Элементы кристаллографии минералов

Стр 1 из 4Следующая ⇒

ЛЕКЦИЯ 3

“ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ”

§3.1. Понятие о геологических процессах

§3.2. Основные понятия минералогии

§3.3. Породообразующие минералы

§3.4. Горные породы.

§3.5 Виды и марки природных каменных материалов

§3.6. Выветривание каменных материалов.

Понятие о геологический процессах

Источником природных каменных материалов является Земля – третья от Солнца планета Солнечной системы. Твердое тело Земли имеет концентрическое строение и в нем выделяют три геосферы (рис. 3.1): земную кору (глубина от 3 до 80 км), мантию (глубиной до 2900 км) и ядро.

Земная кора непосредственно примыкает к верхней части мантии – литосфере (от греч. «литос» – камень, «сфера» – оболочка). За счет теплоты радиоактивного распада вещества в недрах Земли мантия находится в пластичном состоянии и в ней образуются очаги расплавленного материала – магма. При выходе этих очагов на поверхность земли образуются вулканы, через которые изливается магма, получившая название лава. В верхней части земной коры располагается гидросфера (моря, реки, озера, льды), а над ней – атмосфера (газовая оболочка Земли мощностью до 1300 км).

Рис. 3.1. Оболочка Земли

Энергия, порождаемая внутренними процессами земли, приводит к эндогенным процессам, таким как:

● магматизм (подъем к верхней части земной коры магмы);

● вулканизм (извержение на поверхность расплавленных лав, газообразных и твердых продуктов);

● горообразование (в результате тектонических движений);

● землетрясения (вследствие тектонических движений, вулканизма, падения крупных метеоритов).

Энергия Солнца вызывает в атмосфере, гидросфере и верхней части земной коры такие экзогенные процессы, как разрушение поверхности Земли под действием ветра, воды и различных организмов.

Под влиянием протекающих в течение миллионов лет преимущественно эндогенных процессов в земной коре образовались три слоя в виде (рис. 3.2.):

● осадочного чехла (покрывает 75 % поверхности Земли и может достигать многих километров);

Пример:в озере Байкал глубина достигает 1,6 км, а осадочные отложения – 7,5 км.

● гранитоподобного слоя (или сиаль: от содержания преобладающих в нем элементов “си” – от силициум (кремний) и “аль” – алюминий);

● базальтоподобного слоя (или сима: “си” – от силициум и “ма” – магний).

Как показано на рис. 3.2, слой осадков находится как на суше, так и под океаном, гранитоподобный слой залегает только в пределах суши, а базальтоподобный – как в пределах суши, так и океана.

Рис. 3.2. Внутреннее строение земной коры

Поверхностный слой земли под влиянием экзогенных, эндогенных и техногенных (вызванных деятельностью человека) процессов находится в постоянном изменении. К наиболее активным на Земле процессам относится выветривание.

Определение : выветривание – это процесс разрушения горных пород и строительных материалов, изменение их минерального состава и строения.

Пример: разрушение гранитов может происходить на глубину до 30 м, известняков – до 60 м и глинистых пород – до 120 м.

Различают следующие виды выветривания горных пород и строительных материалов:

● физическое – протекает под воздействием физических факторов (перепада температур, замерзания воды, кристаллизации солей, разработки карьеров и т.д.) и приводит к механическому дроблению материалов без изменения их химического состава;

Пример: в Альпах на высоте 4000 м температура в сутки изменяется от + 30 ^оС днем до - 15 ^оС ночью, т.е. перепад температур составляет 45 ^оС.

● химическое – выражается в разрушении материалов с изменением [при гидролизе и гидратации (действие воды), карбонизации (действие углекислоты), окислении (действие кислорода воздуха)] или без изменения (при растворении) химического состава материала;

● биологическое – проявляется в разрушении материалов в процессе жизнедеятельности живых организмов и растений.

Основные понятия минералогии

Минералогия – это наука, занимающаяся изучением минералов.

Определение : минералы (от лат. “минера” – руда)– природные химические соединения или самородные элементы с постоянными физико-механическими свойствами.

Минералы образуются в результате геохимических процессов, протекающих в земной коре. Всего диагностировано более 7000 минералов, из которых только около 50 входят в состав горных пород и называются породообразующими минералами.

Подчеркнем, что горные породы состоят из минералов. Каждый минерал имеет определенное внутреннее строение, свой химический состав, присущие только ему внешние признаки, свои оптические и физические свойства. Минерал может существовать лишь в определенных природных условиях. При изменении этих условий он видоизменяется и может полностью разрушаться.

Минералы классифицируют по следующим признакам:

● по частоте встречаемости в земной коре:

а) редкие;

б) породообразующие;

● по способу образования, т.е. генезису, вследствие протекания в земной коре:

а) эндогенных процессов образования минералов в глубине земной коры:

- магмагенного (при остывании магмы у поверхности земли происходит ее дифференциация, кристаллизация и затвердевание);

- гидротермального (при остывании магмы образуется насыщенная компонентами вода, из которой при снижении температуры и давления и осаждаются минералы);

- газовыделения (или пневматолитического – при остывании магмы выделяются газы – сероводород H₂S, фтористый водород HF и др., которые при низких температурах и давлении образуют минералы);

б) экзогенных процессов образования минералов на поверхности земной коры:

- выветривания (см. выше его определение и виды выветривания);

- выпадения минералов из водных растворов (из рек, озер, морей и т.д. при испарении воды или перепадах температур);

- биогенного формирования (морские водоросли поглощают углекислый кальций и при их отмирании образуется минерал кальцит, диатомовые водоросли используют кремнезем и при их отмирании образуется минерал опал и др.);

в) метаморфических процессов образования минералов на некоторой глубине земной коры (когда минералы эндогенного и экзогенного генезиса, попадая под действие других температур и давлений, видоизменяются – дают новые минеральные образования при их разрушении и перекристаллизации).

● по внешней форме (кристаллографическая классификация);

● по внутренней форме (структуре) и химическому составу (кристаллохимическая – основная для материаловедения классификация).

Последние два вида классификации минералов связаны с их внутренним строением, в зависимости от которого минералы подразделяют на:

● аморфные (рис. 3.3а) – слагающие минерал химические элементы расположены в нем беспорядочно (для них характерна неправильная форма и изотропия - независимость свойств минерала от выбранного в нем направления);

● кристаллические (рис. 3.3б) – слагающие минерал химические элементы расположены в нем в строго определенном порядке, образуя пространственную кристаллическую решетку (для них характерна правильная форма и анизотропия - зависимость свойств минерала от выбранного в нем направления).

Рис. 3.3. Примеры аморфного (а – натриевосиликатное стекло)

и кристаллического (б – каменная соль) строения

Так как большинство породообразующих минералов являются кристаллическими, то остановимся на основах их кристаллохимического описания.

Элементы кристаллографии минералов

Определение : кристаллы – природные или искусственно созданные твердые* тела, обладающие закономерным внутренним строением и ограниченные плоскостями, которые называются гранями (* существуют жидкие кристаллы, которые в курсе СМ не рассматриваются).

Пример: глинистые минералы имеют размер 0,001 мм, а кристалл кварца может достигать в длину 7,5 м иметь массу 70 т.

Кристалл имеет элементы ограничения – грани, ребра и вершины (рис. 3.4а,б). Грани – это плоскости ограничения. На пересечении граней находятся ребра кристалла, а на пересечении ребер – вершины.

Рис. 3.4. Многогранники кристаллов

а, б – элементы кристаллов: Г – грани; Р – ребра; В – вершины; в – постоянный двугранный угол α; г, д – элементы симметрии: С – центр; L – оси; Р – плоскость

Особенности внутреннего строения кристаллов определяет закон постоянства углов между соседними гранями для каждого кристалла (рис. 3.4в) – может изменяться размер кристалла, форма граней, но не угол α.

Для кристаллов минералов характерна симметричность строения, которая определяется тремя элементами:

● центром симметрии – воображаемой точкой С (рис. 3.4г) внутри кристалла, на равном расстоянии от которой вдоль произвольно проведенной прямой находятся точки поверхности кристалла;

● осью симметрии – воображаемой прямой линией L_n (рис. 3.4г) внутри кристалла, при вращении вокруг которой на какой-либо угол кристалл совмещается сам с собой.

Наименьший угол поворота называется элементарным углом α и он определяет порядок* оси симметрии n = 360⁰/α: второго L ₂, третьего L ₃, четвертого L ₄ или шестого L ₆ порядка (*в отличие от геометрических фигур, для кристаллов невозможны оси 5-го и выше 6-го порядка, что определяется их строением);

● плоскостью симметрии – воображаемой плоскостью Р (рис. 3.4д) внутри кристалла, разделяющей его на две равные зеркально отображающиеся в плоскости Р части (число плоскостей симметрии в кристалле бывает от 1 до 9).

Пример: для кристалла кубической формы все элементы симметрии можно представить формулой 3 L₄4 L₃6 L₂9Р C, т.е. в кубе имеется три оси четвертого порядка, четыре – третьего, шесть – второго, девять плоскостей и один центр симметрии.

В XIX веке русский кристаллограф А.В. Гадолин математически доказал, что число комбинаций элементов симметрии для кристаллических многогранников равно 32 и их назвали классами.

По сходным признакам эти 32 класса симметрии кристаллов разделяют на семь сингоний, которые в свою очередь группируют в три категории - высшую, среднюю и низшую. Такое подразделение положено в основу классификации кристаллов.

Для пояснения принципов такой классификации приведем на рис. 3.5 кристаллографическую систему координат с осевыми углами α = ÐYZ; β = ÐXZ, γ = ÐXY и соответствующими масштабами – единицами измерения а, b и с по осям X, Y и Z.

Рис. 3.5. Кристаллографическая (правая) система координат

С учетом обозначений рис. 3.5, в табл. 3.1 приведены классификация кристаллов и их отличительные признаки.

Порядок изучения кристаллов:

● определяют все элементы симметрии;

● выявляют сингонию кристалла по табл. 3.1.

Таблица 3.1

Классификация минералов

Категория	Степеннь эквивалентности координатных направлений	Угловые характеристики координатных направлений	Сингония	Наибольшее число элементов симметрии в сингонии
Низшая	а ≠ b ≠ c	α ≠ β ≠ γ ≠ 90⁰ β ≠ α = γ = 90⁰ α = β = γ = 90⁰	триклинная моноклинная ромбическая	С L₂PC 3L₃3PC
Средняя	α = b ≠ c α = b ≠ c α = b = c	α = β = γ = 90⁰ α = β = 90⁰, γ = 1 20⁰ α = β = γ	тетрагональная гексагональная тригональная	L₄4L₂5PC L₆6 L₂7 PC L₃3 L₂3 PC
Высшая	α = b = c	α = β = γ = 90⁰	кубическая	3 L₄4 L₃6 L₂9Р C

Свойства минералов

Цвет минералов разнообразен и является одним из его характерных признаков, например, малахит – зеленый, рубин – красный.

Основной цвет минералов определяется их химическим составом, а цветовые оттенки обуславливают различные примеси. Например, кварц в чистом виде бесцветен, а за счет примесей может быть фиолетовым, черным, золотистым и др.

Цвет черты (черта): некоторые минералы в состоянии порошка имеют другой цвет, что важно для их диагностики. Например, минерал пирит FeS ₂ в монолите имеет золотистый цвет, а в порошке – зеленовато-черный.

Прозрачность минералов – способность пропускать сквозь себя цвет.

Минералы бывают прозрачные (кварц), полупрозрачные (изумруд) и непрозрачные (пирит).

Блеск минералов – способность отражать свет поверхностью своих кристаллов.

Выделяют блеск минералов неметаллический и металлический.

Спайность – это способность минералов раскалываться по определенным направлениям (плоскостям).

Она зависит от кристаллической решетки минерала и бывает:

– весьма совершенная (слюда);

– совершенная (кальцит – см. рис. 3.6);

– средняя (флюорит);

– несовершенная (апатит);

– весьма несовершенная.

Рис. 3.6. Совершенная спайность в минерале кальцит

Растворимость: небольшое число минералов легко растворяются в воде; остальные или плохо растворимы, или совсем нерастворимы.

Пример: в 100 мл дистиллированной воды растворяется (при 20 ^оС) 35 г поваренной соли,
0,2 г гипса и 0,0009-0,0035 г кальцита.

Плотность минералов – это масса единицы его объема.

Плотность реальных кристаллов обычно меньше, чем плотность расчетная из-за дефектов их структуры. По плотности минералы подразделяются на три группы: легкие – до 2,5 (гипс), средние – от 2,5 до 4 (кварц) и тяжелые – свыше 4 г/см³ (рудные минералы).

Излом проявляется в результате разламывания минералов не по спайности.

Различают формы излома – ступенчатые, раковистые (кварц, опал), занозистые (у минералов волокнистого строения), шероховатые, волокнистые.

Твердость характеризует степень сопротивления кристалла внешним механическим воздействиям.

Обычно в минералогии пользуются предложенной в 1822 г. австрийским минералогом Ф. Моосом 10-ти бальной шкалой твердости – шкалой Мооса. Она построена на принципе царапания одного минерала другим. Как видно из табл. 3.2, твердость по шкале Мооса не соответствует действительному ее значению, установленному с помощью специальных приборов – твердомеров (склерометров), и является величиной условной – твердость талька и алмаза отличается не в 10, как по шкале Мооса, а в 420 раз.

Таблица 3.2

Относительная шкала твердости (по Моосу)

Минерал	Твердость
Минерал	по шкале Мооса	абсолютная, кг/мм²
Тальк Mg₃[Si₄0₁₀](OH)₂ Каменная соль NaCl Кальцит CaCO₃ Флюорит CaF₂ Апатит Ca₅[PO₄]₃F Ортоклаз K[AlSi₃O₈] Кварц SiO₂ Топаз Al₂[SiO₄](F,OH)₂ Корунд Al₂O₃ Алмаз C	1 2 3 4 5 6 7 8 9 10	2,4 36 109 189 536 795 1120 1427 2060 10060

Приведем пример типичного описания свойств минералов для ангидрита С aSO₄, приводимое в справочниках: сингония – ромбическая; цвет – бесцветный, белый, голубоватый, лиловый, красный, коричневый; черта – белая; блеск – перламутровый до стеклянного; прозрачность – прозрачный до просвечивающего; удельная плотность – 2,8-3,0 г/см³; твердость – 3-3,5; спайность – хорошая; излом – занозистый до неровного.

Породообразующие минералы

К числу главнейших породообразующих минералов относятся полевые шпаты, кварц, слюды, железисто-магнезиальные силикаты, сульфаты и карбонаты.

Полевые шпаты

Различают калиевые (ортоклаз, микроклин) и натриево-кальциевые полевые шпаты (плагиоклазы).

Ортоклаз - калиевый полевой шпат K[AlSi₃0₈] розово-красного цвета, имеющий две плоскости спайности, расположенные под прямым углом друг к другу, откуда произошло его название.

Разновидностью калиевых полевых шпатов является микроклин (греч. "микрос" - маленький и "клинайн" - угол, что характеризует малый угол между плоскостями спайности). Это минерал белого, желтого или красного цвета, имеющий чаще всего кристаллы призматической формы.

Плагиоклазы - ряд натриево-кальциевых алюмосиликатов от белого до темно-серого цвета, минералы которого представляют собой изоморфную смесь альбита Na[AlSi₃0₈] и анортита Ca[AlSi₂0₈]. Процентное содержание альбита и анортита в плагиоклазе определяет его название. Так, например, по содержанию анортита, %: различают альбит (1-10), олигоклаз (11-30), андезин (31-50), лабрадор (51-70), битовнит (71-90) и анортит (91-100).

Блеск у полевых шпатов стеклянный, твердость 6-6,5, спайность совершенная по двум направлениям, истинная плотность 2500-2700 кг/м³. Являясь породообразующими компонентами, полевые шпаты увеличивают твердость и прочность пород, поэтому полевошпатовые разновидности последних широко используются в строительстве и в промышленности строительных материалов.

Кварц

Кварц (SiO₂) встречается в виде трех главных модификаций: α-кварца, тридимита и кристобалита. Образование кварца связано как с магматическими процессами в недрах земли, так и выпадением из холодных растворов на ее поверхности.

α -кварц, который называют просто, кварцем, устойчив при температуре ниже 573 °С, тридимит устойчив при 870-1470 °С, а кристобалит – при температуре ниже 1713°С. Свойства этих модификаций зависят от неплотной упаковки ионов кислорода в кремнекисло-родных каркасах: α -кварц значительно плотнее (2,60), чем тридимит (2,30) и кристобалит (2,27 г/см³), и тверже, чем последние.

Обычный цвет кварца – молочно-белый или серый. Прозрачную кристаллическую разновидность кварца называют горным хрусталем, черную – морионом, фиолетовую – аметистом. Блеск у минерала стеклянный, спайность весьма несовершенная, излом раковистый. Скрытно-кристаллический кварц с мутно-жирным блеском может быть красноватым (сердолик), полосатым (агат), зеленым (хризопраз).

Кварц является химически стойким минералом и накапливается в виде мощных осадочных отложений (пески, песчаники). Он один из наиболее распространенных минералов земной коры, входящий в состав гранитов, кварцитов, песчаников и др.

Слюды

Слюды – группа минералов, представляющих собой алюмосиликаты слоистой структуры и обладающих весьма совершенной спайностью в одной плоскости, т. е. способных расщепляться на тончайшие пластинки (листочки), что отличает их от других минералов. Блеск у них стеклянный, твердость – 2,5-3, размер пластинок – до 1,5 мм.

Слюды входят в состав многих изверженных, осадочных и метаморфических пород. Наиболее распространены два вида слюд: биотит K(Mg,Fe)₃[Si₃AlO₁₀][OH,F]₂ – черная железисто-магнезиальная слюда с истинной плотностью 3,0-3,3 г/см³ и мусковит KAl₂[AlSi₃O₁₀][OH]₂ – прозрачная калиевая слюда с истинной плотностью 2,77-3,10 г/см³. При выветривании слюды расслаиваются, снижая тем самым прочность горных пород и ускоряя их разрушение.

Гидрослюды – слюдоподобные минералы, содержащие значительное количество связанных молекул воды. Они являются результатом выветривания мусковита, биотита и других минералов группы слюд.

Среди гидрослюд наибольшее практическое значение имеет вермикулит (твердость 1-1,5, плотность 2,4-2,7 г/см³, совершенной спайности – способен разделяться на тонкие гибкие неупругие пластинки. При температуре около 1000 °С его молекулярная вода превращается в пар с образованием внутреннего давления, которое расслаивает слоистые пакеты, что сопровождается вспучиванием вермикулита с сильным (в 15-25 раз) увеличением объема и уменьшением средней плотности до 100-300 кг/м³. Вспученный вермикулит является хорошим теплоизоляционным и звукопоглощающим материалом.

Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 181; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!