Ганжара Геология и ландшафтоведение

Таблица 2.5. Шкала Мооса

*Последние три минерала (топаз, рубин, алмаз) в природе встречаются очень редко. Наибольшим распространением пользуются минералы малой и средней твердости — до 7 единиц.

стинку; упругие — способны восстанавливать форму после снятия нагрузки.

Особые свойства характеризуют специфические особенности, присущие отдельным минералам, либо небольшим их группам. К таким специфическим особенностям могут быть отнесены магнитность, радиоактивность, вкус, запах, реакция со стандартными реактивами (например, для определения кальцита обычно используется 10% соляная кислота) и т.д.

Магнитность определяют с помощью компаса или магнитной стрелки. Минералы, обладающие магнитностью, способны отклонять магнитную стрелку прибора.

Запах минерала изучают при горении, трении двух кусков друг о друга, при резком ударе по образцу, при увлажнении от дыхания. В некоторых случаях запах минерала может служить поисковым признаком, (минералы мышьяка источают чесночный запах при ударе).

Растворимость минералов в воде, кислотах или щелочах.

Реакция с соляной кислотой или другими стандартными реактивами проверяется нанесением на образец капли этого реактива. При взаимодействии карбонатов с соляной кислотой капля «вскипает» от выделяющихся пузырьков газа. Иногда для получения реакции необходимо предварительно измельчить минерал в порошок или (и) нагреть его.

Отдельные минералы определяются на ощупь è âêóñ (тальк на ощупь жирный, галит на вкус соленый).

40

Люминесцентные свойства. Некоторые минералы обладают свойством светиться при облучении невидимыми ультрафиолетовыми лучами, что так же может быть использовано для их диагностики.

В некоторых случаях можно использовать и другие приемы определения минералов, например, диагностика минералов с помощью паяльной трубки — окрашивание пламени. Для отдельных минералов (сильвин, стронцианит и др.) это свойство часто дается как один из диагностических признаков. В этом случае используется пламя свечи или спички. Порошок минерала, смоченный кислотой, наносится на деревянную палочку или не горящую спичку и вносится в пламя. Окрашивание пламени в тот или иной цвет и продукты реакции горения дают искомый ответ.

Для характеристики минералов принята, приведенная выше, единая схема описания.

Общая характеристика главных классов минералов

СИЛИКАТЫ и АЛЮМОСИЛИКАТЫ. Наибольшее распространение в земной коре имеют силикаты: кварц, полевые шпаты, амфиболы (роговые обманки и пироксены), слюды. Они составляют около 75% массы земной коры и третью часть всего количе- ства известных минералов. В составе магматических пород преобладают полевые шпаты (около 60%), амфиболы и пироксены (около 17%), кварц (12%), слюды (около 4%), прочие (около 7%). В осадочных породах и почвах преобладает кварц (40–60% и более) — как наиболее устойчивый к выветриванию, затем следуют полевые шпаты (до 20%), слюды (3–7%).

По химической природе кварц — типичный оксид, а по кристаллической структуре его относят к каркасным силикатам. Существует большое количество его разновидностей, имеющих в своем составе свободный кремнезем и воду. Поэтому они объединены в группу свободного кремнезема и рассматриваются в группе оксидов.

Свойства силикатов, в том числе их устойчивость к выветриванию, определяются строением кристаллической решетки, состоящей из кремнекислородных тетраэдров (SiO4)4-. Во всех силикатах каждый атом кремния соединен с четырьмя атомами кислорода, расположенными в вершинах тетраэдра, в центре которого находится атом кремния. Кремнекислородный тетраэдр обладает четырьмя свободными валентными связями, которые

41

могут быть компенсированы присоединением катионов или соединением с другими кремнекислородными тетраэдрами. Тетраэдры, соединяясь через кислородные ионы, могут образовывать различ- ные сочетания, или типы структур — островные (оливин), ленточные (амфиболы), листовые (слюды), каркасные (полевые шпаты, кварц).

Если тетраэдры в структуре располагаются изолированно, соединяясь между собой через положительно заряженные атомы металлов, получается самый простой — островной тип структуры. При соединении тетраэдров через кислородные ионы образуются цепочки, ленты, листы или слои, каркасы (рис. 2.3). В каркасных структурах часть ионов кремния может замещаться алюминием,

при этом образуются алюмосиликаты.

Каркасные силикаты. Подкласс каркасных силикатов (алюмосиликатов) включает серию очень распространенных (преимущественно породообразующих) минералов. Все они построены из алюмо- и кремнекислородных тетраэдров [AlO4], è [SiO4], образующих трехмерный каркас. В полостях каркаса располагаются преимущественно щелочные или щелочноземельные металлы.

Минералы этого подкласса обладают светлой окраской, относительно высокой твердостью, небольшой плотностью, преимущественно изометричными формами выделений.

По химическому составу полевые шпаты подразделяются на три подгруппы:

1)калиево-натриевые полевые шпаты, в состав которых входят K[AlSi3O8] — ортоклаз и Na[AlSi3O8] — микроклин и др.;

2)натриево-кальциевые полевые шпаты или плагиоклазы, представляющие собой изоморфные смеси натриевой молекулы —

Na[AlSi3O8] (в чистом виде — альбит) и кальциевой — Ca[Al2Si2O8] (в чистом виде — анортит);

3)фельдшпатиды по химическому составу сходны с полевыми шпатами, но имеют меньшее содержание оксидов кремния. Они часто замещают полевые шпаты в основных породах.

В зависимости от содержания оксида кремния полевые шпаты подразделяются на: а) кислые, с повышенным содержанием кремнезема (ортоклаз, микроклин, альбит, олигоклаз); б) средние — андезин, лабрадор; в) основные — с пониженным содержанием кремнезема (битовнит, анортит). Среди полевых шпатов наиболее устойчивыми считаются кислые полевые шпаты, содержащие 68,8%

SiO2, входящие в состав кислых пород (гранит, липарит). Средние и основные магматические горные породы (габбро, базальт), содержат

42

5

[Si4O11]8–

Рис.2.3. Структура решеток силикатов:

1 — изолированный кремнисто-кислородный тетраэдр; 2 — группа из двух тетраэдров (сдвоенный); 3 — группа из трех, четырех и шести тетраэдров связанных в кольцо; 4 — цепочка тетраэдров; 5 — лента тетраэдров; 6 — слой (лист) тетраэдров; 7 — «каркас» кремнекислородных тетраэдров.

43

оксида кремния до 43,3%. Они являются поставщиком элементов

питания (калия, кальция и др.) для растений.

Цепочечные и ленточные силикаты. Цепочечные силикаты получили свое название от строения кристаллической решетки. Кремнекислородные тетраэдры минералов, входящих в этот подкласс соединены в цепочки. Цепочки могут быть одинарными, спаренными, строенными. Такое строение структурных решеток положено в основу выделения внутри подкласса нескольких минеральных групп, со сходными физическими свойствами.

Цепочечные силикаты образуют кристаллы, вытянутые в одном направлении (вдоль цепочки), в том числе шестоватые, иголь- чатые, волокнистые и т.п. Прочность кристаллов меньше в продольном, чем в поперечном направлении, так как отделить слабосвязанные цепочки легче, чем нарушить целостность самих цепо- чек. Этим объясняется занозистый поперечный изломом кристаллов.

Окраска цепочечных силикатов связана с присутствием хромофоров Fe и Mn. При отсутствии железа цепочечные силикаты бесцветны или имеют белый цвет (известковые, магнезиальные). Железистые разновидности, составляющие в подклассе большинство, окрашены в темные цвета различных оттенков. Черта даже у самых темных минералов всегда светлая (белая, сероватая, зеленоватая, часто бесцветная).

Группа пироксенов — типичные цепочечные силикаты. Их кристаллическая решетка построена из простых одинарных цепочек кремнекислородных тетраэдров, между которыми располагаются катионы (Mg, Fe, Li, Mn, Ca). Кристаллы имеют призматический облик — от коротко призматического до столбчатого или шестоватого, с явной вытянутостью в одном направлении. Для них характерна высокая твердость и плотность, совершенная спайность по призме. Углы между трещинами спайности равные 87° и 93° — отличительный признак пироксенов. В поперечном сечении кристаллы пироксенов имеют прямоугольную, почти квадратную или восьмиугольную форму. Важнейший представитель пироксенов, входящий в состав основных и ультраосновных пород, в качестве породообразующего минерала, является авгит. В зоне выветривания он неустойчив. В процессе выветривания преобразуются сна- чала в тальк, а затем в каолинит.

К ленточным силикатам относятся амфиболы. Важнейшим представителем этой группы является роговая обманка, входящая в состав магматических пород в качестве породообразующего ми-

44

нерала. В зоне выветривания роговая обманка неустойчива, пре-

вращается в карбонаты и опал.

Слоистые (листовые, слоевые) силикаты. Подкласс слоистых силикатов охватывает большое число минералов. В кристаллической решетке минералов этого подкласса кремнекислородные тетраэдры образуют плоские сетки или слои параллельные основанию кристаллов. Это обуславливает возникновение ослабленных направлений в кристалле и совершенную, весьма совершенную спайность минералов. Большинство слоистых силикатов имеют уплощенную (таблитчатую или пластинчатую) форму, они прозрачные или полупрозрачные (в тонких пластинках), обладают стеклянным, восковым, жирным, шелковистым, перламутровым блеском и невысокой твердостью. В состав листовых силикатов кроме кремния

èкислорода входят K, Na, и Ca — элементы, связывающие слои друг с другом, а также Al и Fe.

Группа слюд. Слюды — широко распространенные минералы. В осадочных породах и почвах они встречаются в небольших коли- чествах. По химическому составу это водные алюмосиликаты, поскольку часть кремнекислородных тетраэдров замещена на алюмокислородные.

Группа слюд подразделяется на три подгруппы: магнезиальножелезистые (биотит-флагопит), калиево-алюминиевые (мусковит)

èлитиевые (лепидолит и др.). Слюды более устойчивы к процессам выветривания, по сравнению с амфиболами и пироксенами.

Группа гидрослюд. К гидрослюдам относятся слоистые силикаты с трехслойными пакетами (2: 1), между которыми заключены калий и вода.

Âприроде гидрослюды распространены очень широко, они входят в состав глинистых пород и почв, особенно в зоне умеренного климатического пояса. Образуются в нейтральной, слабощелочной

èщелочной среде за счет первичного химического выветривания полевых шпатов и слюд, а также в почвах за счет необменной фиксации калия монтмориллонитом, вермикулитом.

Особенно легко переходят в гидрослюды такие слюды, как биотит и мусковит, образуя гидробиотит и гидромусковит. В слюдах, благодаря высокому изоморфизму Si4+>Àl3+, калий необменно фиксируется между пакетами, полностью нейтрализуя свободные валентности. При выветривании он частично выносится. Так как слюды широко распространены и легко выветриваются, они являются основным источником почвенного калия. Свободные от калия позиции занимают молекулы воды, реже — другие элементы.

45

Одновременно с калием из пакетов частично выносятся кремний и другие элементы. Поэтому по сравнению со слюдами у гидрослюд заряд элементарного пакета равен не 1, а 0,8–0,9; межпакетное расстояние — такое же (10 А); кристаллическая решетка менее плотная и прочная (обусловлено тем, что скрепляющая сила воды зна- чительно меньше, чем калия). Гидрослюды чаще всего образуют сплошные глинистые массы.

Гидрослюды с дефицитом ионов калия, замещаемых Н2О, называются иллитами. Железистым аналогом иллита является глауконит.

По способности к выветриванию гидрослюды занимают промежуточное положение между слюдами и глинами, так как в них может быть разное соотношение выносимого калия, привносимых элементов и воды, что зависит от степени выветривания. В связи с этим невозможно выделить гидрослюду строго определенного со-

става, поэтому формула глауконита имеет сложный вид. Каркасные алюмосиликаты. Структура решеток каркасных

алюмосиликатов построена из алюмо- и кремнекислородных тетраэдров, образующих трехмерный каркас. В полостях каркаса располагаются преимущественно щелочные или щелочноземельные металлы (Na, K, Ca, Ba и др.). Для каркасных силикатов характерна светлая окраска, относительно высокая твердость, небольшая плотность, преимущественно изометричные формы выделения.

ГЛИНИСТЫЕ МИНЕРАЛЫ. Глинистые минералы — это слоистыетонкодисперсныесоединениясиликатовалюминия,магнияиот- части железа, представленные преимущественно кристаллическими формами малых размеров (1–2 мкм, что составляет 0,001–0,002 мм), в которых атомы и ионы формируют кристаллическую решетку.

Глинистые минералы состоят из тетраэдрических и октаэдри- ческих слоев, образуя структурные слои — пакеты.

При образовании пакета, часть гидроксильных групп, замещается ионами кислорода тетраэдров. Поэтому, в пакете две третьих анионов, связанные одновременно с катионами тетраэдров и октаэдров, представлены кислородом. Другая, третья часть их связана с гидроксильной группой (ОН)-. Взаимодействие ионов внутри пакетов осуществляется при помощи электростатических и ковалентных связей (между ионами Si и O в тетраэдрах наблюдается более прочная ковалентная связь, а в октаэдрах преобладают электростатические связи). Между пакетами (через межслоевые катионы), присутствуют более слабые, ионно-электростатические, водородные, межмолекулярные силы.

46

Если в центре октаэдров октаэдрической сетки расположены трехвалентные катионы (Аl3+, FåÇ+), то в самой сетке каждый третий октаэдр отсутствует (это определено условиями полной электростатической скомпенсированности валентностей). Минералы такого типа называются диоктаэдрическими, так как состав октаэдрического слоя в диоктаэдрических минералах соответствует составу минерала гиббсита AI(ОН)3. Этот слой иногда называют гиббситовым. Если же в центре октаэдров расположены двухвалентные катионы (Mg2+, Fe2+), то для сохранения баланса валентностей необходимо, чтобы в сетке были заполнены все октаэдрические узлы (позиции). Такие минералы называются триоктаэдрическими, в них состав октаэдрического слоя соответствует составу минерала брусита Mg(ОН)6, а слой называют бруситовым.

В зависимости от количества сеток выделяют двух-, трех- и че- тырехслойные пакеты. Двухслойные пакеты состоят из одной тетраэдрической и одной октаэдрической сетки, имеют обозначение 1:1. Трехслойные пакеты состоят из двух тетраэдрических и одной октаэдрической сетки, имеют обозначение 2:1. В четырехслойных пакетах между двумя трехслойными образованиями заключена еще одна октаэдрическая сетка, обозначается 2:1:1 (табл. 2.6).

Глинистые минералы состоят из двух- и трехслойных пакетов. Главным представителем двухслойных минералов является каолинит, трехслойных — монтмориллонит. Остальные глинистые минералы являются их изоморфными и политипными разновидностями.

Глинистые минералы подразделяются на несколько групп: Группа каолинита (каолинит, галлаузит).

Группа аллофана (аллофан, гизингерит).

Группа монтмориллонита (монтмориллонит, бейделлит, нонтронит, хризоколла и др.).

Группа вермикулита (вермикулит, сапонит). Группа гидрослюд (иллит, глауконит). Группа палыгорскита (сепиолит).

Взаимные переходы глинистых минералов:

Плагиоклаз гиббсит аморфный материал каолинит.

аморфный материал монтмориллонит каолинит

хлорит железистый смешаннослойные минералы вер-

микулит.

Биотит хлорит магниевый.

Биотит аморфный материал гетит.

Биотит вермикулит – монтмориллонит – гидрослюда каолинит иллит триоктаэдрический.

47

Таблица 2.7. Емкость катионного обмена глинистых минералов

Мусковит вермикулит – монтмориллонит – гидрослюда каолинит иллит диоктаэдрический.

SiO2, R2O3 гетит, гиббсит.

По устойчивости к выветриванию минералы можно выстроить в ряд: триоктаэдрические слюды (Fe, Mg), хлориты диоктаэдри- ческие слюды (Al) вермикулит гидрослюды монтмориллонит хлориты каолинит оксиды и гидрооксиды Fe и Al.

Важнейшим свойством глинистых минералов, определяющим их роль в процессах почвообразования и формировании физико-хими- ческих свойств почв, является высокая емкость катионного обмена (табл. 2.7). Этот показатель на порядок выше по сравнению с

первичными минералами.

Изоморфизм — явление, когда при одинаковой структуре минералы имеют разный химический состав благодаря взаимным замещениям катионов в октаэдрических и тетраэдрических сетках. Изоморфизм характерен для минералов монтмориллонитовой груп-

пы — монтмориллонит, бейделлит, нонтронит.

Политипия — явление, при котором состав и структура слоев не меняется, а происходит смещение, повороты слоев в пакете друг относительно друга. Политипия характерна для минералов каолинитовой группы — каолинит, диккит, галлуазит.

Большинство глинистых минералов встречаются в виде очень тонкозернистых агрегатов, состоящих из чешуек реже волокон. Они выделяются в виде рыхлых, землистых, плотных опаловидных, аморфных воскоподобных агрегатов, а также чешуйчатых, волокнистых тонкозернистых масс натечной формы и в виде желваков.

Глины способны приобретать во влажном состоянии пластич- ность или гелеподобность. После высыхания они сохраняют полу- ченную форму и представляют собой плотные, каменистые землистые массы с шероховатой, либо гладкой, блестящей поверхностью.

49