Лекции по геологии

Лекция 5-6

Минералы

1. Кристаллические формы минералов.

2. Физические свойства минералов.

3. Образование минералов и горных пород.

4. Классификация и описание минералов.

Все вещество земной коры и мантии Земли состоит из минералов, которые разнообразны по форме, строению, составу, распространению и свойствам. Все горные породы состоят из минералов и продуктов их разрушения, которые являются основой почв и определяют многие их свойства. Поэтому для почвоведения крайне важны знания о распространении, образовании минералов и горных пород, их свойствах и изменении во времени.

Понятие о минералах и их свойствах

Минерал (лат. minera — руда) — природное тело с определенным химическим составом и кристаллической структурой, образующееся в результате природных физико-химических процессов и обладающее определенными физическими, химическими и механическими свойствами. Изучением минералов занимается геологическая наука — минералогия.

Минералогия — наука о минералах, их составе, свойствах, особенностях и закономерностях физического строения (структуры), условиях образования, нахождения и изменения в природе. Сравним, например, два минерала: апатит и фосфорит. По химическому составу они одинаковы, так как имеют одинаковую формулу — Са₃ (Р0₄)₂, но различаются по внешнему виду. Апатит — камень светло-зеленого цвета, зернистой структуры, образуется при застывании магмы при температуре 1600°С. Фосфорит — черного или темно-серого цвета, образуется на дне океанов и морей из костей рыб и других позвоночных животных при температуре около 20°С, т. е. он биогенного происхождения.

Сегодня науке известно свыше 3500 видов минералов, однако широко представлены в земной коре чуть более двухсот. Минералы, наиболее часто встречающиеся и образующие основу многих горных пород, называют породообразующими. Наибольшее распространение (82,6%) получили минералы, содержащие кислород, кремний и алюминий.

По физическому состоянию большинство минералов являются твердыми телами, но бывают минералы жидкие (ртуть, вода при температуре выше 0°С) или газообразные (углекислый газ, сероводород).

По условиям образования минералы подразделяются на три группы: эндогенные, экзогенные и метаморфические.

Экзогенные минералы образуются в гидросфере, на поверхности Земли или на небольшой глубине в слое осадочных пород в условиях низких температур и низкого давления. Эти минералы называют вторичными, так как в основном они образовались из продуктов разрушения первичных минералов. Почва — экзогенная среда для минералов, поэтому первичные минералы в почве будут разрушаться, а элементы, в них содержащиеся, перейдут в форму, доступную для усвоения растениями.

Метаморфические минералы образуются главным образом в гранитном слое земной коры (до 40 км) в условиях высокого давления и высоких температур, но недостаточных для перевода минеральной массы в расплавленное состояние.

Эндогенные (первичные) минералы образуются внутри Земли при высоких температурах (1000°С и более), высоком давлении (свыше 10 тыс. атм.) и связаны с магматическим очагами в базальтовом слое (40—80 км).

Минералы входят в состав всех горных пород и полезных ископаемых. Из одних минералов в результате промышленной обработки получают различные металлы, из других — строительный материал, минеральные удобрения и др.

Первичные и вторичные минералы составляют главную массу почвообразующих пород и твердой фазы почвы и поэтому влияют на ее физико-химические свойства, в том числе и на плодородие.

В природе для большинства минералов (98%), слагающих земную кору, характерно кристаллическое строение, а на долю аморфных минералов приходится всего лишь около 2% от их общего количества. Для минералов, имеющих кристаллическое строение, характерна определенная форма кристаллов: либо многогранников, либо зерен или сплошных масс.

Изучением форм кристаллов занимается специальная геологическая наука — кристаллография. Строение кристаллической решетки минералов, законы кристаллографии, формы кристаллов и элементы симметрии изучаются на практических занятиях.

Для того чтобы оценить поведение того или иного минерала в почве, знание формы кристалла необязательно. Однако другие физические свойства минералов, связанные со строением кристаллической решетки, имеют большое значение.

К основным физическим свойствам минералов относят: твердость, цвет, цвет черты минерала, прозрачность, блеск, спайность, излом, плотность, магнитность и др.

Твердость. Под твердостью понимают способность минерала противостоять механическому воздействию при царапании другим минералом. Более твердый минерал оставляет царапину на менее твердом. Это свойство отражает строение кристаллической решетки минерала и характер соединения ее элементарных частиц. Чем сильнее связь между этими частицами, тем больше твердость минерала. Твердость минералов определяют по шкале шведского минералога Ф. Мооса (1811) (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Шкала твердости минералов по Ф. Моосу

Для определения твердости минерала можно пользоваться подсобными средствами. Так, твердость простого карандаша — 1, поваренной соли — 2, ногтя — 2,5—3, медной монеты — 3, железного гвоздя — 4, стекла — 5, стального ножа — 6, напильника — 7. Например, поцарапав ногтем, можно определить гипс и тальк, так как ноготь на них всегда оставит царапину.

Твердость имеет не только диагностическое значение. От твердости минерала зависит скорость его разложения в почве.

Цвет. Окраска минералов привлекала внимание человека еще в глубокой древности. Поэтому названия многим минералам были даны по этому признаку, например: гематит (греч. haimaticos — кровавый), альбит (лат. albus — белый), рубин (лат. rubber — красный). Минералы имеют разнообразную окраску и для некоторых (малахит, рубин и др.) она является решающим диагностическим признаком. Но для многих минералов этот признак весьма условный, поэтому им пользуются, но совместно с другими признаками.

Цвет черты, оставляемый минералом на матовой фарфоровой поверхности пластинки. Для некоторых минералов черта является характерным признаком. Например, гематит и магнетит часто трудно различить визуально, а по черте легко, так как гематит оставляет черту вишневого цвета, а магнетит — черного.

Прозрачность — это способность минералов пропускать или поглощать свет. Различают минералы прозрачные (кварц, галит, кальцит и др.), полупрозрачные (изумруд, халцедон, опал и др.) и непрозрачные (магнетит, графит, пирит и др.).

Блеск — способность поверхности минералов отражать свет. По характеру блеска минералы делятся на две основные группы: минералы с металлическим блеском и неметаллическим блеском. Минералы с металлическим блеском обычно непрозрачные, цвет их черты черный или темный. Таких минералов немного, это прежде всего руды металлов (галенит, халькопирит, пирит и др.). Примерно 70% минералов обладают неметаллическим блеском. Различают несколько видов неметаллического блеска: алмазный (алмаз, сфалерит и др.), стеклянный (кварц, кальцит и др.), жирный (сера, нефелин и др.), шелковистый (асбест, селенит и др.), полуметаллический (графит, гематит и др.), перламутровый (тальк). Черта у минералов с неметаллическим блеском светлая.

Спайность — это способность минералов при ударе раскалываться по определенным направлениям (плоскостям). Различают несколько видов спайности: 1 — весьма совершенная (слюда, тальк, гипс и др., которые легко расщепляются ногтем на тончайшие листочки); 2 — совершенная (кальцит, галит, флюорит и др., которые под действием легких ударов распадаются по нескольким направлениям на осколки правильной формы); 3 — несовершенная (плоскости спайности либо не видны — апатит, либо совершенно отсутствуют — кварц, поэтому образующиеся при их раскалывании обломки имеют неправильные формы).

Излом — это разрыв и раскалывание минерала не по плоскостям спайности, а по случайным направлениям. Все минералы различаются по виду излома, который по форме бывает: раковистый (имеет вид раковины — опал, горный хрусталь и др.), занозистый (имеет занозистое строение — асбест, роговая обманка и др.), крючковатый (имеет вид крючка — золото, серебро и др.), зернистый (поверхность сложена зернами — апатит, ангидрит и др.).

Плотность — отношение массы вещества к его объему и колеблется у минералов в широком диапазоне от 0,9 (лед) до 23 т/м³ (осмистый иридий). По плотности минералы подразделяют на три группы: легкие — плотностью до 2,5 (гипс, галит, сера и др.), средние — 2,5—4 (кварц, полевой шпат, кальцит и др.) и тяжелые — более 4 т/м³ (пирит, марказит и др.). Большинство минералов имеют плотность в пределах 2,5—4 т/м³.

Магнитность — способность минералов действовать на магнитную стрелку или притягиваться магнитом (магнетит, пирротин и др.).

Для некоторых минералов характерны такие свойства, как радиоактивность, вкус, запах, растворимость в 10% соляной кислоте, жирность и др.

Растворимость в 10% соляной кислоте характерна для карбонатов (кальцит, доломит, магнезит). Взаимодействие с соляной кислотой сопровождается выделением пузырьков газа (минерал как бы «кипит» при взаимодействии с кислотой).

Вкус — признак характерен для сильно растворимых в воде минералов: галит — соленый, квасцы — кислые, мирабилит — холодящий.

Запах — свойство, проявляющееся при трении, ударе, горении минералов. Запах жженой кости сопровождает трение фосфорита, удар и искру у кремния, сера горит синим пламенем с типичным неприятным запахом.

Классификация минералов

Одна из древнейших дошедших до нас классификаций минералов приводилась еще Ибн-Синой (Авиценной), который разделял известные ему минералы на четыре группы: камни и земли, серные металлы, металлы, соли. С XVIII в. в минералогии усиливается химическое направление.

Принципы научной классификации, основанной на химическом составе минералов, были разработаны в 1819 г. шведским химиком и минералогом Берцелиусом. Дальнейшее развитие классификации было связано с открытием новых химических элементов, и уже в 1837 г. американский геолог Джеймс Дуайт Дэна в монографии «Система минералогии» предложил новую классификацию минералов, основанную на преобладающих молекулярных группах. И хотя эта классификация используется и по сей день, ее постепенно вытесняет другая, совмещающая в себе химический состав и атомную структуру минералов, т. е. порядок, в котором распределяются и упорядочиваются атомы в минерале. Определение структуры минералов позволило понять, как именно формируются кристаллы. Выяснилось, что химически одинаковые минералы могут иметь различную структуру.

Примером минералов с одинаковым химическим составом и разной структурой могут служить кальцит и арагонит: оба состоят из карбоната кальция (СаС03) и имеют схожие химические и физические свойства, однако структура первого — три- гональная, а второго — ромбическая. Второй пример: алмаз и графит. Оба минерала состоят из чистого кристаллизовавшегося углерода, однако алмаз имеет кубическую структуру, придающую ему знаменитые твердость и блеск, а графит наделен гексагональной структурой и мягок настолько, что его можно резать ножом.

Значительная часть известных европейских частных и государственных коллекций основана на классификации немецкого минералога Гуго Штрунца (1941), по которой минералы делятся на девять классов, в том числе и органические.

В систематике минералов класс «органические минералы» стоит как бы особняком от других, поскольку входящие в него продукты хоть и являются природными химическими веществами с достаточно постоянным составом и свойствами, но лишены кристаллической структуры. В настоящее время среди минералогов есть единодушие только в отнесении к минералам янтаря, все же прочие органические природные продукты относятся либо к горным породам (антрацит, шунгит и др.), либо к природным углеводородам группы нефти (озокерит, битумы и др.), либо к биогенным образованиям, содержащим в своем составе тот или иной минерал (жемчуг и перламутр, в строении которых участвует минерал арагонит).

Современная классификация, в соответствии с рекомендациями Российского минералогического общества и Международной минералогической ассоциации, делится на 4 типа, 11 классов и 27 подклассов (табл. 2.2). Наиболее крупные единицы классификации (типы и классы) выделяются по химическому признаку, а более мелкие — по особенностям строения кристаллических решеток.