более глубокие горизонты или всплывают в верхние, состав магмы будет постепенно меняться и из нее будут кристаллизоваться различные горные породы. Большую роль при образовании различных по составу горных пород играют процессы ассимиляции – захвата и расплавления магмой пород на контакте с очагом. На конечной стадии кристаллизации магмы остаточные перегретые магматические расплавы и растворы, обогащенные летучими компонентами по трещинам проникают в окружающие породы и дают начало пегматитовым, гидротермальным и пневматометовым процессам минералообразования. При застывании магмы на большой глубине при медленном падении температуры и давлении происходит полная раскристаллизация интрузивных (глубинных) магматических пород. Гранит, габбро, диорит и др. имеют полнокристаллическую (зернистую) структуру и массивную текстуру.

При прорыве магмы по трещинам к поверхности Земли, магма теряет часть летучих соединений, переходит в состояние лавы и при быстрой смене давления и температуры застывает на поверхности или вблизи нее, образуя эффузивные (излившиеся) породы: базальты, диабазы, порфириты и др. Имеют скрытокристаллическую, стекловатую или порфировую структуру и массивную или шлаковую текстуру.

В образовании осадочных пород можно выделить следующие стадии:

- образование исходного материала при разрушении магматических, метаморфических или ранее образовавшихся осадочных пород в ходе процессов выветривания, абразии, эрозии, корразии, суффозии и др., а также при извержении вулканов.

- перенос материала в воде или на суше (транспортирование) в виде растворов, обломков или пыли.

- накапливание в водоемах или на поверхности Земли осадка в виде эоловых форм рельефа, морских, озерных или речных террас, ледниковых морен и др.

- преобразование осадков в осадочную горную породу при уплотнении, выпадении из растворов и кристаллизации, окисления, гидратации, восстановления в рыхлых осадках.

- изменение осадочной породы до начала метаморфизации или начала выветривания.

При генетической классификации осадочных пород выделяют группы:

- обломочные – осадки механического происхождения, которые по размеру обломков разделяют на глубокообломочные, песчаные, пылеватые и глинистые, рыхлые и сцементированные;

- химические осадки формируются на дне водоемов в результате выпадения веществ из истинных водных растворов, а также являются отложениями подземных вод;

- органогенные осадки образуются за счет накопления продуктов жизнедеятельности организмов морских, реже пресноводных беспозвоночных;

- смешанные осадки – имеют сложный состав и содержат в разных соотношениях обломочный, органогенный и химический материал.

Попадая в физико-химические условия, отличные от тех, в которых она образовалась, порода начинает приспосабливаться к новым условиям путем изменения минерального состава, структуры и текстуры без изменения валового химического состава, либо с его изменением за счет приноса или выноса вещества. Такой процесс называют метаморфическим.

Основными факторами, вызывающими метаморфизацию горных пород, являются температура, давление и химические активные вещества, растворы и газы. Процессы метаморфизации протекают с сохранением твердого состояния системы, без существенного расплавления породы. Преобразованию (метаморфизму) могут подвергаться любые горные породы – магматические, осадочные и ранее образовавшиеся метаморфические. В зависимости от преобладающих факторов метаморфизма различают:

- Региональный метаморфизм – проявляется на значительных площадях при погружении обширных участков литосферы на глубины, характеризуется высокими давлениями и температурами образуются гнейсы, кварциты, кристаллические сланцы, реже – мрамор и мраморизированные известняки.

- Контактовый метаморфизм – это процесс изменения горных пород на контакте интрузивных тел с вмещающими породами. Здесь породы подвергаются воздействию высоких температур и химических веществ, входящих в состав магмы. Наиболее распространенными породами являются роговики, мрамор.

- Динамометаморфизм (катакластический) – проявляется при различных тектонических процессах, обусловливающих возникновение направленного давления. Породы приобретают сланцеватость, подвергаются механическому дроблению. Имеют различную степень сцементированности.

Физические свойства минералов.Каждый минерал имеет определенные физические свойства. Главнейшими из них являются: внешняя форма, оптические характеристики (цвет, прозрачность, блеск), показатели твердости, спайность, излом, плотность.

Внешняя форма минералов разнообразна. В природных условиях они чаще всего приобретают неправильные очертания. Хорошо ограненные кристаллы встречаются сравнительно редко. Для многих минералов характерны также формы землистого облика, агрегатных скоплений и др.

Цвет для очень многих минералов строго постоянен. Их условно разделяют на светлые (кварц, полевые шпаты, гипс, кальцит и др.) и темные (роговая обманка, авгит и др.)

Прозрачность – способность минералов пропускать свет. Выделяют три группы минералов: прозрачные (кварц, мусковит и др.), полупрозрачные (гипс, халцедон и др.) и непрозрачные (пирит, графит и др.)

Блеск – способность поверхности минералов отражать в различной степени свет. Блеск может быть металлическим и неметаллическим (стеклянным, жирным, шелковистым) и т.д.

Твердость –способность минералов противостоять внешним механическим воздействиям. Каждому минералу присуща определенная твердость, которая ориентировочно оценивается по 10-балльной шкале твердости Мооса.

Твердость минералов

Эталонный минерал	Твердость по шкале Мооса	Число истинной твердости, МПа	Визуальный признак твердости	Твердость по группам минералов
Тальк			Чертится ногтем	Мягкие
Гипс			Чертится ногтем	Мягкие
Кальцит			Чертится ногтем	Средней твердости
Флюорит			Чертится ногтем	Средней твердости
Апатит			Чертится ногтем	Средней твердости
Ортоклаз			Царапает стекло	Твердые
Кварц			Царапает стекло	Твердые
Топаз			Режет стекло	Очень твердые
Корунд			Режет стекло	Очень твердые
Алмаз			Режет стекло	Очень твердые

Спайность – способность минералов раскалываться или расщепляться по определенным направлениям с образованием плоскостей раскола. Это свойство обусловлено внутренним строением кристаллов и не зависит от их внешней формы.

Плотность минералов различна и колеблется в пределах от 0,6 до 19 г/см³.

Минералы могут обладать рядом других физических свойств: хрупкостью, плавкостью, магнитностью, вкусом, запахом и т.д.

Контрольные вопросы:

1. Что такое абсолютный возраст горных пород?

2. Что такое относительный возраст горных пород?

3. Приведите химическую классификацию минералов.

4. Классификация горных пород по происхождению?

5. Что такое магматические горные породы?

6. Что такое осадочные горные породы?

7. Что такое метаморфические горные породы?

8. Перечислите физические свойства минералов.