Определение минералов

1.1 ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ

Научиться диагностировать минералы по физическим свойствам.

1.2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Земная кора (литосфера), на которой ведется строительная, а также сельскохозяйственная и вся другая деятельность человека, состоит из горных пород, а горные породы состоят из минералов. Практическое определение минералов и горных пород относится к начальной и наиболее трудной части курса – «Инженерное обеспечение строительства: геология». Поэтому для изучения образцов минералов составлен их определитель по физическим свойствам (табл. 1.1).

Минералами называются природные химические соединения, однородные по химическим и физическим свойствам, образующиеся в земной коре или на ее поверхности. Каждый минерал индивидуален, имеет свое определенное внутреннее строение и только ему присущие внешние признаки. Минералы являются составной частью горных пород, руд и других минеральных тел.

Горными породами называют минеральные агрегаты, состоящие из одного или нескольких минералов. В земной коре встречается более 7000 минералов и их разновидностей, но только некоторые из них (около 50-ти минералов) составляют основную массу пород. Эти минералы называются породообразующими,и они являются предметом изучения на лабораторных занятиях.

Природные условия, в которых образуются минералы, отличаются большим разнообразием, сложностью и загадочностью. Следует отметить, что каждый минерал после своего рождения в «минеральном царстве» (т.е. в литосфере) может существовать только в определенных, типичных для него условиях, при изменении этих условий он видоизменяется или полностью разрушается.

Студент применительно к данному заданию должен ответить на вопросы о происхождении, составе, свойствах и устойчивостиминералов (и горных пород) в различных условиях при воздействии на них естественных или техногенных факторов, в том числе инженерных сооружений.

Различают три основных процесса минералообразования и, соответственно, породообразования: эндогенный, экзогенный и метаморфический. При эндогенных процессах минералы и магматические горные породы образуются за счет собственной энергии Земли, чаще всего из магмы – силикатного огненно-жидкого расплава, внедряющегося в земную кору или излившегося на поверхность. При экзогенных процессах минералы и осадочные горные породы образуются на суше и в море за счет внешних (для Земли) источников энергии, основной – солнечная радиация. Метаморфический процесс образования минералов и метаморфических пород происходит также за счет внутренней энергии Земли, на некоторой глубине в земной коре при высоких температурах и больших давлениях.

По химическому составу выделено 10 классов минералов (табл. 1.1). Представители некоторых классов (окислы, карбонаты, силикаты) часто доминируют в составе горных пород; другие классы (вольфраматы, фосфаты, сульфиды) являются редкими, экзотическими (акцессорными) образованиями и не участвуют в формировании горных пород как грунтов.

Изучение минералов начинается с определения их физических свойств, к которым относятся: 1) цвет, 2) блеск, 3) прозрачность, 4) твердость, 5) спайность, 6) излом, 7) плотность. Некоторые минералы обладают особыми диагностическими свойствами: галит - соленый, сильвин - горький, карбонаты вскипают от холодной или нагретой соляной кислоты, сера и желваки фосфорита имеют специфический запах, магнетит обладает магнитными свойствами, рудные минералы – электропроводностью, исландский шпат (кальцит) – двойным лучепреломлением.

Цвет (окраска) минералов разнообразен и не всегда устойчив, т.к. зависит от примесей. Устойчивый цвет имеют следующие минералы: сера, золото, пирит – желтый, бурый железняк – бурый (ржавый), киноварь – красный, малахит и другие медные минералы – зеленый, поваренная соль, лед, горный хрусталь (кварц) – бесцветные (белые). Из-за примесей кварц может быть фиолетовым (аметист), черным (морион), дымчатым (раухтопаз), желтым (цитрин), зеленым (празем), буро-красным (авантюрин) и др.

Многие минералы в тонко раздробленном (растертом) состоянии имеют другой цвет. Для этого определяют цвет черты царапанием по неглазурированной фарфоровой поверхности. Цвет черты более постоянный, чем цвет самого минерала. Многие окрашенные минералы имеют белый цвет черты.

Блеск создается отраженными лучами и зависит от показателя преломления минерала. Различают: стеклянный блеск минералов (лед, кварц, кальцит, корунд, ортоклаз, флюорит) с показателем преломления n=3,3 – 1,9; алмазный (алмаз, сера) – с показателем преломления n=1,9–2,6; полуметаллический (гематит, киноварь) с n=2,6–3,0 металлический (молибденит) с n>3.0.

Прозрачность – способность минералов пропускать свет. Различают три группы минералов: прозрачные (кварц, мусковит), полупрозрачные (гипс, халцедон, кальцит) и непрозрачные (графит, пирит).

Твердость – сопротивление механическому воздействию (истиранию, царапанию, удару, раздавливанию и т.д.). Немецкий минералог Моос предложил условную шкалу твердости из 10-ти минералов: 1 – тальк (2,4 кгс/см²), 2 – гипс (36 кгс/см²), 3 – кальцит (109 кгс/см²), 4 – флюорит (189 кгс/см²), 5 – апатит (536кгс/см²), 6 – ортоклаз (797 кгс/см²), 7 – кварц (1120 кгс/см²), 8 – топаз (1427кгс/см²), 9 – корунд (2060 кгс/см²), 10 – алмаз (10060 кгс/см²). Истинная твердость (приведена в скобках, в кгс/см²), которую определяют на специальных приборах (склерометрах), существенно отличается от числа твердости Мооса. Для практических целей можно принять: твердость графита – 1, ногтя – 2,5, медной монеты – 3, бронзовой монеты – 4, стекла – 5, стального ножа – 6, напильника –7, рубина (красного корунда) – 9.

Спайность – способность некоторых минералов раскалываться или расщепляться по определенным заранее известным направлениям с образованием гладких (зеркальных) поверхностей, называемых плоскостями спайности. Спайность объясняется внутренним строением минералов. Различают виды спайности: весьма совершенную (слюда, гипс), 2) совершенную (кальцит, ортоклаз, галит), 3) несовершенную (полевые шпаты, роговая обманка), когда плоскости наблюдаются на отдельных небольших участках, 4) спайность отсутствует (кварц, корунд).

Таблица 1.1. – Определитель основных минералов

Название, химический состав	Твердость	Блеск	Цвет	Цвет черты	Излом и спайность	Плотность, г/см3	Диагностика	Происхождение	Практическое применение
Самородные элементы
Алмаз С		алмаз­ный	бесцвет­ный	нет	средняя	3,5	высокая твердость	Кимберлитовые трубки взрыва	драгоценный камень, абразив
Графит С		метал­личес­кий	темно-серый	чер­ный	мелко­зернистый, весьма совершенная	2,2	пачкает руки	магматическое, метаморфическое	карандаши, тигли, электроприборы
Сера S	1,5	жир­ный	желтый	светло жел­тый	раковис­тый, не-совершенная	2,0	горит, электризуется	вулканичес­кое	резиновая, химическая, медная промышленность
2. Окислы
Кварц SiО2		стеклянный	бесцветный, белый, дымчатый	нет	раковистый	2,6	излом, блеск, твердость	магматическое, гидротермальное	оптика, радиотехника, фарфоровая и стекольная промышленность
Халцедон SiO2	6,5	матовый	светло-серый, голубой	нет	раковистый	2,6	цвет, излом	из геля кремнезема	в ювелирном деле, в точной механике
Гематит (бурый железняк) Fe2O3	5,5	металлический	красно-бурый	вишнево-бурая	раковистый, землистый	5,2	черта	метаморфическое	железная руда
Магнетит (магнитный железняк Fe3O4)		металлический	черный	черная	зернистый, несовершенная	5,2	действует на стрелку компаса	магматическое, метаморфическое	железная руда
Корунд А12Оз		стеклянный	голубой, серый	нет	неровный, несовершенная	4,0	высокая твердость	метаморфическое	абразивы; рубин, сапфир
3. Гидроокислы
Опал SiO2nН2О		жирный, стеклянный	белый, серый, желтый	нет	раковистый,	2,3	цвет, жирный блеск	из водных растворов кремнезема	благородный опал - поделочный камень
Продолжение таблицы 1.1
Лимонит (бурый железняк) Fe2O3* *nH2O	1-5	матовый, полуметаллический	бурый, ржаво-желтый	желто-бурая	землистый нет	3,6-4,0	ржаво-желтая черта	в коре выветривания из соединений железа	железная руда
4. Сульфиды
Пирит (серный железняк, колчедан) FeS2		сильный металлический	золотистый	зелено-черный	неровный несовершенная	4,9-5,2	цвет, блеск, форма кристаллов	метаморфическое и гидротермальное	производство серной кислоты
Киноварь HgS		алмазный	красный	красный	раковистый, совершенная	8,1	цвет, плотность	гидротермальное	главная руда на ртуть, краски
5. Галоиды
Галит (каменная соль) NaCl		стеклянный	бесцветный, белый	белая	неровный, совершенная	2,2	вкус, кубические кристаллы	лагунно-морское	пищевая, химическая и др. промышленность
Сильвин КСl		стеклянный	бесцветный, белый	белая	неровный, совершенная	1,98	горько-соленый	море и солёные, озера	химическая, стекольная и лакокрасочная промышленность, медицина
Флюорит (плавиковый шпат) CaF3		стеклянный	фиолетовый, белый	белая	совершенная	3,1	блеск, спайность, твердость	Гидротермальное	для получения плавиковой кислоты, в оптике и металлургии
6. Карбонаты
Кальцит СаСО3		стеклянный	белый, серый и др.	белая	весьма совершенная	2,7	вскипает от HQ, весьма совершенная спайность	гидротермальное и при выветривании	в оптике (исландский шпат), при производстве извести
Магнезит MgCO3		стек­лянный мато­вый	белый, серый	белая	землистый совер­шенная	3,7	вскипает в нагретой НС1	гидротермальное и при выветривании	огнеупорный строительный материал, в медицине в виде порошка
Доломит CaCO3MgCO3		стеклянный	белый, желтый серый	белая	совершенная	2,9	вскипает от НС1 в порошке	метаморфизм осадочных пород	флюс в металлургии и стройматериал
Сидерит (железный шпат) FeCO3		стеклянный	серый и др.	белая	совершенная	3,8	вскипает в нагретой НС1	гидротермальное	железная руда
7. Сульфаты
Гипс CaSO42H2O		стеклянный	бесцветный, серый	белая	занозистый, весьма совершенная	2,3	весьма совершенная спайность и малая твердость	химический осадок	в строительстве (штукатурка, алебастр), в медицине и др.
Продолжение таблицы 1.1
Ангидрит (безводный гипс) CaSO4		стек­лянный	белый и др.	белая	зернистый, совер­шенная	2,9	не вскипает в НС1 и не цара­пается ногтем	осадочным путем	для изготовления специального цемента
8. Фосфаты
Апатит (фосфорит) Ca5(F,Cl)(PO4)3		стеклянный сахаровидный	белый, бесцветный и др.	белая	неровный несовершенная	3,2	твердость и др.	магматическое и метаморфическое	производство фосфорных удобрений
9. Вольфрамиды-редкие минер алы
10. Силикаты
Оливин (MgFe)2Si04		стеклянный	оливково-зеленый	нет	неровный несовершенная	3,3	цвет, зернистость	магматическое в ультраосновных, и основных гор­ных породах	в строительстве, в химической и огнеупорной промышленности
Турмалин (сложная громоздкая формула)		стеклянный	зеленый, бурый, розовый, черный	Нет	занозис­тый спайность отсутст­вует	3,1	призмати­ческие кристаллы со штри­ховкой	магматичес­кое (в гра­нитах), реже метаморфи­ческое	как драгоценный камень и в радиотехнике
Авгит Ca(Mg,Fe,Al)* *(S iAl)2O6	6,5	стек­лянный	зеленый, бурый, черный	светло-зеленая	неровный, спайность Под 90°	3,5	спайность и форма кристал­лов	магматичес­кое и метаморфи­ческое
Роговая обманка (ф-ла очень громоздкая)		шелковистый	серо-зеленый, темно-зеленый, черный	зеленовато-бурая	занозистый совершенная под 124°	3,5	столбчаты е или призмати­ческие лучистые сростки	магматичес­кое и метаморфи­ческое
Тальк 3MgO 4SiO22H,O		жирный	белый, желто-зеленый	белая	весьма совершенный	2,8	жирный на ощупь, очень мягок	метаморфизм магнезиальных пород	в резиновой, бумажной, медицинской промышленности, кислото- и огнеупорный материал
Серпентин		жирный, шелковый	светло-зеленый, темно-зеленый	белая, зеленоватая	занозистый, раковис­тый	2,6	окраска, блеск, отсутствие спайности	гидротер­мальный метаморфизм ультраоснов­ных пород.	асбест для огнеупорных тканей
Каолинит Al2O3 *2SiO2* *2H2О	1-2	мато­вый	белый, сероват	белая	землистый	2,6	жирный на ощупь, мягкий, плас­тичный, в воде набу­хает слабо	гидротер­мальный и поверхностное выветривание полевых шпатов	в керамике, бумажной и огнеупорной промышленности, строительном деле
Окончание таблицы 1.1
Монтморил­лонит (Al,Mg)2(OH)2(Si4O10)nH20	1-2	мато­вый	белый, светло-зеленый	белая	землистый	2-2,5	жирный на ощупь, в воде очень сильно(в 20 раз) набухает	в процессе выветривания	для очистки неф­тепродуктов, в бу­ровых растворах, в парфюмерии, ре­зиновой и бумаж­ной промышлен­ности, устройство «стены в грунтах»
Мусковит (белая калиевая слюда) К2О А1 O36SiO22H2O	2-3	стек­лянный	бесцвет­ный, прозрач­ный	белая	весьма совер­шенный	3,0	расщепля­ется на тонкие листочки	магматичес­кое и метаморфи­ческое	электроизоляци­онный и тугоплавкий материал
Биотит (черная железистая слюда)	2-3	стек­лянный	черный	белая, зеленоватая	весьма совер­шенная	3,1	Расщепля­ется на тонкие листочки	магматичес­кое и мета­морфическое	составная часть магматических и некоторых метаморфических пород
Ортоклаз, микроклин К2ОА1203 6SiO2		стек­лянный	белый, розовая, красная	белая	совер­шенная	2,6	прямоу­гольные сколы совершен­ная спайность	магматичес­кое и метаморфи­ческое	в кислых, средних и основных магматических породах
Альбит (Na-плагиоклаз) Na2O А12О3 6SiO2		стек­лянный	белый	белая	неровный, совер­шенная	2,6	белый цвет, высокая твердость, спайность	магмати­ческое, гидро­термальное	составная часть магматических и метаморфических пород
Анортит (Са-плагиоклаз) СаО А12О3 2SiO2		стек­лянный	серый, белый	белая	совер­шенная	2,7	сходен с альбитом, отличается только в шлифах	магмати­ческое	минерал основных изверженных пород
Лабрадор (изоморфная смесь альбита и анортита)		стек­лянный	серый с голу­быми и зелено­ватыми перели­вами	белая	совер­шенная	2,7	иридизация, пере­ливчатость цвета	магмати­ческое	ценный поде­лочный и обли­цовочный мате­риал

Излом – характер поверхности после разрушения; может быть ровный (для минералов с совершенной спайностью), неровный, занозистый (для волокнистых минералов типа асбеста), раковистый (кварц, обсидиан), землистый (каолинит), зернистый (у мелкозернистых минералов).

Плотность минералов ρ_s изменяется от 0,9 г/см³ (лед) до 18 – 19 г/см³ (золото, платина) и достигает 23,0 г/см³ (осмистый иридий). Наиболее распространенные минералы имеют плотность в пределах 2,2 – 3,3 г/см³, средняя плотность минералов (и минеральной части поверхностных грунтов) может быть принята равной ρ_s = 2,7 г/см².

1.3. МАТЕРИАЛЫ

Коллекция минералов, шкала твердости Мооса, определитель основных минералов (таблица 1.1).

1.4. МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Дайте характеристику минералов, перечисленных в табл. 1.3., по своему варианту и заполните таблицу 1.2.

Таблица 1.2.

1.5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется минералами?

2. Что называется горными породами?

3. Какие процессы минералообразования бывают?

4. Как минералы подразделяются по химическому составу?

5. Перечислите основные физические свойства минералов, а также их подразделения (виды блеска, виды спайности, твердости и т.д.).

Защита проводится в виде собеседования.

Таблица 1.3.

Варианты заданий

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2