Основы учения о минералах

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Минеральные образования и состоящие из них массы горных пород, включая минеральные полезные ископаемые, являются продуктами развития Земли, т.е. таких геодинамических процессов, как магнетизм, вулканизм, горообразование, физическое и химическое разрушение пород под действием льда, воды и ветра. В ходе развития Земли многократно происходило преобразование всей ее верхней оболочки и как следствие переотложение многих минералов и минеральных масс на структурных этажах земной коры.

Основы учения о минералах

Минерал -- однородное природное твёрдое тело, находящееся или бывшее в кристаллическом состоянии. Минералы являются составной частью горных пород, руд, метеоритов.

Термин минерал используют для обозначения минеральных индивида, вида и разновидности. Минерал как минеральный вид -- это природное химическое соединение, имеющее определённый химический состав и кристаллическую структуру. минерал земной кора кристаллохимический

Физические свойства минералов обусловлены кристаллической структурой и химическим составом. В природных минералах всегда есть различные неоднородности, дефекты, разупорядоченности, т.п., поэтому и их свойства не являются абсолютно постоянными. Различают скалярные физические свойства минералов и векторные, величина которых зависит от кристаллографического направления. Примером скалярного свойства может служить плотность, векторными являются твёрдость, кристаллооптические свойства и др. Физические свойства подразделяют на механические, оптические, люминесцентные, магнитные, электрические, термические свойства, радиоактивность.

К механическим свойствам относятся твердость, хрупкость, ковкость, спайность, отдельность, излом, гибкость (сопротивление излому), упругость.

· Габитус кристаллов. Выясняется при визуальном осмотре, для рассматривания мелких образцов используется лупа

· Твердость. Определяется по шкале Мооса. По этой шкале, самым твёрдым эталонным минералом является алмаз (10 по шкале Мооса, с абсолютной твёрдостью 1600, может резать стекло), а самым мягким является тальк (1 по шкале Мооса, с абсолютной твёрдостью 1, царапается ногтем). Твёрдость минерала не всегда постоянна для каждой из его сторон, что является производным от кристаллической структуры минерала -- в некоторый направлениях срезать слой кристаллической решётки легче, чем в других. Примером такого минерала является кианит имеющий твёрдость 5.5 по шкале Мооса в одном направлении и твёрдость 7 в другом.

· Спайность -- способность минерала раскалываться по определённым кристаллографическим направлениям.

· Излом -- специфика поверхности минерала на свежем не спайном сколе.

· Побежалость -- тонкая цветная или разноцветная плёнка, которая образуется на выветрелой поверхности некоторых минералов за счёт окисления.

· Хрупкость -- прочность минеральных зёрен (кристаллов), обнаруживающаяся при механическом раскалывании. Хрупкость иногда увязывают или путают с твёрдостью, что неверно. Иные очень твёрдые минералы могут с лёгкостью раскалываться, то есть быть хрупкими (например, алмаз)

· Удельная плотность это термин, используемый для определения единичной массы минерала, представляет собой отношение плотности (массы на единицу объема) минерала к плотности воды. Удельная плотность это скалярная величина. Для большинства минералов эта характеристика не является диагностической. Камнеобразующие минералы, силикаты и некоторые карбонаты имеют удельную плотность в диапазоне 2.5-3.5, что объясняет почему камни тонут в воде. Тем не менее высокая удельная плотность может служить диагностической характеристикой для некоторых классов минералов. Среди часто встречающихся минералов более высокую удельную плотность имеют оксиды и сульфиды, поскольку они включают в себя элементы с высокой атомной массой. В общем случае, минералы с металлическим блеском имеют тенденцию к более высокой удельной плотности, чем тусклые минералы. Для примера, гематит, Fe2O3, имеет удельную плотность 5.26, в то время как Галенит, PbS, имеет удельную плотность 7.2-7.6, что является следствием высокой концентрации в них железа и свинца соответственно. Исключительно высокая удельная плотность проявляется в самородных металлах. Камацит, Железо-никелевый сплав распространённый в железных метеоритах имеет удельную плотность 7.9, а наблюдаемая удельная плотность самородного золота достигает 19.3.

Оптические свойства:

· Блеск -- световой эффект, вызываемый отражением части светового потока, падающего на минерал. Зависит от отражательной способности минерала.

· Цвет -- признак, с определённостью характеризующий одни минералы (зелёный малахит, синий лазурит, красная киноварь), и очень обманчивый у ряда других минералов, окраска которых может варьировать в широком диапазоне в зависимости от наличия примесей элементов-хромофоров либо специфических дефектов в кристаллической структуре (флюориты, кварцы, турмалины).

· Цвет черты -- цвет минерала в тонком порошке, обычно определяемый царапанием по шершавой поверхности фарфорового бисквита.

· Преломление, Дисперсия и Поляризация характеризуют их оптические константы: показатель преломления, угол между оптическими осями, оптический знак кристалла, ориентация оптической индикатрисы и др.

Распространённость минералов на Земле является прямым следствием их химического состава, который, в свою очередь, зависит от распространённости различных химических элементов. Большинство наблюдаемых минералов добываются из земной коры. Большинство минералов имеют в своём основном составе всего 8 элементов, наиболее распространённых в земной коре: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий и калий (по степени убывания). Вместе эти восемь элементов составляют до 98 % от веса земной коры. Из этих восьми особое значение имеют кислород, составляющий 46,6 % от веса земной коры, и кремний, составляющий 27,7 %.

Химический состав минералов, как правило, близок по своему составу той породе, из которой они сформировались. Так из магмы, богатой железом и магнием, сформируется оливин, а магма, богатая силикатами, кристаллизуется в богатый силикатами минерал -- как, например, кварц. В известняке, богатом кальцием и карбонатами, формируются кальциты.

Химический состав может изменяться между членами ряда минералов. Например, плагиоклазы, входящие в группу каркасных алюмосиликатов -- полевых шпатов, по химическому составу представляют собой непрерывный изоморфный ряд натриево-кальциевых алюмосиликатов -- альбита и анортита с неограниченной смесимостью. Имеются 4 опознанные разновидности между богатым натрием альбитом и богатым кальцием анортитом -- олигоклаз, андезин, лабрадор ибитовнит. Другие примеры подобных рядов включают в себя оливиновый ряд от богатого магнием форстерита до богатого железом фаялита ивольфрамитовый ряд от богатого марганцом гюбнерита до богатого железом ферберита.

Наличие минеральных рядов объясняется химической субституцией. В природе минералы не являются чистыми материалами. В них присутствуют примеси, состоящие из любых элементов, находящихся в данной химической системе. В результате иногда определённый элемент подменяется другим. Такая подмена обычно происходит между ионами похожих размеров и одинаковых зарядов. Например, K⁺ не может подменить Si⁴⁺ из-за химической и структурной несовместимости, вызванной большим различием в размерах и в заряде, а подмена Si⁴⁺ на Al³⁺ происходит достаточно часто, так как они близки по размеру, заряду и распространённости в земной коре, что мы и наблюдаем на примере плагиоклазов.

Изменения температуры, давления и химического состава влияют на минералогический состав данной породы. Изменения химического состава могут быть вызваны такими процессами, как эрозия почвы и выветривание, а также метасоматизмом. Изменения температуры и давления происходят, когда материнская порода проходит тектонический или магматический сдвиг в иной физический режим. Изменения в термодинамических условиях благоприятно влияют на возможность реакции между уже сформировавшимися минералами с получением новых минералов.

В настоящее время в природе известно более 2500 минералов. Однако существенную роль в сложении горных пород имеют лишь несколько десятков минералов, которые называются породообразующими.

Минеральный состав земной коры (по Ферсману) в весовых %

Полевые шпаты - 55%

Пироксены и амфиболы - 15

Кварц и его разновидности - 12

Глинистые минералы - 1.5

Кальцит - 1.5

Вода в свободном и поглощенном состоянии - 8.25

Слюды - 3.5

Оксиды и гидроксиды - 3.0

Фосфаты - 0.75

По условиям образования среди почвообразующих минералов различают первичные и вторичные. Первичные образовались одновременно с образованием породы и сохранились в ней почти в неизменном состоянии (оливин, полевые шпаты, авгит, роговая обманка, кварц, слюды).

Вторичные образовались позже за счет первичных (глинистые минералы, лимонит, кальцит, доломит, гипс, галит).

Первичные и воричные минералы образуют главную массу почвообразующих пород и твердой фазы почвы, поэтому оказывают влияние на ее плодородие и физико-химические свойства почвы. Многие минералы входят в состав агрономических руд.

Процессы образования и происхождения (генезис) минералов в земной коре

Каждый тип минералов может существовать в природе лишь при определенных термодинамических условиях, из которых наибольшее значение имеют температура и давление. При изменении этих условий минералы либо разрушаются, либо перекристаллизовываться.

Все процессы минералообразования по главным источникам энергии можно разделить натри группы: эндогенные, экзогенные и метаморфогенные.

I. Эндогенные процессы образования минералов обусловлены внутренними силами Земли (главным образом магмой - глубинный поликомпонентный раствор-расплав)

По мере понижения температуры и остывания магмы на глубине происходит расщепление или дифференциация магматического расплава с последующей его кристаллизацией и затвердевания в несколько этапов.

а) магматический генезис (Т= 700-1200⁰С, давление десятки и сотни МПа) - кварц, оливин, пироксены, полевые шпаты, хромиты, платиноиды, сульфиды меди и никеля.

б) пегматитовый генезис - остатки жидкой магмы с газовыми компонентами проникают и застывают в трещинах, образовавшихся при остывании магмы. Так образуются кварц, полевые шпаты, слюды, рудные минералы, драгоценные камни.

в) пневматолитовый генезис - по мере дальнейшего охлаждения количество летучих веществ в ней становится избыточным. Летучие вещества выделяются из магмы и реагируют между собой и с ранее образовавшимися минералами, в результате образуются минералы - флюарит, апатит, сера.

г) гидротермальный генезис - при охлаждении газовой фазы ниже критической температуры (394⁰С) происходит конденсация водяных паров. Проникая по трещинам водные растворы, оказываются в условиях низких температур и давления, вследствие чего из них выпадают минералы - кварц, кальцит, барит, флюарит, самородные элементы, сульфиды.

д) Эксгаляционный генезис - при излиянии магмы на поверхность и ее остывании, часть газообразных компонентов улетучивается. Попадая в низкотемпературные условия, они кристаллизуются, переходя из газообразного в твердое состояние (касетерит, самородная сера, минералы бора и др.)

II. Экзогенный (гипергенный) процесс минералов - образование минералов вблизи или на поверхности Земли под действием кислорода, углекислого газа, воды, живых организмов, изменения температуры, солнечной энергии. Под влиянием этих факторов первичные минералы претерпевают глубокие химические и физико-химические превращения и из них образуются новые, более устойчивые в гипергенных условиях минералы.

а) биогенный процесс минералообразования (под влиянием животных и растений)

морские водоросли - кальцит, ароганит

диатомовые водоросли, радиолярии, губки - опал

моллюски - жемчуг

железопоглощающие бактерии - бурые железняки, глауконит, шамозит

б) галогенный процесс минералообразования (в результате выпадения и осаждения солей на дне морей, озер и мелководных лагун в периоды интенсивного испарения воды или изменения ее температуры). Так образуются гипс, галит, карнолит, мирабилит, сильвин

в) хемогенный процесс минералообразования (в условиях поверхности земли под действием выветривания) - глинистые минералы, оксиды и гидроксиды

III. Метаморфогенный генезис минералов - сложный процесс преобразования эндогенный и экзогенных минералов.

В зависимости от изменения основных факторов метаморфизма (давления и температуры) различают прогрессивный и регрессивный метаморфизм.

При прогрессивном метаморфизме минералы преобразуются в условиях последовательно увеличиваются давление и температура. Для глубоких зон метаморфизма характерна дегидратация, деоксидация и декарбонитизация минералов.

Пример

Опал > халцедон > кварц

Лимонит > гематит > магнетит

Под воздействием высоких температуры и давления происходит уплотнение вещества, под влиянием неравномерного бокового давления, происходит рост минералов ив одном направлении, поэтому для них характерны пластинчатые, листовые и игольчатые формы.

При регрессивном метаморфизме преобразование минералов происходит в условиях последовательного уменьшения давлений и температур. Такие условия возникают в результате тектонических движений земной коры. Такой тип метаморфизма известен под названием диафторез. При этом высокотемпературные минералы замещаются низкотемпературными (так образуются хлориты).

Классификация и краткая характеристика минералов

Данная классификация основана на кристаллохимическом принципе

Основные классы минералов

1) силикаты

2) оксиды и гидроксиды

3) карбонаты

4) фосфаты

5) сульфаты

6) нитраты

7) сульфиды

8) самородные элементы

1. Класс силикаты - самые распространенные в земной коре (более 33% от всех минералов, инее менее 85% от массы земной коры)

Основная структурная единица силикатов - кремнекислородный тетраэдр [SiO₄]^4- обладает четырьмя свободными валентными связями, за счет которых происходит присоединение других химических элементов и кремнекислородных тетраэдров.

В зависимости от характера соединений различают

а) Островные силикаты (тетраэдры представляют островки одиночных, сдвоеных тетраэдров или групп из 3, 4, 6 тетраэдров, соединенных в кольца, тетраэдры связаны собой катионами Mg²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺). Пример оливин, гранаты, циркон, топаз. Для класса характерна высокая плотность.

б) Кольцевые силикаты (тетраэдры соединены в большие кольца) - пример - берилл, турмалин

в) Цепочные силикаты (тетраэдры соединяются друг с другом в непрерывные цепочки с радикалом [Si₂O₆]^4-). Пример - авгит.

г) Ленточные силикаты (тетраэдры образуют двойные цепочки с радикалом [Si₄O₁₁]^6-).Пример - роговая обманка, актинолит, нефрит. Для класса характерно волокнистое строение.

д) Листовые силикаты (тетраэдры образуют один непрерывный слой). Пример - слюды, гидрослюды, глины, серпентин. Для класса характерна весьма совершенная спайность

е) Каркасовые силикаты (полевые шпаты). В силикатах bvth - fdubnяются друг с другом в непрерывные цепочки с радикалом пп из 3,4,6 тетраэдровх элементов данного типа непрерывный каркас состоит из связанных между собой тетраэдров через кислороды всех четырех вершин. Здесь нет свободных валентностей, присоединение других ионов невозможно. Кремний может замещаться алюминием или титаном, при этом возникает добавочная валентность. Для класса характерна совершенная спайность

Выделяют следующие подклассы

1. калий-натриевые полевые шпаты - ортоклаз, микроклин

2. натриево-кальциевые полевые шпаты - альбит, андезит, лабрадор

3. фельдшпатиды - нефелин

4. цеолита

2. Класс оксидов и гидроксидов (в классе около 200 минералов, 17% от массы земной коры, на долю кварца - 12, 6%, оксиды и гидроксиды - 3.9%). Отличительная способность - высокая твердость и плотность. Представители этого класса объединяют минералы разного происхождения и подразделяются, соответственно названию, на два подкласса: окислов, отличающихся высокой и средней твердостью, и гидроокислов, обладающих низкой твердостью. С другой стороны, названный класс можно разделить на окислы и гидроокислы кремния и окислы и гидроокислы металлов. Окислы и гидроокислы кремния обладают исключительно важным породообразующим значением: только на долю кварца SiO2 приходится до 12% массы земной коры. Скрытокристаллические модификации кварца представлены разноокрашенными халцедонами. Среди водных окислов кремния необходимо назвать опал SiO2 x nH2O. Этим минералам соответственно характерен стеклянный или металлический блеск. Окислы и гидроокислы металлов обладают важнейшим рудообразующим значением. Для них свойственен, соответственно, металлический или матовый блеск. Наибольшее значение принадлежит таким минералам, как магнетит Fe3O4, гематит Fe2O3, лимонит Fe2O3 x nH2O, корунд Al2O, боксит Al2O x nH2O.

3. Класс карбонатов (80 минералов, соли угольной кислоты, 1.5% от массы земной коры) - твердость средняя, блеск неметаллический, окраска светлая, хорошо растворяются в воде, богатой свободной углекислотой Пример - кальцит, арагонит, малахит, доломит. Карбонаты имеют огромное породообразующее значение в составе осадочных и метаморфических пород, составляют до 2 % массы земной коры. Отличительной особенностью карбонатов является их активное взаимодействие с соляной кислотой, сопровождающееся бурным выделением углекислого газа. Блеск большинства карбонатов стеклянный, твердость невысокая. Наиболее распространены такие представители, как кальцит CaCO3, магнезит MgCO3, доломит CaMg(CO3)2, сидерит FeCO3.

4. Класс фосфатов образован разного происхождения солями фосфорной кислоты. Класс насчитывает около 200 минералов, составляющих около 0,7 % массы земной коры. Чаще всего применяются для производства фосфорных удобрений магматического происхождения апатит Ca5 (F, Cl) [PO4]3 и близкий к нему по составу, но гипергенного происхождения фосфорит (фосфат кальция). Фосфатам характерны невысокие показатели твердости и плотности.

5. Класс сульфатов (260минералов, 0.1% от массы земной коры) - обычно это химические осадки, залегающие совместно с галоидами. Гипс и ангидрит - агрономические руды, используемые для гипсования солонцов. Сульфаты представляют собой соли серной кислоты, накапливающиеся, в большинстве своем, в соленасыщенной водной среде. Минералам свойственны низкая твердость, неметаллические разновидности блеска, светлая окраска. В земной коре широко распространены гипс CaSO4 x 2H2O, ангидрит CaSO4, мирабилит (глауберова соль) Na2SO4 x 10H2O.

6. Класс галоиды (100 минералов, 0.5% от массы земной коры) - соли галогеноводородных кислот, светлые, прозрачные, хорошо растворимые в воде. Многие из них агрономические руды. Галогениды (галоидные соединения) являются солями галоидно-водородных кислот. Чаще всего встречаются соединения хлористые и фтористые, такие, как применяемые в химической промышленности галит NaCl (каменная соль), сильвин KCl (калийная соль). В оптике используется флюорит CaF2. Галогениды отличаются стеклянным блеском, невысокими твердостью и плотностью, часто легкой растворимостью в воде.

7. Класс нитратов (крайне редко встречаются в природе) - производные солей азотной кислоты. За минералами этого класса утвердилось название «селитра», установлено, что источником N в них является азот воздуха. Образование селитр имеет биогенное происхождение, селитры - ценное минеральное удобрение.

8. Класс сульфидов (200 минералов, 0.15% от массы земной коры) - соли сероводородной кислоты, руды важнейших металлов, устойчивы только ниже УГВ, выше в зоне выветривания минералы разрушаются. Сульфиды - сернистые соединения тяжелых металлов. Образование сульфидов идет без доступа кислорода, большинство из них имеет гидротермальное происхождение. При окислении сульфиды легко переходят в окислы, карбонаты или сульфаты. Ценность сульфидов в том, что они являются рудами на цветные металлы, причем зачастую им сопутствует золото. Наибольшим распространением пользуются пирит (железный колчедан) FeS2, халькопирит (медный колчедан) CuFeS2, галенит (свинцовый блеск) PbS, сфалерит (цинковая обманка) ZnS, киноварь HgS и др. Подавляющему большинству сульфидов характерны металлический блеск, низкая и средняя твердость, высокая плотность. Металлы, входящие в состав сульфидов (Pb, As, Hg, Cd) весьма токсичны и в высоких концентрациях представляют опасность всему живому.

9. Класс самородные элементы (около 50 минералов, включая газы, менее 0.1% от массы земной коры). К нему относятся Pt, Ag, Au, Cu, S, алмаз, графит. Самородные минералы состоят только из одного химического элемента. Большинство имеет огромное хозяйственное значение (алмаз, графит, сера, золото, медь и др.). Физические характеристики самородных минералов отличаются большим разнообразием.

Размещено на Allbest.ru