Твердая оболочка Земли — земная кора — составляет лишь 1,5% от общего объема земного шара. Но, несмотря на это, именно земная кора, а точнее ее верхний слой, представляет для нас наибольший интерес, так как он является источником минерального сырья.
Минералы — это относительно однородные природные тела, имеющие определенные химический состав и физические свойства. Название «минерал» происходит от латинского слова «минера», что в буквальном переводе означает — руда, рудный. Наука, изучающая состав, структуру и свойства минералов, их происхождение и условия залегания, называется минералогией.
Минералы образуются в результате физико-химических процессов, совершающихся в земной коре. Как и вся окружающая нас природа, они состоят из химических элементов. Образно говоря, минерал—это своего рода здание из кирпичиков — химических элементов, построенное по определенным законам природы. И подобно тому, как из примерно одинакового количества кирпичей человеком возведено на Земле множество различных зданий, из сравнительно небольшого числа химических элементов природой создано в земной коре более 3 тыс. разнообразных минералов. Всего с учетом многочисленных разновидностей насчитывается более 7 тыс. их наименований, которые даются каждому минералу по какому-либо признаку.
В земной коре минералы чаще встречаются не самостоятельно, а в составе горных пород. Они во многом определяют физико-механические свойства горных пород и с этой точки зрения представляют наибольший интерес для технологии обработки камня. Большинство минералов встречается в природе в твердом состоянии. Твердые минералы могут быть кристаллическими или аморфными, различаясь внешне геометрической формой — правильной у кристаллических и неопределенной у аморфных.
Форма минералов зависит от расположения в них атомов. В кристаллических минералах атомы располагаются в строго определенном порядке, образуя пространственную решетку, благодаря которой многие минералы (например, кристалл кварца) имеют вид правильных многогранников. Кристаллические минералы анизотропны, т. е. физические свойства их различны по разным направлениям. В аморфных минералах (обычно они имеют форму натеков) атомы расположены беспорядочно. Такие минералы изотропны, т. е. физические свойства их одинаковы по всем направлениям.
В соответствии с общепринятой в настоящее время химической классификацией все минералы могут быть разделены на девять классов:
I. Силикаты — соли кремневых кислот, среди которых выделяют подгруппы минералов, имеющих некоторую общность состава и строения: полевые шпаты, разделяющиеся по химическому составу на плагиоклазы и ортоклазы, пироксены, амфиболы, слюды, оливин, тальк, хлориты и глинистые минералы. Это самый многочисленный класс, насчитывающий до 800 минералов. II. Карбонаты — соли угольной кислоты, включающие до 80 минералов и в их числе наиболее распространенные кальцит, магнезит и доломит. III. Окислы и гидроокислы — объединяют около 200 минералов, среди которых наиболее распространены кварц, опал, лимонит, гаматит. IV. Сульфиды — соединения элементов с серой, насчитывающие до 200 минералов. Типичный представитель — пирит. V. Сульфаты — соли серной кислоты, включающие около 260 минералов, среди которых наибольшее распространение получили гипс и ангидрит. VI. Галоиды — соли галоидных кислот, насчитывающие около 100 минералов. Типичные представители галоидов — галит (поваренная соль) и флюорит. VII. Фосфаты — соли фосфорной кислоты. Типичный представитель — апатит. VIII. Вольфраматы — вольфрамокислые соединения. IX. Самородные элементы — алмаз и сера.
Физические свойства минералов
Все минералы обладают определенными физическими свойствами, основные из которых делятся на три группы: морфологические особенности, определяемые внешней формой; оптические свойства, включающие цвет, прозрачность и блеск; механические свойства, выражаемые показателями твердости и плотности, степенью спайности и видом излома.
В природных условиях кристаллы минералов в основном имеют неправильные очертания, четко ограненные кристаллы встречаются довольно редко. Разнообразные формы минералов могут быть разделены на три основных вида:
Цвет минералов в первую очередь зависит от их состава. По цвету они могут быть разделены на светлые и темные. В составе светлых минералов преобладают кремний и алюминий, а железо и магний содержатся в малых количествах или вообще отсутствуют (кварц, полевые шпаты, гипс, кальцит н др.). В составе темных минералов преобладают железо и магний за счет уменьшения или отсутствия кремния и алюминия. Именно значительное содержание железа и магния способствует темной окраске минералов (роговая обманка, бнотит, или черная слюда, авгит, оливин, рубин и др.). Для многих минералов цвет строго постоянен, например у хлорита он всегда зеленый. У некоторых минералов наблюдается изменение цвета или появление оттенков; это связано с наличием в данных минералах каких-либо примесей. Так, например, обычно бесцветный кварц может стать молочным, фиолетовым и даже черным.
Кроме разделения по цвету, минералы делят также по прозрачности, т. е. по свойству пропускать свет, на три группы; прозрачные (кварц), полупрозрачные (гипс) и непрозрачные (графит). Причем, многие минералы становятся прозрачными только в тонких пленках.
Спайность минералов определяется исключительно внутренней структурой кристаллического вещества и не зависит от его внешней формы. Под спайностью понимают способность минералов раскалываться при ударе по определенным направлениям с образованием гладких плоскостей, называемых плоскостями спайности. Наличие спайности может быть установлено путем осмотра поверхности излома минерала при отраженном свете. Исследуемый минерал при этом следует поворачивать в разные стороны.
Спайность минералов можно оценить следующим образом: весьма совершенная, при которой минерал способен расщепляться на тонкие листочки (слюда); совершенная, когда при расколе молотком минерал дает обломки, ограниченные правильными плоскостями (кальцит); средняя, при которой образуются обломки с относительно правильными гранями (полевые шпаты); несовершенная, когда на осколках минерала местами заметны небольшие гладкие площадки (оливин и апатит); весьма несовершенная, при которой минерал раскалывается по неопределенным направлениям (кварц).
Поверхность разрыва и раскалывания минералов характеризует излом; по плоскостям спайности — у кальцита, раковистый — у кварца, землистый — у каолинита и т. д. Твердость минералов определяется их внутренней структурой и составом. Под твердостью минералов понимают способность их противостоять внешнему механическому воздействию, в частности прочерчиванию поверхности одного минерала более твердым другим минералом или каким-либо острым предметом.
Определение твердости минералов
Твердость
Видимые признаки твердости
Группы минералов по твердости
Наименование минерала
твердости
Флюорит
Каждому минералу присуща определенная твердость, которая ориентировочно оценивается по десятибалльной шкале твердости минералов, предложенной более 100 лет назад немецким ученым Ф. Моосом и носящей его имя. Истинная твердость минералов, которая в наше время может быть точно определена с помощью склерометров и выражается в паскалях (Па) или мегапаскалях (МПа), резко отличается от твердости, определяемой по шкале Мооса. Однако, несмотря на это, шкала Мооса прочно вошла в обиход при определении твердости минералов, которые подобраны в ней от самого мягкого— талька, до самого твердого—алмаза. Каждый последующий минерал по шкале тверже предыдущего, порядковый номер минерала обозначает его твердость. По шкале Мооса большинство минералов имеет твердость от 2 до 6.
Для определения твердости данного минерала его свежую поверхность прочерчивают осколком другого минерала с известной твердостью. Практически в качестве условных эталонов твердости можно использовать ноготь — твердость 2,5, стекло — 5, лезвие ножа — 5-У5.5 (табл. 1).
Главные породообразующие минералы
Из множества минералов только некоторые (не более 50) имеют массовое распространение. Обычно они встречаются не в одиночном виде, а входят в состав горных пород. Эти немногие наиболее распространенные в природе минералы, преимущественно слагающие горные породы, называют породообразующими. В горных породах породообразующие минералы распределены неодинаково. Например, главными минералами гранитов являются полевые шпаты—до 60%, кварц — до 40% и слюда, роговая обманка, авгит — до 10%. Ниже приведены основные свойства главных породообразующих минералов.
Плагиоклазы — группа полевых шпатов, минералы которой состоят из различных количеств альбита Na[AISi3O8] и анортита Ca[AISi2O8], Плагиоклазы могут быть белого, серовато-белого, серого и темно-серого цвета, иногда с зеленоватым или синеватым, реже красноватым, оттенком; имеют стеклянный блеск. Твердость 6— 6,5; спайность совершенная: при ударе молотком плагиоклазы раскалываются с образованием косого угла между плоскостями спайности. Плотность изменяется от 2610 у альбита до 2760 кг/м3 у анортита.
Ортоклазы K[AlSi3O3] — группа полевых шпатов, в составе которой наибольшее распространение получили ортоклаз и микроклин.
Ортоклазы могут быть розового, красного, желтого или серо-розового, реже белого или серого, цвета; имеют стеклянный блеск. Твердость 6; спайность совершенная и средняя. В отличие от плагиоклазов ортоклаз раскалывается на прямоугольные куски, так как его плоскости спайности перпендикулярны. Плотность ортоклаза 2500—2600 кг/м3
Микроклины по своим данным аналогичны ортоклазам, за исключением того, что угол между плоскостями спайности в микроклинах несколько меньше прямого угла. Минералы групп плагиоклазов п ортоклаза, представляющие полевые шпаты, наиболее распространены в земной коре. Они входят в больших количествах в состав гранитов, сиенитов, гнейсов и многих других горных пород. Лабрадор является главной составной частью лабрадорита, который служит облицовочным материалом с высокими декоративными качествами.
Авгит — Са (Mg, Fe, Al)[(Si, Аl2О6]- Наиболее распространенный минерал из числа пироксенов. Он может быть зеленовато-черного или буровато-черного, реже темно-зеленого или бурого, цвета; имеет стеклянный блеск. Твердость 5—6,5; спайность совершенная. Плотность 3200—3600 кг/м3. Авгит в больших количествах входит в состав габбро, пироксенитов и других горных пород, придает им хрупкость и затрудняет полировку.
Роговая обманка — Ca2Na (Mg, Fe)4(Al, Fe)[(Si, Al)4OH]2[OH]2. Один из наиболее значительных минералов группы амфиболов. Может быть зеленого или бурого цвета разных, преимущественно темных, оттенков; имеет стеклянный блеск. Твердость 5.5—6; спайность совершенная. Плотность 3100—3300 кг/м3. Роговая обманка в небольшом количестве входит в состав гранита.
Мусковит —КАl2[АISi3O10][ОН]2. Белая слюда, имеет стеклянный блеск. Твердость 2—3; спайность весьма совершенная. Плотность 2700—3100 кг/м3.
Биотит —K(Mg, Fe)3[Si3AlO10][OH, Fe]2. Черная слюда. Физические свойства аналогичны свойствам мусковита. Слюды входят в состав многих горных пород любого происхождения. При выветривании они расслаиваются и снижают механическую прочность пород, ускоряя их разрушение.
Оливин —(Mg, Fe)2SiO4. Имеет оливково-зеленый цвет; блеск стеклянный и жирный; раковистый излом. Твердость 6.5— 7; спайность несовершенная. Плотность 3200—4350 кг/м3. Оливии входит в состав диабаза, базальта; нз пего почти целиком состоят дунит и перидонит.
Тальк — Mg3[Si4O10](OH)2. Может быть белого, бледно-зеленого или светло-желтого цвета; блеск жирный. Твердость 1; спайность весьма совершенная. Плотность 2700—2800 кг/м3. Тальк встречается в виде плотных листоватых масс среди известняков и в составе тальковых сланцев. Он хорошо сопротивляется выветриванию.
Хлорит — Mg4Al2[Si2Al2O10][OH]8. Может быть от светло- до темно-зеленого цвета; блеск перламутровый. Твердость 2—2,5; спайность весьма совершенная. Плотность 2600—2850 кг/м3. Хлорит встречается в виде листоватых или чешуйчатых масс преимущественно в составе хлоритовых сланцем.
Кварц — SiO2. По цвету и прозрачности кристаллический кварц разделяется на прозрачный (горный хрусталь), фиолетовый (аметист), черный (морион). Излом раковистый; блеск стеклянный, на изломе жирный. Твердость 7; спайность весьма несовершенная. Плотность 2600 кг/м3. Скрытокристаллический, почковидный кварц с мутно-жирным блеском называется халцедоном, разновидности которого именуются: красноватая — сердолик, зеленая—хризопраз, полосатая с концентрическим строением — агат. Кварц — самый распространенный минерал земной коры, входящий в состав кварцитов, гранитов и др.
Кальцит — СаСОз. Бесцветный или молочно-белый минерал с различными оттенками; блеск стеклянный. Твердость 3; спайность весьма совершенная. Плотность 2600—2800 кг/м3. Широко распространен в составе известняков, мраморов и др.
Пирит —FeS2. Имеет латунно-желтый цвет; блеск металлический. Твердость 6—6,5; спайность несовершенная. Плотность 4900—5200 кг/м3. В зоне выветривания легко разрушается. Примесь пирита снижает качество строительных материалов.
Гипс — CaS04-2H2O. Имеет белый цвет с разными оттенками за счет примесей; блеск стеклянный, иногда матовый. Твердость 1,5—2; спайность совершенная. Плотность 2300 кг/м3. Волокнистая разновидность гипса—селенит. Полуводный гипс (CaSO4 — 2Н2О). Широко применяется в строительстве в качестве вяжущего.
Ангидрит — CaSO4. Представляет собой безводную и более твердую разновидность гипса, напоминающую мрамор. При соприкосновении с водой ангидрит переходит в гипс, увеличиваясь в объеме до 30%. Может быть белого, серого или голубоватого цвета; блеск стеклянный. Твердость 3—3,5; спайность совершенная. Плотность 2800—3000 кг/м3. Используется в качестве облицовочного и поделочного камня.
Минералы — это составные части горных пород, характеризующиеся тем или иным химическим составом и структурой. Горная порода обычно представляет собой смесь различных минералов.
Наша планета и все, что нас окружает, практически полностью состоит из минералов.
Кварц. Представлен в граните в виде небольших прозрачных или полупрозрачных кристаллов. Кварц — самый распространенный минерал земной коры. На фотографии запечатлен молочный кварц.
Слюда. Обычно имеет темный блестящий цвет. На снимке показана разновидность слюды биотит.
Полевой шпат. Часто встречающийся в горной породе минерал. Разновидность на фотографии называется ортоклаз и характеризуется светлым цветом, варьирующимся от белого до бледно-розового.
СОСТАВ И СТРУКТУРА
Подавляющее большинство минералов — твердые тела, однако встречаются и жидкие. Обычно минералы характеризуются особым химическим составом и упорядоченной атомной структурой.
Самые распространенные минералы земли
Сегодня науке известно свыше 3500 видов минералов, однако широко представлены в земной коре чуть более двухсот.
Некоторые из минералов когда-то были органическим веществом. Так, например, янтарь — это окаменелая смола древних хвойных деревьев.
Ежегодно геологи и ученые открывают новые минералы, правда, иные из них столь редки, что находятся лишь в нескольких экземплярах. До настоящего момента обнаружено более 3500 минералов, из которых только несколько десятков, во главе с кварцем, широко распространены на поверхности земли.
Это класс минералов солей кремниевой кислоты. На долю силикатов приходится свыше 75% массы земной коры и около 28% минералов. Всего в природе известно более 700 видов силикатов, включая важнейшие породообразующие — кварц, полевые шпаты, пироксены, амфиболы, слюды и другие.
Как правило, горные породы являются смесью минералов, которые благодаря природным катаклизмам и в результате воздействия температуры, давления и других внешних факторов перемешались, затвердели, выдержали испытание временем и обрели новые свойства. Большинство известных на нашей планете горных пород в своей основе имеют одинаковые минеральные составляющие (в разных пропорциях) или преобладающий минерал. Эти минералы, преобладающие в горных породах, принято называть породообразующими минералами. Именно породообразующие минералы являются наиболее распространенными минералами Земли, поскольку кора нашей планеты сложена, преимущественно, из горных пород.
Если оценить содержание в земной коре породообразующих минералов, то можно получить список наиболее распространенных, благодаря присутствию в подавляющем большинстве горных пород.
Самые распространенные минералы
К наиболее распространенным породообразующим минералам относятся силикаты (полевые шпаты, плагиоклазы, нефелин, роговая обманка, авгит, слюды), оксиды (кварц, гематит, лимонит), карбонаты (кальцит, магнезит, доломит), сульфаты (гипс, ангидрит, барит) и сульфиды (пирит, киноварь). Именно эти минералы, в зависимости от процентного содержания, придают горным породам те или иные физические свойства. Среди перечисленных породообразующих групп минералов наиболее распространены силикаты, которые составляют до 75 % земной коры. Остальные минералы присутствуют в составе горных пород в незначительных количествах, мало влияя на свойства этих пород.
Химические элементы, составляющие основу внутреннего строения породообразующих минералов, называются петрогенными. К петрогенным химическим элементам относятся кремний (Si), алюминий (Al), калий (К), натрий (Na), кальций (Ca), магний (Mg), железо (Fe), углерод (С), хлор (Cl), фтор (F), сера (S), кислород (О) и водород (Н).
Список наиболее часто встречающихся в земной коре минералов (или групп минералов) можно представить так:
Процентное содержание в общей массе земной коры тех или иных групп минералов указать сложно, поскольку они нередко образуют смешанные минеральные соединения. Но преобладание в составе верхних слоев Земли кремниевых соединений (силикатов) очевидно.
В недавнем прошлом одним из самых распространенных минералов земной коры считали роговую обманку. В настоящее время, после пересмотра каталога минералов Комиссией IMA по новым минералам, номенклатуре и классификации (CNMNC), образованной в 2006 году, роговая обманка дискредитирована, и минералом, как таковым, не считается.
Классификация минералов по химическому составу исходит из химического состава и кристаллического строения
Так как каждый минерал представляет собой определенное химическое соединение с характерной структурой, современная классификация минералов исходит из химического состава и кристаллического строения. Существует десять классов минералов: силикаты, карбонаты, окислы, гидроокислы, сульфиды, сульфаты, галоиды, фосфаты, вольфраматы и молибдаты, самородные элементы.
Таблица-1. Распределение минеральных видов между отдельными классами минералов и их содержания в земной коре
Силикаты. Наиболее многочисленный и распространенный класс минералов. Для силикатов характерен сложный химический состав и изоморфные замещения одних элементов и комплексов элементов другими. Общим для всех силикатов является наличие в анионной группе кремнекислородных тетраэдров [SiO4]4- в различных сочетаниях. Общее количество минеральных видов силикатов около 800. По распространенности на долю силикатов приходится более 75% от всех минералов литосферы.
Силикаты являются важнейшими породообразующими минералами, из которых сложена основная масса горных пород (полевые шпаты, слюды, роговая обманка, пироксены, оливин, хлорит, глинистые минералы). Самыми распространенными в природе являются минералы группы полевых шпатов.
2. Карбонаты. Карбонаты – соли угольной кислоты. Это многочисленная группа минералов, из которых многие имеют значительное распространение. Наиболее широко они распространены на земной поверхности и в верхней части земной коры. Карбонаты встречаются, в основном, в осадочных и метаморфических (мрамор) горных породах. Большинство карбонатов безводные и представляют собой простые соединения, главным образом Ca, Mg и Fe с комплексным анионом [CO3]2-. Характерные представители класса карбонатов кальцит, доломит, малахит, сидерит, магнезит.
3-4.Окислы и гидроокислы. Окислы – соединения элементов с кислородом, в гидроокислах присутствует также вода. В земной коре на долю окислов и гидроокислов приходится около 17%. Наиболее распространенными минералами этого класса являются окислы Si, Al, Fe, Mn, Ti, при этом минерал кварц SiO2 – самый распространенный минерал на земле (около 12 %). В кристаллических структурах минералов класса окислов катионы металлов находятся в окружении анионов кислорода О2- (в окислах) или гидроксила [ОН] 1- (в гидроокислах). Характерные представители: кварц, корунд, магнетит, гематит– окислы; лимонит, боксит– гидроокислы.
Таблица-2. Средняя распространенность для первых десяти химических элементов в земной коре, % по массе и их минеральная продуктивность.
Таблица-3. Средний состав Земли и земной коры, % по массе ( по Беусу А.А,1972 г.)
5.Сульфиды. Сернистых и аналогичных им минералов насчитывается более 200 видов, но общее их содержание в земной коре не велико, около 1%. С химической точки зрения они являются производными сероводорода H2S. Происхождение сульфидов главным образом гидротермальное, а также магматическое, редко – экзогенное. Минералы класса сульфидов образуются, как правило, на глубине, ниже границы проникновения в земную кору кислорода атмосферы.
Попадая в приповерхностную область, сульфиды разрушаются, кроме того, реагируя с водой и кислородом, они образуют серную кислоту, которая агрессивно воздействует на горные породы. Таким образом, сульфиды являются вредной примесью в природных строительных материалах. Наибольшее распространение имеют сульфиды железа– пирит, халькопирит; другие представители –галенит, сфалерит, киноварь.
6.Сульфаты. Сульфаты – соли серной кислоты. Многие из них растворимы в воде, поскольку являются осадками морских или озерных соленых водоемов. Некоторые сульфаты являются продуктами зоны окисления; известны сульфаты и как продукты вулканической деятельности. На долю сульфатов приходится 0,5% массы земной коры. Различают сульфаты безводные и водные, содержащие кроме общего для всех анионного комплекса[SO4]2- также добавочные анионы(ОН)1-.Представители: барит, ангидрит – безводные, гипс, мирабилит – водные.
7.Галоиды. К этому классу относятся фтористые, хлористые и очень редкие бромистые и йодистые соединения. Фтористые соединения, большей частью, связаны с магматической деятельностью, они являются возгонамивулкановили продуктами гидротермальных процессов, иногда имеют осадочное происхождение. Хлористые соединения Na, K и Mg преимущественно являются химическими осадками морей и озер и главными минералами соляных месторождений. Галоиды составляют около 0,5% массы земной коры. Типичные представители: флюорит (плавиковый шпат), галит (каменная соль), сильвин, карналлит.
8.Фосфаты. Минералы этого класса представляют собой соли фосфорной кислоты; кристаллическая структура этих минералов характеризуется наличием анионных комплексов [РО4]3-.Преимущественно это редкие минералы; наиболее широко распространены минерал-магматического происхождения апатит и имеющие тот же химический состав осадочные биогенные фосфориты.
9. Вольфраматы и молибдаты. Этот класс содержит небольшое количество минеральных видов; по составу минералы отвечают солям 33 вольфрамовой и молибденовой кислот. Главные представители вольфрамит и шеелит.
10. Самородные элементы. В самородном состоянии в природе известно около 40 химических элементов, но большинство из них встречается очень редко; вообще самородные элементы составляют около 0,1% массы земной коры. В самородном состоянии встречаются металлы– Au, Ag, Cu, Pt, Sn, Hg; полуметаллы – As, Sb, Bi и неметаллы – S, C (алмаз и графит).
***** РЕКОМЕНДУЕМ выполнить перепост статьи в соцсетях!
