Основні теоретичні положення. Курс «Основи загальної геології» відіграє важливу роль у підготовці та формуванні спеціалістів з геології нафти і газу

ЗАГАЛЬНІ МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

Курс «Основи загальної геології» відіграє важливу роль у підготовці та формуванні спеціалістів з геології нафти і газу, геофізичних методів пошуків і розвідки корисних копалин, розробки та експлуатації нафтових і газових родовищ, бурінню нафтових і газових свердловин, проектування і спорудження нафтогазопроводів, газосховищ і нафтобаз тощо.

Особливе місце при засвоєнні основ геології вказаними майбутніми спеціалістами належить лабораторному практикуму, тобто виконанню необхідної кількості лабораторних робіт, без яких подальше вивчення програмного матеріалу спеціальних дисциплін практично неможливе. Тому в даному лабораторному практикумі даються важливі теоретичні рекомендації по виконанню п’яти лабораторних робіт із даної дисципліни.

Успішне засвоєння курсу вимагає систематичного ознайомлення з основними породотворними мінералами, зразками гірських порід, геологічними розрізами і картами, рекомендованою літературою.

Метою лаборторного практикуму з дисципліни «Основи загальної геології» є детальний розгляд і засвоєння матеріалу викладеного на лекціях. Для цього в практикумі містяться необхідні теоретичні відомості. Підготовку до занять необхідно починати з ознайомлення і конспектування теоретичних розділів лабораторного практикуму.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1

Основні фізичні властивості мінералів та методи їх визначення.

Головні породо- і рудотворні мінерали та методи їх визначення

Мета роботи: вивчення внутрішньої будови, морфології і фізичних властивостей мінералів; вивчення найпростіших прийомів визначення основних породо- і рудотворних мінералів, які входять до складу різних гірських порід.

Основні теоретичні положення

Мінерали являють собою природні хімічні сполуки (або елементи), однорідні за складом і будовою. Вони є складовою частиною гірських порід і руд. У природі трапляються переважно у твердому стані (кварц, слюда, кальцит), рідше в рідкому (нафта, газовий конденсат, самородна ртуть) і газоподібному (природний газ, сірководень). Виникають мінерали у результаті різних фізико-хімічних процесів, що відбуваються в земній корі, включаючи життєдіяльність організмів.

Усі мінерали як фізичні тіла володіють різноманітними властивостями, такими, як вид кристалів, твердість, густина, спайність, колір риси тощо. Залежно від хімічного складу і кристалічної структури ці властивості у різних мінералів виявляються по-різному. Кожен мінерал характеризується особливими ознаками, за якими його можна відрізнити від інших. Для визначення мінералів використовують фізичні властивості. У свою чергу властивості мінералів дають змогу встановлювати властивості гірських порід.

Головними фізичними властивостями мінералів є:

- густина;

- механічні: твердість, спайність, злам, крихкість, пластичність;

- оптичні: прозорість, забарвлення, колір риси, блиск;

- теплопровідність;

- магнітність;

- радіоактивність;

- горючість;

- розкладання;

- смак.

Густина являє собою масу речовини, яка припадає на 1 м³ дистильованої води при t-4 ^°С. Величина густини мінералів коливається від 800 кг/м³ (озокерит) до 23000 кг/м³ (осмістий іридій).

Визначення густини проводиться зважуванням мінералів «на руці», тобто визначається його відносна вага.

За густиною мінерали поділяють на дуже легкі, легкі, середні, тяжкі і дуже тяжкі.

Твердість – ступінь опору мінералів зовнішньому механічному впливу. Для визначення твердості в лабораторних і польових умовах прийнято шкалу Маоса (табл. 1.1), в котрій як еталони використовують мінерали з відомою і постійною твердістю. Ці мінерали розташовують у порядку зростання твердості так, що попередній мінерал подряпується наступним.

Таблиця 1.1 – Шкала Маоса і основні її показники

Відносна твердість	Найменування мінералу-еталону	Основні показники мінералу-еталону
	Тальк	Залишає сліди на папері, дереві, шкірі
	Гіпс	Подряпується нігтем
	Кальцит	Подряпується мідною голкою
	Флюорит	Подряпується залізною голкою, цвяхом
	Апатит	Слабо подряпується сталевою голкою
	Ортоклаз	Слабо ріже скло під великим натиском
	Кварц	Добре ріже скло під великим натиском
	Топаз	Ріже скло під невеликим натиском
	Корунд	Слабо ріже скло без натиску
	Алмаз	Добре ріже скло

Спайність–це здатність мінералу розколюватися або розщеплюватися по паралельних площинах, які відповідають певним кристалографічним напрямкам, по яких в кристалічній структурі проявляється найменша сила зчеплення атомів, іонів або молекул. Залежно від характеру площин спайності виділяють чотири типи спайності: дуже досконала, досконала, середня і малопомітна. Спайність визначають при подрібненні мінералів. При необхідності тип спайності рекомендується визначати під бінокулярним мікроскопом.

Злам– це вид поверхні, утвореної при розколюванні мінерального індивіду. Виділяють такі типи зламів: дзеркально-рівний, сходинковий, нерівний без дзеркальних поверхонь, раковистий, скалкоподібний. Тип зламу визначають візуально або під бінокулярним мікроскопом.

Крихкість – властивість мінералів подрібнюватися при механічній дії з утворенням тріщин або уламків різної величини і форми.

Пластичність – властивість мінералів деформуватися під зовнішнім механічним впливом без утворення тріщин або уламків.

Обидві властивості тісно взаємопов’язані між собою і мають не тільки діагностичне, але й технологічне значення у визначенні розробки схем видобутку та збагачення корисних копалин.

Крихкість і пластичність визначають двома методами: експериментальним – на склерометрах і відносним – дряпанням мінералу загостреним сталевим предметом. За крихкістю і пластичністю всі мінерали згруповано в п’ять ступенів крихкості: дуже крихкі, крихкі, слабо пластичні, пластичні і дуже пластичні.

Прозорість – це властивість мінералу пропускати через себе певну кількість світлових променів у видимому спектрі. Прозорість тіснішим чином пов’язана з блиском і визначається коефіцієнтом поглинання світла. Залежно від коефіцієнта поглинання світла всі мінерали умовно можна поділити на три групи: прозорі, напівпрозорі і непрозорі.

Визначення прозорості мінералів в лабораторних умовах проводиться на спеціальних приладах – рефрактометрах, які дозволяють встановити показник внутрішнього відбиття мінералу в процентах або в тонких уламках чи пластинах за допомогою бінокулярного мікроскопу в прохідному світлі.

Забарвлення– характер взаємодії електромагнітного випромінювання видимого діапазону світлових хвиль з електронами атомів, іонів або молекул, які входять до складу кристалічної структури мінералів. Встановлено, що видимий спектр електромагнітних хвиль коливається в межах 3800 – 7600 А. Їх довжини викликають сім типів забарвлення: фіолетове, синє, блакитне, зелене, жовте, оранжеве і червоне. Крім хімічного складу мінералу, на його забарвлення часто впливають механічні домішки, дефекти в кристалічних структурах, мікротріщини та ряд інших факторів.

За характером забарвлення мінеральних індивідів або агрегатів виділяють: однорідне забарвлення (пірит), зональне (малахіт), плямисте (галіт) та ін.

При визначенні природи забарвлення мінералів у кристалах або зернах необхідно відрізняти первинне забарвлення, яке виникає в процесі їх формування і вторинне, яке виникає в процесі вторинної зміни мінералу. Визначають забарвлення мінералів візуально.

Колір риси – являє собою колір мінералу в порошку. Багато мінералів у розтертому стані мають інший колір, ніж у монолітних зразках. Порошок можна одержати, проводячи куском мінералу по більш шорсткій поверхні фарфорової пластинки при умові, що твердість його менша від твердості фарфору. Якщо твердість мінералу вища твердості фарфору, то мінерал утворює на фарфорі подряпину.

Блиск залежить від показника заломлення мінералу і його здатності відбивати від своєї поверхні світло. Показник відбиття світла (блиск) в мінералах визначається в процентах і змінюється від 1 % в озокериті до 95 % в полірованому самородному сріблі.

Для визначення блиску необхідно враховувати характер поверхні мінералу, величину і форму його зерен, оскільки ці фактори призводять до специфічних блисків: жирного, смолистого, шовковистого, перламутрового і інше. Тип блиску визначають візуально.

Теплопровідність –це швидкість поширення теплоти в мінеральному індивіді або агрегаті. Швидкість і напрям поширення тепла у мінералі залежить від кристалічної структури, типу зв’язку, розміру іонних радіусів, симетрії тощо. При вивченні і визначенні теплопровідності мінералів необхідно пам’ятати, що величина теплопровідності в значній мірі залежить від хімічного складу мінералу.

Швидкість поширення тепла рекомендується визначати на добре розвинутих кристалах. Для цього грані кристалу покриваються тонким шаром розплавленого парафіну або воску. Після цього кінцем нагрітої голки необхідно доторкнутися до центру кожної грані. Теплота голки передається на поверхню плоскої сітки і поширюється в різні сторони, розплавляючи віск або парафін і утворюючи фігуру плавлення різної конфігурації.

Магнітність – властивість мінералів взаємодіяти з магнітним полем. Магнітність визначають магнітними властивостями атомів, іонів і молекул, які складають мінерал, і його структурою. По суті всі мінерали можуть намагнічуватися в магнітному полі. Однак, найбільш здатними до намагнічування є мінерали, до складу яких входять атоми, що мають власний магнітний момент, обумовлений наявністю в них неспарених електронів. Це Fe³⁺, Fe²⁺, Mn⁴⁺, Mn³⁺, Cr³⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺ та інше.

Магнітність визначають за допомогою магнітної стрілки. Якщо ж необхідно визначити величину магнітної сприйнятливості, то користуються магнітними вагами – вагою Калашникова та ін.

Радіоактивність– це властивість мінералів випромінювати a , b і g- частинки при радіоактивному розпаді деяких елементів U, Th, K, Cs, та їх ізотопів. По величині радіоактивного випромінювання всі мінерали діляться на три класи: 1) сильно радіоактивні; 2) слабо радіоактивні; 3) нерадіоактивні. До складу сильно радіоактивних мінералів входять в основному уран і торій. До складу слабо радіоактивних мінералів входять калій, цезій та ін.

Горючість– властивість мінералів вільно горіти в атмосфері. Переважно випробування на горючість проводять в полум’ї спиртівки. Для цього невеликий кусочок визначального мінералу закріплюється в пінцеті і поміщується в найбільш гарячу частину полум’я. Якщо мінерал загориться, то випробування закінчують, вважаючи мінерал горючим. У випадку, якщо мінерал не загориться після перебування в полум’ї 5-6 хв, його вважають негорючим.

Розчинність – здатність мінералів розчинятися у воді або інших рідинах. За ступенем і швидкістю розчинення мінерали поділяються на чотири класи: легкорозчинні, розчинні, слабо розчинні і нерозчинні.

Швидкість і величина розчинності залежить від ряду факторів, головним з яких є температура. Таким чином, при визначенні розчинності мінералів, рекомендується проводити її як за кімнатної температури розчинника, так і при його підігріві в скляній пробірці на спиртівці або газовому пальнику.

Розкладання–здатність деяких мінералів розкладатися в кислотах або інших хімічно активних речовинах із виділенням в атмосферу деяких компонентів.

Для визначення розкладання мінерал необхідно розтовкти в порошок, висипати в пробірку і залити відповідною кислотою. При такій методиці ступінь розкладання мінералу можна визначити як при кімнатній температурі, так і при підігріві. Підігрів проводиться на газовому пальнику або в полум’ї спиртівки. Одночасно з визначенням ступеню розкладання проводиться визначення виділених газів. Так, виділення H₂S супроводжується запахом «затхлих яєць», розкладання миш’якових мінералів - запахом часнику та ін.

Смак – це здатність мінералу впливати на смаковий органолептичний апарат людини. Більшість мінералів не мають смаку, але для деяких характерним є специфічний смак. Особливо це відноситься до розчинних мінералів. По смаку виділяють солені (галіт), гірко-солені (карналіт) і пекучо-солені (сильвін) мінерали. Визначення смаку проводСмак визначають доторканням до мінералів кінчиком язика.

Форма(габітус) кристалів. У природі більшість мінералів поширені у вигляді зерен неправильної форми. Набагато рідше трапляються мінерали, що мають більш-менш виражену форму багатогранників. Як ті, так й інші мають внутрішню кристалічну будову.

Однією з характерних властивостей більшості кристалічних мінералів є їхня здатність до досконалості, тобто здатність набувати багатогранної завершеної форми. Кожному мінералу властива своя кристалічна форма, що залежить від хімічного складу, внутрішньої будови та умов його утворення.

Кристалами називають природні або штучно створені тіла, що мають форму багатогранників. Просторове розташування складових часток характеризує структуру кристала.

Однією з характерних властивостей більшості кристалічних мінералів є їхня здатність до досконалості, тобто здатність набувати багатогранної завершеної форми. Кожному мінералу властива своя кристалічна форма, що залежить від хімічного складу, внутрішньої будови та умов його утворення.

Площини, що обмежують кристали, називають гранями, лінії перерізу граней – ребрами, точки перерізу ребер – вершинами.

Двійники. Багато мінералів трапляються у вигляді правильних зрощень поодиноких кристалів, які називають двійниками, трійниками тощо. Такі зрошення для деяких мі­нералів досить типові і нерідко полегшують їх діагностику. Наприклад, колінчасті двійники рутилу, «хвіст ластівки» гіпсу та ін.

Штрихуватість. Нерідко грані кристалів бувають покриті штрихами. Для низки мінералів ця властивість є дуже важливою діагностичною ознакою. Наприклад, поперечна штрихуватість спостерігається на гранях призми кварцу, чітка вертикальна – на гранях призми турмаліну, взаємно перпендикулярна – на трьох суміжних гранях кубу піриту.

Форми існування мінералів у природі. Залежно від умов утворення і хімічного складу мінерали формують досить характерні скупчення зерен або кристалів, які називають мінеральними агрегатами. Розглянемо агрегати, що трапляються найчастіше.

Зернисті агрегати складені кристалічними зернами. Ці агрегати є найпоширенішими. Приклади: кам'яна сіль, гіпс, апатит.

Якщо зерна мають пластинчастий вигляд, то їхні агрегати називають листуватими або лускатими (слюди, хлорит, тальк). Агрегати, що складаються з витягнутих в одному напрямку зерен, – голкуваті або волокнисті (гіпс, селеніт, азбест, моховий агат).

Дуже дрібні сипкі агрегати, що розтираються пальцями, називають землистими (каолініт). Від них слід виокремлювати щільні агрегати, в яких не можна розрізнити контури окремих зерен (халцедон).

Друзи являють собою зростки добре сформованих кристалів, прикріплених одним кінцем до загальної основи. Вони часто утворюються на стінках порожнин гірських порід. Приклади: досить поширені друзи гірського кришталю, смарагду, аметисту.

Секреції утворюються у результаті наповнення порожнин, переважно округлої форми, кристалічної або колоїдальною речовиною.

Характерна риса секрецій – пошарове відкладання мінеральної речовини від стінок порожнини до центру. При цьому окремі шари нерідко відрізняються за кольором і часто за складом. Дрібні секреції (до 10 мм) називають мигдалинами, зазвичай вони цілком заповнені. Великі секреції нерідко порожні всередині, їх називають жеодами.

Конкреції – кулясті утворення з радіально-променевою будовою. Вони формуються в осадових породах внаслідок стягнення мінеральної речовини до окремих точок – центрів. Приклади: конкреції фосфориту, марказиту, кременю та інших мінералів, що утворюються серед осадових порід.

Ооліти являють собою невеликі кульки концентрично шкаралупчастої будови. За способом утворення вони часто близькі до конкрецій. Ці сферичні утворення виникають у водному середовищі навколо завислих частинок. Приклади: бурий залізняк (лимоніт) оолітової будови, боксит, оолітовий вапняк (кальцит).

Натічні форми (сталактити, сталагміти, натіки) мінеральних утворень виникають у результаті випадання солей з розчинів під час випаровування. Вони так само, як і друзи кристалів, спостерігаються в порожнинах породи. Зі стелі печер часто звисають бурульки (сталактити), які складаються з мінеральної речовини, що виділилася з розчину. Назустріч їм із дна печери ростуть аналогічні утворення, речовина яких кристалізується з падаючих крапель розчину. Такі виступи називають сталагмітами. Натічні форми, що утворилися за рахунок зростання сталактитів і сталагмітів, називаються сталагнатами. Розміри зазначених утворень різні від дуже дрібних, майже мікроскопічних форм, до багатометрових стовпів арагоніту і кальциту у великих печерах. У напливних формах спостерігаються лімоніт, малахіт, опал, арагоніт, кальцит, гіпс, гематит.

У природі відомо приблизно 2500 мінералів, але лише близько 50-100 з них значно поширені й відіграють істотну роль у будові гірських порід. Їх називають породотворними мінералами. Не визначивши походження, складу і властивостей мінералів, не можна приступати до вивчення гірських порід.

Породотворні мінерали – це переважно кристалічні речовини, тобто такі, що характеризуються кристалічною структурою. Тверді речовини, у яких відсутнє закономірне розташування атомів (безладна структура), називають аморфними. Не ізотропні речовини, тобто їхні фізичні властивості в усіх напрямках однакові.

Сучасна класифікація мінералів ґрунтується як на хімічному складі, так і на кристалічній структурі і генезисі речовини. Роботами ряду вчених (Н.В. Бєлова, А.Г.Бетехтіна та ін) встановлено взаємозв'язок між хімічним складом, фізичними властивостями і кристалічною будовою речовини. Внутрішню структуру мінералів визначають в даний час рентгенометричним методом дослідження.

За хімічним складом і кристалічною будовою всі відомі мінерали розбиваються на кілька підрозділів (класів і підкласів), з яких найважливішими є: 1) самородні елементи, 2) сульфіди, 3) оксиди і гідрооксиди, 4) галоїдні сполуки, 5) солі кисневих кислот і 6) вуглецеві з’єднання. У ряді класів мінерали поділяються на підкласи, а всередині останніх – на групи мінералів.