Кларки химических элементов

ОСНОВЫ ГЕОЛОГИИ

(учебное пособие)

г. Алчевск, 2006г.

УДК 551.1/.4

Учебное пособие «Основы геологии» (для студ. спец. 7.090301 «Разработка месторождений полезных ископаемых», 7.090303 «Шахтное и подземное строительство», 7.090307 «Маркшейдерское дело», 7.070800 “Екология”, 7.090216 “Горное оборудование” дневной и заочной форм обучения) / Сост.: Шкурский Е.Ф. – Алчевск: ДонГТУ, 2006. – 99 с.

Пособие предназначено для студентов горных специальностей вузов и включает в себя сведения о минералогии, петрографии, геологических процессах, строении Земли, абсолютной и относительной геохронологии, палеонтологии и исторической геологии, геологической съемке, техногенных изменениях геологической среды.

Составитель Е.Ф. Шкурский, доц.

Рецензенты Н.К. Клишин, проф.

Ж.И. Долина, доц.

Ответственный за выпуск В.Г. Ларченко, доц.

Ответственный редактор Т.Ю.Кустова

ВВЕДЕНИЕ

Геология (гео – Земля, логос – слово, наука) – наука о Земле, ее строении, составе, истории развития и процессах, происходящих в ней.

Геология изучает:

– вещественный состав и строение Земли – геофизика, геохимия, кристаллография, минералогия, петрография;

– явления, происходящие в земной коре и на ее поверхности – геотектоника, геоморфология, вулканология;

– историю развития Земли и органического мира – историческая геология, палеонтология, палеогеография

– естественные условия строительства и эксплуатации зданий и сооружений – грунтоведение, инженерная геология, гидрогеология.

Геология тесно связана с физикой, химией, математикой, науками горного и строительного циклов, возникла и развилась из потребностей практической деятельности человеческого общества.

В древнем Египте, на Синайском полуострове 5000 лет тому назад уже существовали рудники и добывалась медная руда. Были найдены рисунки на папирусе, представляющие собой первые геологические планы рудников. Египтяне впервые применили бурение скважин при строительстве знаменитых пирамид 6000 лет тому назад. Здесь же 4500 лет тому назад стали получать железо из руд.

Греческие и римские ученые Геродот, Аристотель, Страбон, Плиний описывали характер геологических процессов (V век до н. э. – первые 100 лет н.э.)

В III веке до н.э. в Китае были известны магнитные свойства железа и изобретен компас. В 132 г. н.э. китаец Чжан Хэн построил первый сейсмограф. Среди ученых арабской культуры (X век н.э.) выделялись таджик Авиценна, подробно описавший и классифицировавший минералы, узбек Аль-Бируни, описавший ряд минералов и их месторождения.

В эпоху Возрождения (XV век) уже итальянский ученый Леонардо да Винчи считал окаменелые остатки животных, находимых в горах, следствием движений земной коры. Он же имел верное представление о деятельности рек, описав ее в «Гидромеханике». Значительны заслуги немецкого ученого Агриколы (XV век), составившего сводку о минералах и рудах, способах их отыскания, добычи и переработки, датского ученого Н. Стено (XVII век), впервые объяснившего историю образования слоистых пород.

М.В. Ломоносов (XVIII век) дал обширную картину геологических процессов, образования минералов и горных пород, намного опередив свое время. В конце XVIII века работами Ламарка и Кювье во Франции было положено начало науке о древней жизни – палеонтологии. Смит предложил подразделять по возрасту осадочные породы по находимым в них окаменелостям. С XIX века начинает господствовать эволюционная теория развития – Ламарк, Рулье, Лайель, Дарвин.

Основы современной геологии заложили в XIX веке Паллас, Вернер, Бух, Мурчисон, Гумбольдт.

Е.С. Федоров разработал основы кристаллографии и изобрел метод точных измерений оптических свойств минералов. Французский ученый Эли де Бомон объяснил образование гор и впадин земной коры ее сжатием. Американские ученые Холл и Дэна развили теорию геосинклиналей. Австриец Э. Зюсс дал общую картину строения гор и морских впадин. Магматические явления изучались Левинсон-Лессингом, Боуэном, Дэли. Теория образования магматогенных месторождений создана Линдгреном, А.А. Заварицким, С.С. Смирновым, А.Г. Бетехтиным.

Геохимическое изучение состава пород и процессов, происходящих в земной коре, представлено классическими работами В.И. Вернадского, М. Голдшмидта, А.Е. Ферсмана.

А.И. Карпинский положил начало новому направлению изучения палеогеографических условий образования осадочных горных пород, продолжателями явились А.П. Павлов, А.Д. Архангельский, Н.С. Шатский.

Геология – бурно развивающаяся наука.

Специалисту-горняку, часто опускающемуся в шахту, необходимо знать основы геологии – в этом залог его успешной трудовой деятельности.

ОСНОВЫ МИНЕРАЛОГИИ

Минералогия как наука о естественных химических соединениях (минералах) изучает во взаимных связях их состав, кристаллическое строение, свойства, условия образования и практическое значение.

Минералы («минера» - кусок руды) - составные части горных пород, отличающиеся друг от друга по химическому составу и физическим свойствам.

Главнейшие задачи минералогии:

– познание физических и химических свойств минералов во взаимной связи с кристаллическим строением с целью практического использования и выявления новых видов минерального сырья;

– изучение закономерностей сочетания минералов и последовательности образования минеральных комплексов в рудах и горных породах.

1.1 Методы изучения минералов:

1.1.1 Полевые методы

К полевым относятся методы, при помощи которых можно определить внешние признаки минералов: форма кристаллов, наличие срастаний, цвет черты, прозрачность, блеск, спайность, излом, твердость, хрупкость, магнитность, удельный вес и прочие свойства;

1.1.2 Лабораторные методы

К ним относятся:

– кристаллохимический анализ Е.С. Федорова – сводится к определению внутреннего строения кристаллов по внешним формам, поскольку наиболее развитые и часто встречающиеся грани соответствуют плотнейшей упаковке структурных единиц;

– рентгенометрический – сравнение индивидуальных рентгенограмм с эталонными;

– кристаллооптический – определяются оптические константы: показатель преломления, оптический знак, угол оптических осей и т.д.;

– термический (метод С.Н. Курнакова) – получение кривых нагревания (или охлаждения) с целью установления эндо – и экзотермических эффектов исследуемого вещества;

– химический – для определения химической формулы минерала;

– спектральный – каждый химический элемент при нагревании испускает лучи определенных длин волн;

– рентгеноспектральный анализ – испытуемый элемент, помещенный на поверхность антикатода, при действии катодных лучей испускает рентгеновские лучи определенной длины волны;

– люминесцентный – минералы, обладающие свойством люминесценции, под влиянием облучения начинают светиться и кажутся окрашенными;

– шлиховой – при разрушении пород остаются устойчивые минералы: кварц, магнетит, турмалин, золото, платина и т.д., которые накапливаются в виде россыпей, при промывке которых получается концентрат наиболее тяжелых минералов, называемый шлихом. Эти пробы изучают по размерам зерен, магнитности, удельному весу, под бинокулярной лупой;

– более тонкие – электронно-микроскопический, экспериментальные: химический и физико-химический анализы.

Кларки химических элементов

Франк Кларк (Frank Clark) в 1889 г. опубликовал подсчеты средних содержаний элементов в земной коре. По предложению А.Е. Ферсмана эти средние содержания элементов были названы кларками.

По Кларку 9 химических элементов представляют 99,79% (весовых) земной коры:

O₂ – 47,2 %, Si – 27,6 %, Al – 8,8 %, Fe – 5,1 %,Ca – 3,6 %, Na – 2,64 %, Mg – 2,1 %, K – 2,6 %, H₂ – 0,15 %

На все остальные элементы приходится 0,21 %.

1.3 Физические свойства минералов:

– цвет

а) идиохроматический– обусловлен определенными особенностями химических элементов, входящих в его состав, а также наличием в кристаллических структурах различных дефектов. Для этого типа окраски наиболее типичными химическими элементами (хромофорами) являются Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu и т.д.;

б) аллохроматический – является следствием посторонних примесей в виде разноцветных минералов, пузырьков газа и жидкостей, обычно тонкодисперсных;

в) псевдохроматический – зависит от процессов дифракции и интерференции световых лучей в кристаллических структурах – отражение от внутренней поверхности спайности;

– цвет черты – иногда не совпадает с цветом минерала. Определяется при проведении черты образцом минерала по излому фаянса или фарфора.

Пирит – золотистого цвета, а цвет черты - черный;

– прозрачность – по величине показателя поглощения света все минералы подразделяются на прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные. Обычно среди прозрачных минералов не наблюдается полуметаллический блеск, а среди непрозрачных - алмазный;

– блеск – зависит от характера отражающей поверхности минерала и его способности отражать лучи. Определяется как показателем отражения, так и показателем преломления. Основными типами блеска по Д.П.Григорьеву является: стеклянный, алмазный, полуметаллический и металлический;

– спайность – свойство минералов раскалываться параллельно граням кристаллов с образованием плоской зеркальной поверхности.

Различают спайности: весьма совершенную, совершенную, среднюю (ясную) и несовершенную;

– излом – характер поверхности, которая проявляется при изломе или раскалывании минерала не по спайности. У минералов различают излом ровный, ступенчатый, неровный, занозистый или раковистый;

– удельный вес

Различают минералы: легкие (менее 2,5 гс/см³) – гипс, графит, средние (2,5-4,0 кгс/см³) – кварц, полевой шпат, тяжелые (более 4,0 кгс/см³) - галенит. В полевых условиях плотность минералов (удельный вес) сравнивается с плотностью образцов известной плотности;

– твердость – величина сопротивления внешнему механическому воздействию.

В полевых условиях определяется по 10 эталонным минералам шкалы Мооса, из которых каждый последующий царапает все предыдущие. Это не означает, что твердость алмаза в 10 раз больше твердости талька.

Результаты испытаний на твердость эталонных минералов шкалы Мооса (по М.М. Хрущеву) приводятся в таблице 1.1

Таблица 1.1 – Результаты испытаний на твердость эталонных минералов шкалы Мооса (по М.М. Хрущеву)

Минералы	По шкале Мооса	Число твер-дости, кг/мм2	Мине-ралы	По шкале Мооса	Число твердости, кг/мм2
Тальк		2,4	Ортоклаз
Гипс			Кварц
Кальцит			Топаз
Флюорит			Корунд
Апатит			Алмаз

– магнитность

Для определения магнитности минерала пользуются горным компасом (к магнитной стрелке подносят исследуемый минерал) или намагниченным стальным ножом (мелкие крупинки магнитного минерала притягиваются к нему).

К магнитным минералам относятся магнетит (магнитный железняк), пирротин и др.;

– радиоактивность

Свойство спонтанного самораспада неустойчивых изотопов радиоактивных химических элементов и переход в другие изотопы или изотопы других элементов;

– другие свойства

Наличие карбонатов определяется обычно при воздействии слабой (5-10 %) соляной кислоты. Двойное лучепреломление отчетливо проявляется у разновидностей кальцита (исландский шпат).

На вкус определяются лишь немногие легко растворимые минералы. Галит легко определяется по соленому вкусу, сильвин – имеет горько-соленый вкус и слегка щиплет язык. При ударе арсенопирита о твердое тело ощущается отчетливый запах чеснока.