|
|
содержание .. 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 ..
глава v МИНЕРАЛЫ ЗЕМНОЙ КОРЫ § 1. Понятие о минералах Минералами называются природные химические соединения или самородные элементы, образовавшиеся в результате различных физико-химических процессов в недрах Земли или на ее поверхности. Изучением химического состава минералов, их физических свойств и условий происхождения занимается минералогия. Кристаллические формы минералов рассматриваются в кристаллографии. В природе известно свыше 2000 минералов. По физическому состоянию они подразделены на жидкие, газообразные и твердые. К жидким относят воду, нефть, ртуть; к газообразным — природные газы, например метан и сероводород. Однако подавляющая часть минералов — твердые. В зависимости от расположения молекул и атомов твердые минералы бывают кристаллические и аморфные. У минералов, находящихся в кристаллическом состоянии, молекулы и атомы располагаются в строго определенном для данного вещества порядке, образуя структурную решетку. Физические свойства таких минералов постоянны в любых параллельных направлениях и меняются в непараллельных. Другими словами, кристаллические тела разносвойственны, или анизотропны. Аморфные минералы характеризуются беспорядочным расположением молекул и атомов. Их физические свойства развиваются во всех направлениях одинаково, в связи с чем эти тела равносвойственны, или изотропны. Минералы, находящиеся в кристаллическом состоянии, встречаются в природе чаще всего в виде агрегатов (скоплений зерен) и реже в виде кристаллов правильной формы. Наиболее распространены следующие агрегаты: 1) зернистые, представляющие собой скопление сросшихся минеральных зерен;
2) друзы — несколько минералов, сросшихся у основания; 3) конкреции — образования шарообразной формы, имеющие концентрическое или радиально-лучистое строение; 4) жеоды — пустоты в горной породе, частично заполненные минеральным веществом; 5) секреции — выполненные минеральным веществом пустоты; 6) оолиты — образования шаровидной и эллипсоидальной формы, имеющие концентрически-скорлуповатое и иногда радиально-лучистое строение; характеризуются наличием в центре минеральных обломков, органических остатков или пузырьков газа; часто встречаются в известняках, железных рудах, бокситах, кремнистых породах; 7) дендриты — древовидные образования, состоящие из отдельных сросшихся друг с другом кристаллов ветвеобразной формы, возникающие вследствие быстрой кристаллизации минералов; 8) натечные формы — образуются в результате выделения минерального вещества из растворов — это сталактиты, сталагмиты, почковидные агрегаты и др. Форма кристаллов может быть самой различной: октаэдр (восьмигранник^, додекаэдр (двенадцатигранник), трех-, четырех-и шестигранные призмы и пирамиды. § 2. Физические свойства минералов К основным физическим свойствам минералов относят кристаллическую форму, цвет в образце и цвет тонкого порошка (черты), побежалость, прозрачность, блеск, твердость, спайность, излом, плотность и др. На основании этих свойств можно определить большинство минералов, не прибегая к химическому анализу. Кристаллическая форма является, пожалуй, самым точным внешним признаком для определения минералов. Однако в природе минералы встречаются главным образом в виде зерен неправильной формы, не имеющих четко выраженных кристаллических граней, и установить их кристаллическую форму невооруженным глазом очень трудно. Для этой цели применяются оптические методы исследования шлифов. Иногда минералы образуют кристаллические формы, несвойственные им. Это обусловлено замещением ранее существовавших минералов с сохранением их внешней формы. Такое явление называется псевдоморфизмом. Например, встречающиеся в природе кубы лимонита, никогда не образующего кристаллы, представляют псевдоморфозу по пириту, кристаллы которого имеют форму куба. Цвет минералов — бржный признак для их характеристики и диагнсстики. Различают цвет минерала в образце и цвет тонкого порошка — черты. Цвет минералов может быть обусловлен внутренними их свойствами, незначительными изоморфными примесями и включениями посторонних минералов, различными световыми эффектами (преимущественно с явлениями интерферен-
ции). Поэтому цвет одного и того же минерала может иметь различные оттенки. Цвет черты — цвет тонкого порошка минерала, который образуется, если минералом провести черту на неглазурованной поверхности фарфоровой пластинки. Цвет черты может отличаться от цвета образца. Побежалость — окраска минералов, связанная с появлением на них тончайшей пленочки других минералов. Чаще побежалость бывает радужной, переливающейся различными цветами, напоминающими окраску тонких пленок нефти, иногда одноцветной. Блеск минералов обусловлен их способностью отражать свет и зависит в основном от показателя преломления света. Различают блеск металлический и полуметаллический для непрозрачных минералов, стеклянный, алмазный, перламутровый, смолистый, восковой и др. Твердость минераллов — сопротивление механическому воздействию другого, более прочного тела. Точное определение твердости минерала производится специальными приборами — микротвердомерами. Приближенно она оценивается по эталонным минералам шкалы Мооса, которую составляют 10 минералов в порядке увеличения твердости на единицу: 1 — тальк, 2 — гипс, 3 — кальцит, 4 — флюорит, 5 — апатит, 6 — ортоклаз, 7 — кварц, 8 — топаз, 9 — корунд, 10 — алмаз. Если один из минералов царапает другой, то он считается более твердым. Для определения твердости какого-либо минерала его сравнивают с парой смежных эталонных минералов. Спайность минералов — свойство кристаллов колоться по плоскостям, параллельным действительным и возможным граням. Эти плоскости называются плоскостями спайности. Явление спайности объясняется особенностями внутреннего строения кристаллов. Различают несколько степеней спайности. При весьма совершенной спайности минерал легко расщепляется пальцами на отдельные пластинки (слюда, гипс). Совершенная спайность проявляется в том, что при ударе молотком минерал раскалывается по ровным плоскостям (кальцит). Для средней степени спайности характерно образование при раскалывании минерала ступенчатых поверхностей с параллельными ступеньками (полевой шпат). При несовершенной спайности на обломках расколотого минерала лишь изредка можно обнаружить остатки плоскостей (берилл). У минералов с весьма несовершенной спайностью на изломе практически нельзя обнаружить ровных, параллельных друг другу поверхностей (кварц). Излом — это форма поверхности раскола, на которой нельзя обнаружить элементов спайности. Различают формы излома: раковистый, напоминающий волнистую поверхность раковины (сера); занозистый, напоминающий неструганую доску /роговая обманка); землистый, имеющий матовую поверхность,
как бы покрытую мелкой пылью (мел, лимонит); зернистый, характерный для минералов с зернистым строением (мрамор, антрацит). Относительная плотность минералов изменяется от долей единицы (газы, нефть, лед) до 23 (осмистый иридий). В соответствии с этим различают минералы легкие с относительной плотностью до 2,5; средние — 2,5—4 и тяжелые — свыше 4. Наряду с перечисленными общими для всех минералов свойствами ряд минералов обладает характерными только для них физическими свойствами, являющимися иногда их основными диагностическими признаками. К таким свойствам следует отнести прозрачность минералов, их ковкость, плавкость, магнитные свойства, реакции с кислотами и т. п. § 3. Классификация минералов по химическому составу В зависимости от химического состава все минералы разделяются на несколько классов, важнейшими из которых являются: самородные элементы, сульфиды, галоиды, окислы и гидроокислы, карбонаты, фосфаты, сульфаты, силикаты, а также природные органические соединения. Самородные элементы. Это класс минералов, состоящих из какого-либо одного элемента. Они мало распространены в земной коре. К ним относятся золото, серебро, медь, платина, алмазы, графит, сера и др. Сера — S. Встречается в виде кристаллов и землистых агрегатов, желваков, налетов; цвет соломенно-желтый до бурого; черта бесцветная; блеск жирный; твердость 1,5—2,5; спайность несовершенная; относительная плотность 2; образуется при химическом разложении гипса и сернистых соединений, при вулканических извержениях. Сульфиды (сернистые соединения). Класс сульфидов объединяет свыше 250 минералов. В химическом отношении сульфиды представляют собой соединения различных элементов с серой (производные H2S). Наиболее распространены галенит, сфалерит, халькопирит, пирит, борнит, киноварь, молибденит и др. Галенит (свинцовый блеск) — PbS. Кристаллы кубической формы; цвет свинцово-серый; черта серовато-черная, блестящая; непрозрачен; блеск металлический; твердость 2,5; спайность совершенная по кубу; относительная плотность 7,5; часто встречается с пиритом и сфалеритом; нередко содержит примеси серебра; происхождение гидротермальное. Применяется как руда на свинец и серебро. Сфалерит (цинковая обманка) — ZnS. Встречается в виде кристаллов тетраэдрической формы; цвет бурый, коричневый, черный, реже желтый, зеленоватый; красный, иногда бесцвет-64 ный; черта желтая; блеск жирный, алмазный; прозрачен или полупрозрачен; изотропен; твердость 3—4; спайность весьма совершенная; относительная плотность 3,5—4,2; образуется при гидротермальных процессах. Применяется как цинковая руда. Халькопирит (медный колчедан) — CuFeS2. Встречается в виде неправильных зерен и сплошных масс; кристаллы тетраэдрической и октаэдрической формы; цвет латунно-желтый, нередко с пестрой побежалостью; черта черная с зеленоватым оттенком; блеск металлический; твердость 3—4; спайность несовершенная; относительная плотность 4,1—4,3; непрозрачен; слабо анизотропен; происхождение различное. Применяется как медная руда. Пирит (серный колчедан) — FeS2. Самый распространенный сульфид; встречается в виде кристаллов кубической формы, сплошных масс, конкреций и т. п.; цвет светло-желтый, часто с побежалостью латунно-желтого, бурого и пестрого цвета; непрозрачен; изотропен; твердость 6,65; спайность весьма несовершенная; относительная плотность 4,9—5,2; происхождение различное. Применяется как сырье для получения серной кислоты. Галоиды. Минералы этого класса представляют собой соли галоидно-водородных кислот: НС1, HF, НВг, HI. Наиболее распространены соли хлористой кислоты — галит и сильвин. Галит (каменные соли) — NaCl. Встречается в виде кристаллических агрегатов, реже — отдельных кристаллов кубической формы; бесцветный или белого цвета, встречаются разности красного, серого, синего, желтого цветов; прозрачен и просвечивает; твердость 2; спайность совершенная в трех направлениях; относительная плотность 2,15; хрупкий; легкорастворим в воде; вкус соленый; образуется в процессе осадконакопления, осаждается на дне соленых озер и залегает в виде пластов. Окислы и гидроокислы. Минералы этого класса составляют около 17 % массы литосферы. Класс делится на две группы: 1) окислы и гидроокислы кремния (кварц, халцедон, опал и др.), 2) окислы и гидроокислы металлов (гематит, магнетит, лимонит, касситерит, корунд и др.). Кварц — SiO2. Один из наиболее распространенных в природе минералов, на его долю приходится более 12 % массы литосферы; встречается в виде зернистых агрегатов, хорошо образует кристаллы в форме шестигранной призмы, оканчивающейся с одной или двух сторон шестигранной пирамидой; грани часто покрыты тонкой поперечной штриховкой; цвет кварца различный; его бесцветная прозрачная разновидность — горный хрусталь, сероватая— дымчатый кварц, фиолетовая — аметист, черная — ма-рион; блеск на гранях стеклянный, на изломе — жирный; твердость 7; спайность весьма несовершенная; излом раковистый, неровный; относительная плотность 2,7; происхождение кварца различное. Скрытокристаллическая разновидность кварца называется халцедоном. Он образует плотные массы, натечные образования,
желваки молочно-ceporo, желтого и других цветов; полосчатая разновидность халцедона называется агатом, а загрязненная песком и глиной — кремнем. Опал — SiO2-nH2O. Аморфный минерал, встречающийся в виде плотных натечных масс; цвет желтоватый, оранжевый, красноватый, черный; блеск слабостеклянный, слабожирный; излом раковистый, неровный; твердость 5,5; относительная плотность 1,9—2,3; при нагревании кусочков опала в пробирке выделяется вода, этим опал отличается от халцедона. Гематит (железный блеск) — Fe2O3. Встречается в виде листовых, чешуйчатых, зернистых и землистых агрегатов, редко в виде кристаллов ромбоэдрического строения; цвет в кристаллах серо-стальной до черного, в чешуйках просвечивает тёмнокрасным, землистые агрегаты — красные; черта вишнево-красная; блеск металлический; твердость 5—6; спайность несовершенная; излом раковистый; непрозрачный; относительная плотность 5,2; обладает магнитными свойствами; образуется при метаморфических и гидротермальных процессах. Гематит является важнейшей железной рудой. Магнетит (магнитный железняк) — FeO-Fe2O3. Встречается в виде зернистых масс, вкраплений, кристаллов; цвет железо-черный с синеватым оттенком; черта черная; блеск металлический; непрозрачный; твердость 5,5—6,5; спайность несовершенная; относительная плотность 4,9—5,2; обладает сильными магнитными свойствами; наиболее крупные месторождения имеют метаморфическое происхождение. Карбонаты. Класс карбонатов объединяет минералы, являющиеся солями угольной кислоты Н2СО3. Для всех карбонатов характерна способность вступать в реакцию с соляной кислотой НС1. На их долю приходится около 2 % массы земной коры. Некоторые карбонаты являются рудами металлов: железа, марганца, меди, цинка, свинца и др. Кальцит (известковый шпат) — СаСО3. Самый распространенный минерал этого класса, он целиком слагает такие породы, как известняк, мел и мрамор; бесцветный, белый, из-за примесей иногда имеет желтые, розоватые, сероватые и голубоватые тона; черта белая; блеск стеклянный, иногда перламутровый; прозрачный или просвечивает, прозрачные кристаллы кальцита называются исландским шпатом; твердость 3; спайность совершенная; относительная плотность 2,6; бурно реагирует с соляной кислотой; происхождение осадочное, гидротермальное, биогенное, может быть также продуктом метаморфизма. Применяется в строительной, химической, металлургической, оптической и других отраслях промышленности. Доломит — MgCa(CO3)2. Встречается в виде зернокристалли-ческих масс, почвовидных, шаровидных и других агрегатов; цвет белый, сероватый, красноватый, зеленоватый; блеск стеклянный; твердость 3,5—4, спайность совершенная; относительная плот-
ность 2,8—2,9; реагирует с НС1 в порошке или при нагревании; происхождение гидротермальное и осадочное. Применяется в строительной, металлургической и других отраслях промышленности. Фосфаты. Фосфаты относительно слабо распространены. Их масса не превышает 0,1 % массы литосферы. Из многочисленных минералов этого класса, в основном солей ортофосфорной кислоты, наибольшее практическое значение имеют апатит и фосфорит. Апатит — Са5 (F или С1) (РО4)3. Встречается в виде мелкозернистых масс, реже в виде отдельных кристаллов в форме шестигранной призмы, достигающих огромных размеров; цвет белый, зеленый, фиолетовый, бурый; черта светлая; блеск стеклянный, на изломе жирный; твердость 5; спайность несовершенная; излом неровный; относительная плотность 3,2; образуется чаще магматическим путем при внедрении щелочных магм. Служит сырьем для получения фосфора и фосфорных удобрений. Фосфориты имеют такой 'же состав, что и апатиты, но образуются в результате экзогенных процессов; генезис — осадочный, химический и биогенный; легко растворяются при нагревании в соляной и азотной кислотах. Применяются для получения суперфосфата. Сульфаты. Минералы этого класса — соли серной кислоты. Образуются они в основном в результате осаждения солей серной кислоты в лагунах и озерах и при окислении сульфидов. Наиболее распространены гипс и ангидрит. Гипс —CaSO4-2H2O. Встречается в виде толсто- и тонко-таблитчатых кристаллов; цвет белый, бесцветный, примеси обусловливают различные цветные тона; черта белая; блеск стеклянный; твердость 2; спайность весьма совершенная; относительная плотность 2,3. При обезвоживании гипс переходит в ангидрит. Ангидрит — CaSO4. Встречается в виде плотных мелкозернистых масс; цвет белый; блеск стеклянный; просвечивает; твердость 3—3,5; спайность совершенная; относительная плотность 3. Силикаты. Самый многочисленный класс минералов. На их долю приходится до 33 % всех минералов. Силикаты составляют до 75 % массы земной коры (без кварца, сходного с ними по внутренней структуре). Участвуют в образовании пород, некоторые представляют собой ценные полезные ископаемые: драгоценные камни, слюды, керамическое сырье, руды. Силикаты— соли кремниевых и алюмокремниевых кислот. Наиболее распространены полевые шпаты. На их долю приходится до 50 % массы земной коры. В свою очередь, полевые шпаты делятся на калиевые полевые шпаты и плагиоклазы. Из калиевых полевых шпатов наиболее представителен ортоклаз. Ортоклаз — KAlSi3O8. Является составной частью осадочных, серый, розовый, мясо-красный; блеск стеклянный; твердость 6; спайность совершенная; относительная плотность 2,6; разновидность ортоклаза — микроклин. Плагиоклазы объединяют группу минералов, состоящих из смеси двух конечных минералов этой группы: альбита — NaAlSi3O8 и анортита — CaAl.2Si2O8, имеющих одинаковую кристаллическую решетку. Такая смесь минералов называется изоморфной. Группу плагиоклазов составляют следующие минералы: альбит, олигоклаз, андезин, Лабрадор, битовнит и анортит. Альбит. Встречается в виде плотных зернистых масс; образует кристаллы в виде мелких пластинок, сросшихся в щетки; цвет обычно белый; черта белая или бесцветная; блеск часто перламутровый; твердость 5,5—6,0; спайность совершенная по двум направлениям; относительная плотность 2,6. Одну из групп силикатов составляют пироксены. Авгит — Ca(Mg, Fe, Al) (Si, A1)2O6. Наиболее яркий представитель группы пироксенов; чаще встречается в виде зернистых агрегатов; кристаллы имеют форму восьмигранных столбиков; цвет зеленовато-черный и черный; блеск стеклянный; твердость 5—6; спайность средняя; относительная плотность 3,5. В отличие от пироксенов минералы группы амфиболов имеют иное строение кристаллов. Типичным минералом этой группы является роговая обманка. Роговая обманка. Характеризуется очень сложным и непостоянным химическим составом; кристаллы представляют собой удлиненные четырех- и шестигранные призмы; встречаются в виде волокнистых и плотных масс и отдельных кристаллов; цвет темно-зеленый, черный; черта зеленая; твердость 5,5; спайность совершенная в двух направлениях, в третьем направлении — занозистый излом; блеск стеклянный; относительная плотность 3,1—3,3. Большую группу минералов образуют листовые силикаты, к которым относят слюды (мусковит и биотит), тальк, серпентин, каолинит, глауконит и др. Мусковит (белая слюда). Бесцветный минерал; блеск стеклянный, перламутровый; твердость 2—3; спайность весьма совершенная, раскалывается на очень тонкие пластинки по плоскостям спайности; относительная плотность 2,7; образуется при магматических и метаморфических процессах. Применяется в электро-и радиотехнике и др. Каолинит (фарфоровая глина) — Al2(OH)8[SiaO5]. Встречается в виде плотных порошковидных и землистых масс; цвет белый, серовато-белый, желтоватый; твердость 1; излом землистый; прилипает к языку; относительная плотность 2,6; образуется при выветривании главным образом полевых шпатов, слюд и содержащих их пород. Применяется на строительстве, при производстве керамики, бурении скважин, для получения алюминия. Природные органические соединения. Среди природных органических соединений особая роль отводится 68 углеводородам. Это твердые, жидкие и газообразные химические соединения углерода (С) и водорода (Н), называемые битумами и получающиеся в результате распада органических веществ. К жидким битумам относится нефть. Подробно о нефти сказано во втором разделе учебника. К твердым битумам относятся асфальты, кериты, антраксолиты и др. Все твердые битумы (за исключением озокерита) являются продуктами изменения тяжелых смолистых нефтей нафтеново-ароматического типа. Асфальты (горные смолы). Это хрупкий (иногда вязкий) смолистый минерал темно-бурого, почти черного цвета; представляет собой смесь окисленных углеводородов с содержанием С от 67 до 88 %, Н от 7 до 10 % и О + N + S от 2 до 23 %; твердость 2; относительная плотность 1,0—1,2; является продуктом изменения нефтей с нафтеновым основанием; легкорастворим в скипидаре, хлороформе и сероуглероде; часто пропитывает пески и известняки, а также встречается в виде жил, заполняет пустоты, образуя озера. Асфальты широко применяются в промышленности. Асфальтиты. Так называется группа твердых и более чистых, чем асфальты, ископаемых битумов — альберита, гремита, гра-хемита. Элементарный состав асфальтов и асфальтитов приблизительно одинаков; цвет асфальтитов черный; хрупкие; поверхность излома блестящая; относительная плотность 1,13—1,20; полностью растворяются в хлороформе; плавятся без видимого разложения. Кериты. Твердые, углеводородные битумы, образовавшиеся в результате метаморфизма нефтей; элементарный состав: С (80—90 %), Н (4—10 %), О + N + S (2,5—10 %); твердые, очень хрупкие минералы черного цвета с сильным блеском; в органических растворителях полностью не растворяются; при нагревании не плавятся, а вспучиваются и разлагаются. Антраксолиты. В отличие от рассмотренных выше твердых битумов антраксолиты являются продуктом более высокой степени метаморфизма нефтей. Это черное, хрупкое, блестящее вещество, нерастворимое в органических растворителях; при нагревании не плавится; элементарный состав: С 90—99 %, Н 0,2— 4 %, О + N + S 0,5—5 %; относительная плотность 1,3—2,0; залегает в виде жил. Озокериты (горный воск). Минералы от светло-желтого до черного цвета, с раковистым изломом; относительная плотность 0,85—0,97; температура плавления 52—82 °С. Твердость озокери-тов определяется глубиной проникновения иглы под нагрузкой (пенетрация), она изменяется от 2—8° (царапание ногтем) до 360° (мазеподобен); озокериты горят ярким пламенем. Элементарный состав: С 84—86 %, Н 13—15 %, N 0—26 %, S 0 — 0,2 %. В составе озокеритов преобладают твердые парафиновые углеводороды метанового ряда (СлН.г„+2)-. Хорошо растворимы в бен-
зине, керосине, нефти, сероуглероде, смолах, хлороформе. Широко используются в электротехнике, парфюмерии, кожевенной и текстильной промышленности, а также в медицине. Газообразные битумы. Они объединяют природные углеводородные газы, среди которых выделяют сухие газы, попутные, газы газоконденсатных и газы каменноугольных месторождений. Подробно рассмотрены во втором разделе учебника.
§ 4. Породообразующие минералы Минералы, определяющие основные свойства горных пород, называются породообразующими. К ним относят полевые шпаты, кварц, амфиболы, пироксены, слюды, карбонаты, сульфаты и др. Наряду с породообразующими выделяют второстепенные и акцессорные минералы. К второстепенным относят минералы, присутствие или отсутствие которых не меняет положения породы в систематике, не влияет на основные ее свойства. Акцессорные минералы— это минералы, образующие количественно ничтожную, а качественно нередко характерную примесь в горных породах. Их можно использовать при корреляции горных пород, для определения возраста осадочных пород разных районов и т. п. Для каждой группы пород характерны свои породообразующие минералы. Минералы, являющиеся для одних пород второстепенными, для других могут быть породообразующими.
содержание .. 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 ..
|
|
|