5. Химический состав земной коры.

Химический состав земной коры был определен по результатам анализа много­численных образцов горных пород и минералов, выходящих на поверхность земли при горообразовательных процессах, а также взятых из горных выработок и глубоких буровых скважин.

В настоящее время земная кора изучена на глубину до 15—20 км. Она состоит из химических элементов, которые входят в состав горных пород.

Наибольшее распространение в земной коре имеют 46 элемен­тов, из них 8 составляют 97,2—98,8 % ее массы, 2 (кислород и кремний) —75 % массы Земли.

Первые 13 элементов (за исключением титана), наиболее час­то встречающиеся в земной коре, входят в состав органического вещества растений, участвуют во всех жизненно необходимых процессах и играют важную роль в плодородии почв. Большое количество элементов, участвующих в химических реакциях в нед­рах Земли, приводит к образованию самых разнообразных со­единений. Химические элементы, которых больше всего в лито­сфере, входят в состав многих минералов (из них в основном со­стоят разные породы).

Отдельные химические элементы распределяются в геосферах следующим образом: кислород и водород заполняют гидросферу; кислород, водород и углерод составляют основу биосферы; кисло­род, водород, кремний и алюминий являются основными компо­нентами глин и песчаных пород или продуктов выветривания (они в основном составляют верхнюю часть коры Земли).

Химические элементы в природе находятся в самых различных соединениях, называемых минералами. Это однородные химичес­кие вещества земной коры, которые образовались вследствие сложных физико-химических или биохимических процессов, например каменная соль (NaCl), гипс (CaS04*2H20), ортоклаз (K2Al2Si6016).

В природе химические элементы принимают неодинаковое участие в образовании разных минералов. Например, кремний (Si) входит в состав более 600 минералов, а также очень распро­странен в форме окисей. Сера образует до 600 соединений, каль­ций—300, магний —200, марганец—150, бор — 80, калий — до 75, соединений лития известно только 10, а йода — еще меньше.

Среди наиболее известных минералов в земной коре преобладает большая группа полевых шпатов с тремя основными элементами — К, Na и Са. В почвообразующих породах и продук­тах их выветривания полевые шпаты занимают основное положе­ние. Полевые шпаты постепенно выветриваются (распадаются) и обогащают почву на К, Na, Са, Mg, Fe и другие зольные вещест­ва, а также микроэлементы.

6. Минералы и их свойства. Основные породообразующие материалы.

Минералы, слагающие горные породы, называют породообразующими. Минералов в природе насчитывается более 2000, пород около 1000. В образовании горных пород участвует свыше 50 наиболее распространенных минералов.

В большинстве своем минералы горных пород являются кристаллическими, реже аморфными; одни анизотропны, другие - изотропны.

Основными породообразующими минералами горных пород являются: кварц, алюмосиликаты, железисто-магнезиальные силикаты, углекислые и сернокислые соли. Составной частью многих минералов является химически связанная вода.

Кварц Si02 - минерал, входящий в состав изверженных, осадочных и метаморфических пород. Важнейшие разновидности его обладают явнокристаллическим (горный хрусталь и др.) или скрытокристаллическим (кремень) строением. Плотность его (2,65)*103 кг/м3, твердость - 7. Кристаллы кварца имеют форму шестигранных призм с шестигранными пирамидами у основания. При обычной температуре кварц не реагирует с основаниями и не взаимодействует с кислотами( кроме плавиковой). При высоких температурах кварц соединяется с основаниями, образуя силикаты, а при паротеплообработке - гидросиликаты. При нагревании до температуры 575° С кварц из модификации а переходит в модификацию р, устойчивую до температуры 870° С; при этом плотность его меняется. Кварц термически нестоек. Предел прочности его при сжатии достигает 10 000*105 н/м2. При температуре 1710° С кварц плавится, образуя при быстром охлаждении аморфный кремнезем.

Разновидности кварца - яшма, агат, халцедон - используют для декоративных целей и в промышленности (ступки, подшипники, призмы и др.).

В земной коре кремнезем встречается также в виде твердых гидрогелей с аморфной структурой, называемых опалом. Панцири диатомей и скелеты радиолярий, слагающие осадочные породы - диатомиты и трепелы- также состоят из аморфного кремнезема.

Распространенными минералами, участвующими в образовании горных строительных пород, являются полевые шпаты и слюды.

По своему химическому составу полевые шпаты представляют собой алюмосиликаты К, Na, Са. Характерная особенность полевых шпатов - хорошо выраженная спайность по двум направлениям и способность их при ударе раскалываться по плоскостям спайности.

Наиболее часто встречающиеся в породах разновидности полевых шпатов - ортоклаз и плагиоклаз.Характерным является то, что между двумя плоскостями спайности у него образуется прямой угол (прямораскалывающийся).

Предел прочности при сжатии полевых шпатов (1000-1800)*105 н/м2. В чистом виде полевые шпаты применяют в качестве плавней в производстве керамических материалов.

В природе встречается также свободный глинозем в виде минерала корунда А1203. Это абразивный минерал, занимающий в шкале твердости девятое место, обладающий высокой огнеупорностью.

Слюды по химическому составу представляют собой сложные водные алюмосиликаты. Встречается несколько разновидностей слюды, среди них наиболее распространены мусковит, или калиевая слюда, и биотит, или магнезиально-железистая слюда.

Слюда расщепляется на тонкие гибкие пластинки.

В чистом виде слюду применяют как электроизоляционный материал, в качестве наполнителя для цветных штукатурок, для посыпки рубероида, в качестве огнестойкого стекла, а также при изготовлении теплоизоляционных материалов.

Наличие в каменных породах большого количества слюды снижает их качество как строительных материалов. Пластинки слюды могут располагаться в породе в различных направлениях. Скопление их обусловливает иногда слоистость породы, снижая в таких случаях ее атмосферостойкость и возможность полировки.

Разновидность слюды - вермикулит - входит в группу так называемых гидрослюд, являющихся продуктами гидротермальных природных изменений магнезиально-железистых слюд флогопита и биотита.

Структурно вермикулит состоит из минеральных слоев, связанных между собой прослойками молекулярной воды.

Вермикулит под действием нагревания до температуры 850- 1100° С дегидратируется, слои его вспучиваются и объем увеличивается в 15-40 раз; образуется легкая масса с золотистой, блестящей поверхностью. Вспученный вермикулит является теплоизоляционным и звукопоглощающим материалом.

Месторождения вермикулита имеются в СССР на Кольском полуострове, в Приазовье, на Урале, в Побужье и др.

Железисто-магнезиальные минералы имеют темную окраску и носят название темноокрашенных. Среди них распространенными породообразующими минералами являются пироксены, амфиболы, оливин.

К группе пироксенов относят минерал авгит, к амфиболам - роговую обманку. Минералы этих групп являются силикатами кальция, магния, железа. Плотность этих материалов (3,0-3,6)*103 кг/м3, твердость 4-5. Они обладают высокой прочностью, повышенной вязкостью. Наличие их в породе (за счет уменьшения содержания полевых шпатов) повышает объемную массу, прочность, атмосферостойкость и т. д.

Оливин по химическому составу представляет собой силикат железа и магния; плотность его (3, 2-3,5)*103 кг/м3, твердость 7.

К главным минералам осадочных горных пород относят кальцит, магнезит, доломит, гипс, ангидрит. Эти породы служат в основном сырьем для производства вяжущих.

В состав осадочных пород входят также глинистые минералы - каолинит, монтмориллонит и др.

Кальцит (известковый шпат) - один из наиболее распространенных материалов земной коры, образует крупно-, средне- и мелкозернистые породы, плотность его 2,7*103 кг/м3, твердость 3.

Магнезит отличается от кальцита большей твердостью, меньшей растворимостью, плотность его (2,9-3,1)*103 кг/м3.

Доломит встречается в природе в виде двойной углекислой соли, входящей в состав доломитовой породы.

Гипс (CaS04)2Н20 содержит в своем составе кристаллизационную воду, способную выделяться при нагревании с образованием полуводного или безводного гипса; образует мономинеральные породы мелкозернистого строения, обладает повышенной растворимостью (2,05 г/л).

Цвет гипса преимущественно белый, иногда серый, красноватый, желтоватый и черный.

Ангидрит - безводная разновидность гипса. Под влиянием воды ангидрит способен перейти в гипс с незначительным увеличением объема.

Каолинит является одним из основных минералов глинистых отложений, представляет собой водный силикат алюминия. Отдельные чешуйки и пластинки его бесцветны, сплошные массы - белого цвета, нередко желтоватые, буроватые, голубовато-зеленые, плотность его (2,55-2,60)*103 кг/м3.

Монтмориллонит- минерал, входящий в основном в состав некоторых разновидностей глин, например, бентонитовых, обладающих высокой адсорбционной способностью.

В качестве второстепенных минералов в горных породах встречаются пирит, или серный колчедан FeS2, апатит, или кальциевая соль фосфорной кислоты, и др.