Общие сведения о минералах
Добавил пользователь Алексей Ф. Обновлено: 14.12.2024
Минерал - это любое физически и химически однородное вещество, образовавшееся в результате естественных физико-химических процессов, происходящих в земной коре и на ее поверхности, в атмосфере и в космическом пространстве. В лабораторных условиях синтезируются искуственые минералы.
Общее количество минералов в природе, по данным разных авторов достигает 2500 и более. Предметом минералогического изучения являются твердые минералы.
Минералогия - это наука, изучающая закономерности происхождения, распространения, условия и места образования минералов в земной коре, а также условия превращения их в другие минералы. Минералогия изучает также внешний вид минералов, физические свойства, химический состав, строение, диагностические и поисковые признаки, области использования в народном хозяйстве.
Минерал может состоять из одного какого-либо химического элемента, и тогда говорят, что данный минерал встречается в самородном виде. Во всех других случаях минералы состоят из соединений катионов с простыми анионами или с комплексными анионами нескольких элементов, связанных между собою химически. Состав минералов показывается соответствующей формулой: C - алмаз, NaCl - галит. Например, NaCl (каменная соль) - эта формула обозначает, что каменная соль состоит из одного иона натрия и одного иона хлора, или что 39,4 весовых частей натрия соединены с 60,6 весовыми частями хлора.
Используются также структурные формулы, с помощью которых показывается не только химический состав, но и пространственное положение атомов (ионов) в минерале и их химические связи между собой.
В природе почти не встречается абсолютно однородных минералов, вследствие наличия в них примесей других элементов (их соединений), находящихся в определенных физико-химических соотношениях с основными соединениями или в виде механических включений.
Изучение химического состава минералов производится точными методами аналитической химии, с помощью кристаллографического, термического, рентгеноструктурного, спектрального, люминесцентного, микрохимического анализов, оптическими методами, методом паяльной трубки и др. эти виды анализов производятся тогда, когда необходимо определить точный состав изучаемого минерала. В обычной практике большинство минералов определяется по внешним признакам.
Общие сведения о минералах
Изучение дисциплины «Инженерная геология» преследует цель обеспечить студентов строительных специальностей теоретическими знаниями и практическими навыками по оценке инженерно-геологических условий территории строительства. Будущий инженер-строитель должен уметь распознавать геоморфологическое и геологическое строение района строительства, различать разновидность горных пород и оценивать их инженерно-геологические (строительные) свойства, разбираться в проявлениях подземных вод, прогнозировать влияние разнообразных геологических процессов на инженерные сооружения. Только имея четкое представление о значении рельефа, грунтовых и гидрогеологических условий, геологических процессов, инженер-строитель сможет принять правильное решение по оптимальному размещению и строительству промышленных и гражданских зданий и сооружений, трасс автомобильных дорог, ЛЭП и т.п.
Основной объем работ при оценке инженерно-геологических условий, как известно, приходится на установлении геологических условий, которые предопределяются, прежде всего, геологическим строением участка строительства (какими горными породами он сложен, как они залегают на глубине, какова их мощность и т.п.) и строительными свойствами горных пород. В настоящем учебном пособии в объеме, предусмотренном курсом инженерной геологии, рассматриваются основные факторы, определяющие геологические условия местности.
Первый раздел пособия посвящен изучению породообразующих минералов - составным частям, «кирпичикам», из которых сложены горные породы. Представлены сведения о способах образования минералов в природе, их строении и составе, классификациях, диагностических признаках и свойствах.
Второй раздел посвящен изучению основных типов горных пород, слагающих земную кору и являющихся объектом инженерно-геологических исследований. Рассматриваются способы образования, особенности строения, классификации, формы залегания в земной коре, важнейшие строительные свойства, а также возможные направления использования в строительстве магматических, осадочных и метаморфических пород.
В приложении представлены характеристики породообразующих минералов и основных типов горных пород, изучаемых в курсе инженерной геологии.
Минералы (от латинского minera - руда) - это однородные по составу, строению и свойствам природные химические соединения или самородные элементы, возникшие в результате разнообразных физико-химических и термодинамических процессов, происходящих в литосфере, гидросфере и атмосфере. Минералы в природе находятся преимущественно в твердом состоянии, реже встречаются жидкие (ртуть, вода) и газообразные (горючие газы, углекислый газ).
В настоящее время известно более 3000 минералов, но лишь очень немногие из них (около 100) имеют широкое распространение в составе горных пород. Они называются главными или породообразующими минералами. В курсе инженерной геологии наряду с породообразующими изучаются некоторые акцессорные или второстепенные минералы, встречающиеся в небольшом количестве, но играющие существенную роль в формировании строительных свойств горных пород. Например, наличие минерала пирит (даже в количестве 1. 2%) в составе гранита или диорита делает первый непригодным к применению в качестве облицовочного материала, а щебень второго - в качестве заполнителя бетона.
Минералы и горные породы. Строение и происхождение минералов
Минерал - природное вещество, состоящее из одного элемента или из закономерного сочетания элементов, образующееся в результате природных процессов, протекающих в глуби земной коры или на поверхности. Каждый минерал имеет определенное строение и обладает присущими ему физическими и химическими характеристиками. В настоящее время известно более 2 500 минералов (не считая разновидностей). Наука, изучающая минералы, называется минералогией.
В зависимости от агрегатного состояния, минералы подразделяются на твердые (кварц), жидкие (ртуть), газообразные (метан). Наибольшим распространением пользуются твердые минералы, среди которых, в свою очередь, преобладают кристаллическими (атомы в них расположены упорядоченно), и гораздо реже встречаются аморфные (с хаотичным расположением атомов). Наука о строении кристаллических минералов называется кристаллографией.
В зависимости от пространственного расположения элементарных частиц,, составляющих кристаллическую решетку, все многообразие форм кристаллов можно свести к нескольким группам симметрий, или сингоний. Выделяют семь сингоний: моноклинную, триклинную, ромбическую, тригональную, тетрагональную, гексагональную, кубическую. Огромное влияние на структуру кристаллической решетки оказывают физико-химические условия минералообразования: кристаллы одного и того же минерала, возникшие в разных условиях, будут отличаться сингонией. Более того, из одного элемента возможно формирование совершенно разных минералов: например, состоящих из углерода графита и алмаза. Способность одинаковых по составу твердых веществ кристаллизоваться в разных модификациях называется полиморфизмом.
От внутреннего строения напрямую зависят физические свойства минералов. Так, обладающие кубической сингонией октаэдрические кристаллы алмаза - модификации углерода - характеризуются наивысшей твердостью. Другая же модификация углерода - графит - кристаллизуется в гексагональной сингонии и отличается минимальной твердостью. Кристаллическим минералам свойственна анизотропность - физические свойства в них отличаются по разным направлениям в кристалле. Наоборот, аморфным минералам характерна изотропность - сохранение физических характеристик, независимо от направления. К числу важнейших физических свойств, позволяющих производить макроскопическое определение минералов, относят следующие: твердость, блеск, цвет в куске, цвет в порошке (цвет черты), спайность, излом, прозрачность, удельный вес.
По занимаемому в составе горных пород объему минералы делятся на породообразующие и акцессорные. Породообразующими (их около 50) являются минералы, играющие первостепенную роль в составе горных пород. Состав породообразующих минералов служит одним из критериев, по которым определяют название горной породы. Акцессорные минералы встречаются в виде незначительных примесей (не более 5 % от объема породы) и их наличие не влияет на название породы. Кроме того, выделяют обширную группу рудообразующих минералов, использующихся человеком для производства металлов.
По происхождению минералы делятся на типы, которые объединяются в две группы: эндогенные - возникают в глуби земной коры благодаря процессам магматизма и метаморфизма, а также экзогенные - образующиеся в верхней части земной коры в результате выветривания и осаждения из водных растворов. Последовательность формирования минералов от эндогенных до экзогенных можно представить следующим образом.
1. Магматический тип минералообразования имеет место в пределах магматического очага, возникающего в глуби земной коры. По мере остывания и гравитационного разделения магмы, из нее последовательно кристаллизуются вначале тугоплавкие, а затем все более легкоплавкие минералы. Соответственно, первыми возникают тяжелые зелено-черные минералы: оливин, авгит, лабрадор; затем более легкие: роговая обманка, слюды, ортоклазы, а в завершение - самый легкий низкотемпературный кварц. Такая последовательность получила название реакционного ряда Боуэна (по имени канадского ученого).
2. Пегматитовый тип проявляется на последних стадиях остывания магмы, при температурах 500 - 700° С, когда в расплавленном виде остаются лишь самые легкие фракции, обогащенные кислотами и щелочами и насыщенные газами. В этих условиях формируются своеобразные породы - пегматиты, сложенные крупными и гигантскими кристаллами кварца, ортоклаза, слюд. На данной стадии возникают многие драгоценные камни, рудные и радиоактивные минералы.
3. Пневматолитовый тип заключается в кристаллизации перенасыщенного газами вещества магмы, поднимающегося по трещинам земной коры. Из летучих соединений формируются руды висмута, вольфрама, молибдена, мышьяка и др. Когда температура понижается до 500° С, пневматолитовый тип начинает сопровождаться гидротермальными процессами, ведущими к накоплению рудообразующих минералов: галенита, сфалерита, киновари, халькопирита, пирита, золота, а также кальцита и др.
4. Гидротермальный тип начинается при охлаждении газов и растворов до 375° С, что обуславливает образование как самородных минералов, так и хлоридных, сульфатных и других соединений: серы, галита, сильвина и др.
5. Гипергенный тип минералообразования проявляется на земной поверхности в воздушной или водной среде, или на небольших глубинах в земной коре. Здесь неустойчивые ко внешним воздействиям минералы разрушаются и переходят в устойчивые соединения. Основополагающее значение принадлежит процессам выветривания, осаждения веществ из водных растворов, деятельности подземных вод. Характерными минералами являются каолин, монтмориллонит, галит, сильвин, малахит, лимонит, боксит и др.
6. Метаморфический тип обусловлен воздействием на горные породы высоких температур, давления, а также магматических газов и растворов. При этом возникает обширный перечень минералов, как хлорит, тальк, графит, магнетит и др.
Процессы минералообразования могут сопровождаться метасоматозом - замещением одних минералов другими при изменении физико-химических условий. Например, переходом пирита (FeS2) в лимонит (Fe2O3 x nH 2O) в результате окисления. Кроме того, возможно образование одного и того же минерала в разных условиях. Наконец, каждому типу минералообразования характерны свои, строго закономерные сочетания минералов, что ведет к образованию минералов-спутников. Такое явление получило название парагенезиса. Практическое значение парагенезиса заключается в том, что на основании обнаружения одного минерала, можно предполагать наличие другого. Так, наличие пегматитового кварца свидетельствует о возможности обнаружения золота.
Природные химические соединения (или отдельные элементы), обладающие определенными физическими и химическими свойствами, называются минералами. Из минералов состоят горные породы или минеральные агрегаты более или менее однородного состава, залегающие в виде самостоятельных тел.
В природе минералы встречаются в твердом, реже в жидком и газообразном состояниях. Названия минералам даются или по месту его нахождения, или по химическому составу, ярко выраженным химическим свойствам, или по фамилии ученого, изучившего или открывшего его. Всего в настоящее время известно около 2000 названий минералов, а вместе с разновидностями — 4000. Минералы рождаются в основном в недрах земной коры и меньше на поверхности Земли. Поэтому по происхождению их делят на эндогенные, (греч. эндон — внутри), что означает изнутри или в недрах земной коры рожденные, и экзогенные — рожденные в условиях поверхности Земли.
Эндогенные процессы минералообразования связаны глазным образом с деятельностью магмы, которая благодаря разности давлений способна внедряться в вышележащие слои. При этом она охлаждается и кристаллизуется, превращается вминералы и горные породы. Экзогенные минералы образуются в осадках морей, рек, озер, поэтому их называют осадочными. Часть из них рождается на суше при процессах окисления. Как магматические, так и осадочные минералы изменяются под воздействиемвысоких температур и давлений. Изменения выражаются в преобразовании химического состава, структуры, внешнего облика минерала. Такие процессы называются метаморфическими.
Твердые минералы имеют аморфную или кристаллическую структуру. Аморфные минералы образуются при быстрой кристаллизации вещества и состоят из хаотически расположенныхчастиц (атомов, ионов или молекул). Кристаллические структуры отличаются закономерным расположением частиц (по законам кристаллических решеток). Большинство минералов имеет кристаллическое строение. Условия образования минералов накладываютотпечаток на их внешнюю форму (морфологию).
Рис. 9. Монокристаллы: А — куб каменной соли, Б — гексагональный кристалл кварца, В — октаэдр магнетита, Г — ромбический додекаэдр граната
Минералы могут быть представлены кристаллами, кристаллическими двойниками, натеками, корочками, вкрапленниками, зернистыми, игольчатыми, клееподобными массами.
Кристаллы — это твердые природные тела, имеющие вид многогранников: многогранных призм, пирамид, кубов и более сложных форм (рис. 9). При одновременном развитии на одном основании нескольких кристаллических зародышей формируются группы различно направленных кристаллов, называемых друзами. При быстром росте кристаллов в разных направлениях образуются дендриты — кристаллы (рис. 10) в виде веточек дерева. Пустоты в минерале (горной породе), частично или полностью заполненные другим минеральный веществом называются секрециями. Минеральные стяжения в виде желваков почкообразной или шарообразной формы получили наименование конкреций. Малые конкреции эллипсовидной или шаровидной формы и размером от доли миллиметра до 5—10 мм называют оолитами. Оолитовое сложение имеют некоторые железные руды, известняки. При выпадении вещества из растворов образуются натечные формы в виде сросшихся почек, конусообразных вытянутых форм. Натеки сосулькообразной формы, растущие сверху вниз, именуют сталактитами,растущие снизу вверх — сталагмитами (рис. 11 а, б). В виде нечетных образований встречаются малахит, гипс, арагонит.
Одной из распространенных форм минералов являются вкрапленники — отдельные точечные, включения минералов в породе размером от долей миллиметра до нескольких сантиметров. Не менее распространены минеральные массы порошковатого, землистого, плотного и кристаллического сложения. Крайне разнообразны минеральные агрегаты. В зависимости от формы зерен они бывают зернистыми, игольчатыми, чешуйчатыми и др.
Рис. 10. Морфология минералов: А — друза кристаллов, Б— шарообразные конкреции фосфоритов, В —дендрит самородной меди, Г - секреции кварца и халцедона
Рис. 11. Натечные формы: а — сталактит, б — сталагмит
Физические свойства минералов.К физическим свойствам относят цвет, блеск, цвет черты, плотность, твердость, спайность, магнитность и некоторые другие.
Цвет для многих минералов — важный диагностический признак. По зеленому цвету определяют малахит, красному — киноварь и т. д. Способность минерала отражать свет называется блеском. Различают алмазный, стеклянный, металлический, шелковистый, матовый, жирный и другие виды блеска. Нередко при определении минерала пользуются цветом черты или цветом порошка минерала, остающихся на шероховатой поверхности фарфоровой пластинки. Твердость — степень сопротивления минералов царапанию, резанию. Определяют ее по шкале Мооса (табл. 1).
Каждый последующий минерал шкалы царапает предыдущие. В полевой практике пользуются шкалой заменителей: карандаш — твердость 1, ноготь — 2,5, медная монета — 3, гвоздь —4, стекло — 5, напильник — 6.
Таблица 1 - Шкала твердости Мооса
| Минерал | Твердость по шкале Мооса | Абсолютная твердость Н, кг/мм 3 | Минерал | Твердость по шкале Мооса | Абсолютная твердость Н, кг/мм 3 |
| Тальк Гипс Кальцит Флюорит Апатит | 2,4 | Ортоклаз Кварц Топаз Корунд Алмаз |
Плотность минералов колеблется от 1 до 23 г/см 3 . Способность минералов раскалываться по направлениям возможных граней кристалла с образованием ровных и гладких плоскостей называется спайностью. Выделяют несколько видов спайности. Чаще всего встречаются совершенная, весьма совершенная и несовершенная спайности. Способность минералов отклонять магнитную стрелку компаса называют магнитными свойствами.
При определении минералов обычно пользуются не всеми свойствами, а только наиболее ярко выраженными. Их принято называть диагностическими. Так, для магнетита FезО4 диагностическими являются черный цвет, темная черта, высокая плотность магнитные, свойства.
Минералы объединяют в группы или классы. По наиболее простой классификации выделяют: 1) самородные элементы, 2) сернистые соединения, или сульфиды, 3) окислы (оксиды), 4) галоидные соединения, 5) силикаты, 6) бораты, 7) карбонаты, 8)нитраты, 9) фосфаты, арсенаты, ванадаты, 10) сульфаты, 11) вольфраматы, молибдаты.
Минералогия
Минералогия это наука, исследующая природные химические соединения, называемые минералами, а именно их свойства, состав, структуру и условия генезиса. Это одна из базовых геологических дисциплин.
История науки
Минералогия является древнейшей среди геологических наук. Она появилась намного раньше, чем геология сформировалась в качестве самостоятельного научного направления. Первые минералогические наблюдения относятся к античным временам. Впервые они встречаются в трудах Аристотеля, где он выделил группу металлоидов как подобных металлам образований и классифицировал минералы на руды и камни. Теофраст описал в практическом аспекте 16 минеральных видов, разделив их на камни, металлы и земли. Позже Плиний Старший собрал в четырех трактатах все доступные в то время данные о минералах.
Далее минералогия развивалась благодаря горному делу.
В средневековье развитие геологических наук наиболее интенсивно происходило в арабских странах. Одним из выдающихся ученых в данной сфере является Бируни. Он создал описания драгоценных камней, впервые используя физические параметры такие как относительная твердость и удельный вес. В те же времена Ибн-Сина классифицировал известные минералы на растворимые (соли), земли и камни, горючие (сернистые) ископаемые, плавкие (металлы). В данный период в Европе алхимик Альберт Великий объединил данные о минералах.
К концу средневековья минералогические знания были весьма скудными. Под многими минералами понимали руды. Ввиду отсутствия химии не было данных о их химической природе.
В XVI в. В. Бирингуччио и Г. Агриколлой были составлены сводки минеральных знаний. Последний усовершенствовал классификацию Ибн-Сины. Также он подробно описал диагностические признаки и затронул генезис рудных месторождений.
В XVII в. датские, голландские и английские ученые положили начало геометрической кристаллографии и кристаллооптике.
К XVIII в. основную роль в сфере минералогии играла Швеция благодаря горнодобывающей промышленности. Поэтому здесь сформировалась группа минералогов, среди которых были К. Линней и А. Кронштедт. Первый пытался использовать для минералов двойную номенклатуру, а второй исключил из объекта изучения организмы и исследовал химический состав.
В то время под минералогией все еще понимали научную дисциплину с намного более обширным предметом изучения, чем сейчас. Так, в 1636 г. данный термин был введен в литературу Бернардом Цезиусом в качестве науки о всех естественных ископаемых телах. То есть существовало единое геолого-минералогическое направление естествознания.
Оно было разделено в 1780 г. А.Г. Вегенером на геогнозию (общая и динамическая геология), ориктогнозию (минералогия и петрография), горное искусство (горное дело). Благодаря этому, минералогия обрела более конкретный объект изучения (горные породы и окаменелости отделили от минералов). К тому же появились новые классификация, описательные методы изучения, номенклатура, курс обучения.
В 1783 г.Ж.Б. Роме де Лиля измерил межгранные углы кристаллов некоторых минералов, Р.Ж. Аюи в 1801 г. создал модель их строения. Это вместе с работами У. Воластона способствовало развитию кристаллографии.
Первым российским минералогом считают В.М. Севергина. Продолжив идеи М.В. Ломоносова, он подразделил ископаемые тела на простые (минералы) и сложные (горные породы и фоссилии).
В XIX в. зародились химическое и кристаллографическое направления минералогии. Появились многие фундаментальные понятия.
В XX в., благодаря учению о правиле фаз, особо интенсивно развивались физико-химическое и экспериментальное направления. Кроме того, начался синтез различных разделов минералогии.
Со второй половины XX в.начали развиваться такие направления как органическая, био- и наноминералогия.
Современная минералогия
В настоящее время данная дисциплина включает несколько направлений.
Описательная. Характеризует минералы, систематизирует и классифицирует их. Включает два раздела: физику минералов (применяет методы физики твердого тела для изучения кристаллов) и минераграфию (использует специфические методы такие как микрохимические реакции, оптику отраженного света и т. д.).
Генетическая. Исследует способы и процессы генезиса и преобразования минералов в естественных условиях. Также включает несколько разделов: топоморфизм (выявляет взаимосвязи особенностей минералов и условий их генезиса), термобаро-геохимию (изучает включения в минералах), изотопические исследования (выяснение источника вещества для минералообразования), трифогенезис (изучает способы питания при минералообразовании), топогенез (рассматривает законы пространственного распределения минералов), парагенетический анализ (выявление законов последовательной пространственной и временной смены парагенезисов для исследования эволюции минералообразования), учение о сосуществующих минералах (использование их как геобарометров и геотермометров), энергетические и термодинамические расчеты (оценка кислотно-основных свойств минеральных фаз), онтогенетический и кристалломорфологический анализ (выяснение истории и механизма генезиса минералов).
Экспериментальная. Занимается моделированием естественного минералообразования и обстановки формирования минералов. Включает в качестве самостоятельного раздела облагораживание и синтез их.
Региональная. Исследует отдельные территории такие как рудные месторождения, геологические провинции, экономико-географические регионы с целью выяснения законов пространственного распределения ассоциаций и минералов.
Топоминералогия. Рассматривает законы формирования и распределения их в геологических системах.
Минералогия космических тел. Исследует минералогические вопросы для планет, метеоритов и луны.
Астроминералогия. Перспективное направление, объединяющее минералогию, астрономию, физику. Изучает минеральный состав и минералы метеоров, астероидов и прочих космических тел, околозвездной среды.
Прикладная. Включает три раздела: поисковую минералогию (занимается выяснением поисковых и разведочных критериев, совершенствованием поисковых и оценочных методов, разработкой научных основ совмещения минералогических, геохимических и геофизических поисковых методов с целью увеличения эффективности геологоразведки), технологическую (направлена на увеличение полноты и комплексности применения минерального сырья путем минералогического и минералого-технологического картирования месторождений и рудных полей, технологического прогнозирования, стабилизации и планирования добычи руды, изучения технологических особенностей минералов, разработки способов направленного их изменения, контроля состава концентратов), новых видов сырья (выявляет особенности не используемых минералов и возможные области их применения).
Список минералов
Если показать все известные минералы одним списком, то получится очень много названий для одной страницы. Мы разделили всё по алфавиту.
Предмет, задачи, методы
Объектами изучения минералогии являются индивиды, агрегаты и их ассоциации.
Задачи минералогии:
- создание классификации минералов;
- установление взаимосвязей вариаций их строения, состава, свойств и условий формирования;
- разработка научных основ для поиска и разведки минеральных месторождений;
- совершенствование технологий переработки и применения новых видов сырья;
- разработка способов облагораживания и создания минералов.
В минералогии используют полевые и лабораторные методы определения и анализа. Кроме того, применяются термический, рентгенографический, оптический, а также различные прецизионные физические, изотопические, термобарогеохимические методы, количественного фазового анализа.
Образование
В вузах минералогия не представлена в качестве отдельной специальности. Обучение по данной профессии чаще всего производят в рамках специальности прикладная геология либо прикладная геохимия. Они подразумевает изучение общей геологии, основ картографии и геодезии, математических методов моделирования в геологии, безопасности ведения геологоразведки, инженерной графики, общей химии, многих дисциплин специализации и др.
Предусмотрены лабораторные работы и полевые минелогические практики. Помимо минералога, обучение дает такие профессии как геолог, геохимик, геокриолог, гидроэколог, топограф, гидрогеолог, маркшейдер, эколог, петролог, палеонтолог.
В "классическом виде" не особо востребована. Большинство специалистов работают в научной или образовательной сферах. Поэтому вышеназванные универсальные специальности выгодны тем, что дают возможность работы по нескольким профессиям.
Заключение
Минералогия относится к геологическим естественнонаучным дисциплинам. Это древнейшая среди геологических наук, появившаяся раньше самой геологии. В настоящее время включает несколько направлений и имеет большое прикладное значение как наука о процессах формирования, свойствах, методах разработки минерального сырья. Несмотря на это, минералоги в России востребованы мало. Поэтому обучение по данной профессии производится в рамках специальностей прикладная геология либо прикладная геохимия, что дает гораздо большие возможности для трудоустройства.
Читайте также: