Тема 3. Минералы земной коры

Понятие о минералах

Минералами называются природные химические соединения или самородные элементы, образовавшиеся в результате различ­ных физико-химических процессов в недрах Земли или на ее поверхности.

Изучением химического состава минералов, их физических свойств и условий происхождения занимается минералогия. Кри­сталлические формы минералов рассматриваются в кристаллогра­фии.

В природе известно свыше 2000 минералов. По физическому состоянию они подразделены на жидкие, газообразные и твердые. К жидким относят воду, нефть, ртуть; к газообразным — природ­ные газы, например метан и сероводород. Однако подавляющая часть минералов — твердые.

В зависимости от расположения молекул и атомов твердые минералы бывают кристаллические и аморфные. У минералов, находящихся в кристаллическом состоянии, молекулы и атомы располагаются в строго определенном для данного вещества порядке, образуя структурную решетку. Физические свойства та­ких минералов постоянны в любых параллельных направлениях и меняются в непараллельных. Другими словами, кристалличе­ские тела разносвойственны, или анизотропны. Аморфные мине­ралы характеризуются беспорядочным расположением молекул

атомов. Их физические свойства развиваются во всех направлениях одинаково, в связи с чем эти тела равносвойственны, или изотропны.

Минералы находящиеся в кристаллическом состоянии, встречаются в природе чаще всего в виде агрегатов (скоплений зерен) и реже в виде кристаллов правильной формы.

Наиболее распространены следующие агрегаты:

1) зернистые, представляющие собой скопление сросшихся минеральных зерен;

2. друзы — несколько минералов, сросшихся у основания;

3. конкреции — образования шарообразной формы, имеющие концентрическое или радиально-лучистое строение;

4. жеоды —пустоты в горной породе, частично заполненные минеральным ве­ществом;

5. секреции — выполненные минеральным веществом пустоты;

6. оолиты — образования шаровидной и эллипсоидаль­ной формы, имеющие концентрически-скорлуповатое и иногда радиально-лучистое строение; характеризуются наличием в цен­тре минеральных обломков, органических остатков или пузырь­ков газа; часто встречаются в известняках, железных рудах, бок­ситах, кремнистых породах;

7. дендриты — древовидные обра­зования, состоящие из отдельных сросшихся друг с другом кри­сталлов ветвеобразной формы, возникающие вследствие быстрой кристаллизации минералов;

8. натечные формы — образуются в результате выделения минерального вещества из растворов — это сталактиты, сталагмиты,- почковидные агрегаты и др.

Форма кристаллов может быть самой различной: октаэдр (восьмигранник), додекаэдр (двенадцатигранник), трех-, четырех- и шестигранные призмы и пирамиды.

Физические свойства минералов

К основным физическим свойствам минералов относят кри­сталлическую форму, цвет в образце и цвет тонкого порошка (черты), побежалость, прозрачность, блеск, твердость, спайность, излом, плотность и др. На основании этих свойств можно опре­делить большинство минералов, не прибегая к химическому ана­лизу.

Кристаллическая форма является, пожалуй, - самым точным внешним признаком для определения минералов. Однако в природе минералы встречаются главным образом в виде зерен неправильной формы, не имеющих четко выраженных кри­сталлических граней, и установить их кристаллическую форму невооруженным глазом очень трудно. Для этой цели применяются оптические методы исследования шлифов.

Иногда минералы образуют кристаллические формы, несвой­ственные им. Это обусловлено замещением ранее существовавших минералов с сохранением их внешней формы. Такое явление на­зывается псевдоморфизмом. Например, встречающиеся в природе кубы лимонита, никогда не образующего кристаллы, представ­ляют псевдоморфозу по пириту, кристаллы которого имеют форму куба.

Цвет минералов — важный признак для их характеристики и диагностики. Различают цвет минерала в образце и цвет тонкого порошка — черты. Цвет минералов может быть обусловлен вну­тренними их свойствами, незначительными изоморфными при­месями и включениями посторонних минералов, различными све­товыми эффектами (преимущественно с явлениями интерференции). Поэтому цвет одного и того же минерала может иметь различ­ные оттенки.

Цвет черты — цвет тонкого порошка минерала, который образуется, если минералом провести черту на неглазурованной поверхности фарфоровой пластинки. Цвет черты может отличаться от цвета образца.

Побежалость — окраска минералов, связанная с по­явлением на них тончайшей пленочки других минералов. Чаще побежалость бывает радужной, переливающейся различными цветами, напоминающими окраску тонких пленок нефти, иногда одноцветной.

Блеск минералов обусловлен их способностью отражать свет и зависит в основном от показателя преломления света. Различают блеск металлический и полуметаллический для не­прозрачных минералов, стеклянный, алмазный, перламутровый, смолистый, восковой и др.

Твердость минералов — сопротивление механическому воздействию другого, более прочного тела. Точное определение твердости минерала производится специальными приборами — микротвердомерами. Приближенно она оценивается по эталонным минералам шкалы Мооса, которую составляют 10 минералов в по­рядке увеличения твердости на единицу: 1 — тальк, 2 — гипс, 3 — кальцит, 4 — флюорит, 5 — апатит, 6 — ортоклаз, 7 — кварц, 8 — топаз, 9 — корунд, 10 — алмаз.

Если один из минералов царапает другой, то он считается более твердым. Для определения твердости какого-либо минерала его сравнивают с парой смежных эталонных минералов.

Спайность минералов — свойство кристаллов колоться по плоскостям, параллельным действительным и возможным гра­ням. Эти плоскости называются плоскостями спайности. Явление спайности объясняется особенностями внутреннего строения кри­сталлов. Различают несколько степеней спайности. При весьма совершенной спайности минерал легко расщепляется пальцами на отдельные пластинки (слюда, гипс). Совершенная спайность про­является в том, что при ударе молотком минерал раскалывается по ровным плоскостям (кальцит). Для средней степени спайности характерно образование при раскалывании минерала ступенча­тых поверхностей с параллельными ступеньками (полевой шпат). При несовершенной спайности на обломках расколотого мине­рала лишь изредка можно обнаружить остатки плоскостей (берилл). У минералов с весьма несовершенной спайностью на изломе практически нельзя обнаружить ровных, параллельных друг другу поверхностей (кварц).

Излом — это форма поверхности раскола, на которой нельзя обнаружить элементов спайности. Различают формы излома: раковистый, напоминающий волнистую поверхность раковины (сера); занозистый, напоминающий неструганую доску (роговая обманка); землистый, имеющий матовую поверхность как бы покрытую мелкой пылью (мел, лимонит); зернистый, характерный для минералов с зернистым строением (мрамор, антрацит).

Относительная плотность минералов изме­няется от долей единицы (газы, нефть, лед) до 23 (осмистый иридий). В соответствии с этим различают минералы легкие с относительной плотностью до 2,5; средние — 2,5—4 и тяжелые — свыше 4. Наряду с перечисленными общими для всех минералов свой­ствами ряд минералов обладает характерными только для них физическими свойствами, являющимися иногда их основными диагностическими признаками. К таким свойствам следует от­нести прозрачность минералов, их ковкость, плавкость, магнит­ные свойства, реакции с кислотами и т. п.

Классификация минералов по химическому составу

В зависимости от химического состава все минералы разде­ляются на несколько классов, важнейшими из которых являются: самородные элементы, сульфиды, галоиды, окислы и гидроокислы, карбонаты, фосфаты, сульфаты, силикаты, а также природные органические соединения.

Самородные элементы. Это класс минералов, со­стоящих из какого-либо одного элемента. Они мало распростра­нены в земной коре. К ним относятся золото, серебро, медь, платина, алмазы, графит, сера и др.

Сера — S. Встречается в виде кристаллов и землистых агре­гатов, желваков, налетов; цвет соломенно-желтый до бурого; черта бесцветная; блеск жирный; твердость 1,5—2,5; спайность несовершенная; относительная плотность 2; образуется при химическом разложении гипса и сернистых соединений, при вул­канических извержениях.

Сульфиды (сернистые соединения). Класс сульфидов объединяет свыше 250 минералов. В химическом отношении сульфиды представляют собой соединения различных элементов с серой (производные H₂S). Наиболее распространены галенит, сфалерит, халькопирит, пирит, борнит, киноварь, молибденит и др.

Галенит (свинцовый блеск) — PbS. Кристаллы кубической формы; цвет свинцово-серый; черта серовато-черная, блестящая; непрозрачен; блеск металлический; твердость 2,5; спайность, совершенная по кубу; относительная плотность 7,5; часто встре­чается с пиритом и сфалеритом; нередко содержит примеси се­ребра; происхождение гидротермальное. Применяется как руда на свинец и серебро.

Сфалерит (цинковая обманка) — ZnS. Встречается в виде кристаллов тетраэдрической формы; цвет бурый, коричневый, черный, реже желтый, зеленоватый; красный, иногда бесцветный; черта желтая; блеск жирный, алмазный; прозрачен или полупрозрачен; изотропен; твердость 3—4; спайность весьма совершенная; относительная плотность 3,5—4,2; образуется при гидротермальных процессах. Применяется как цинковая руда.

Халькопирит (медный колчедан) — CuFeS₂. Встречается в виде неправильных зерен и сплошных масс; кристаллы тетраэдрической и октаэдрической формы; цвет латунно-желтый, нередко с пестрой побежалостью; черта черная с зеленоватым оттенком; блеск металлический; твердость 3—4; спайность несовершенная; относительная плотность 4,1—4,3; непрозрачен; слабо анизотро­пен; происхождение различное. Применяется как медная руда.

Пирит (серный колчедан) — FeS₂. Самый распространенный сульфид; встречается в виде кристаллов кубической формы, сплошных масс, конкреций и т. п.; цвет светло-желтый, часто с побежалостью латунно-желтого, бурого и пестрого цвета; не­прозрачен; изотропен; твердость 6,65; спайность весьма несовер­шенная; относительная плотность 4,9—5,2; происхождение раз­личное. Применяется как сырье для получения серной кислоты.

Галоиды. Минералы этого класса представляют собой соли галоидно-водородных кислот: НС1, HF, HBr, HI. Наиболее распространены соли хлористой кислоты — галит и сильвин.

Галит (каменные соли) — NaCl. Встречается в виде кристал­лических агрегатов, реже — отдельных кристаллов кубической формы; бесцветный или белого цвета, встречаются разности крас­ного, серого, синего, желтого цветов; прозрачен и просвечивает; твердость 2; спайность совершенная в трех направлениях; отно­сительная плотность 2,15; хрупкий; легкорастворим в воде; вкус соленый; образуется в процессе осадконакопления, осаж­дается на дне соленых озер и залегает в виде пластов.

Окислы и гидроокислы. Минералы этого класса составляют около 17 % массы литосферы. Класс делится на две группы: 1) окислы и гидроокислы кремния (кварц, халцедон, опал и др.), 2) окислы и гидроокислы металлов (гематит, магне­тит, лимонит, касситерит, корунд и др.).

Кварц — SiO₂. Один из наиболее распространенных в природе минералов, на его долю приходится более 12 % массы литосферы; встречается в виде зернистых агрегатов, хорошо образует кри­сталлы в форме шестигранной призмы, оканчивающейся с одной или двух сторон шестигранной пирамидой; грани часто покрыты тонкой поперечной штриховкой; цвет кварца различный; его бес­цветная прозрачная разновидность — горный хрусталь, серо­ватая дымчатый кварц, фиолетовая — аметист, черная — марион; блеск на гранях стеклянный, на изломе — жирный; твердость 7;__ спайность весьма несовершенная; излом раковистый, неровный; относительная плотность 2,7; происхождение кварца различное.

Скрытокристаллическая разновидность кварца зазывается халцедоном. Он образует плотные массы, натечные образования, желваки молочносерого, желтого и других цветов; полосчатая разновидность халцедона называется агатом, а загрязненная песком и глиной — кремнем.

Опал — SiO₂*nH₂O-. Аморфный минерал, встречающийся в виде плотных натечных масс; цвет желтоватый, оранжевый, красно­ватый, черный; блеск слабостеклянный, слабожирный; излом раковистый, неровный; твердость 5,5; относительная плотность 1,9—2,3; при нагревании кусочков опала в пробирке выделяется вода, этим опал отличается от халцедона.

Гематит (железный блеск) — Fe₂O₃. Встречается в виде листовых, чешуйчатых, зернистых и землистых агрегатов, редко в виде кристаллов ромбоэдрического строения; цвет в кристаллах серо-стальной до черного, в чешуйках просвечивает тёмнокрас­ным, землистые агрегаты — красные; черта вишнево-красная; блеск металлический; твердость 5—6; спайность несовершенная; излом раковистый; непрозрачный; относительная плотность 5,2; обладает магнитными свойствами; образуется при метаморфиче­ских и гидротермальных процессах. Гематит является важнейшей железной рудой.

Магнетит (магнитный железняк) — FeO*Fe₂O₃. Встречается в виде зернистых масс, вкраплений, кристаллов; цвет железо-черный с синеватым оттенком; черта черная; блеск металличе­ский; непрозрачный; твердость 5,5—6,5; спайность несовер­шенная; относительная плотность 4,9—5,2; обладает сильными магнитными свойствами; наиболее крупные месторождения имеют метаморфическое происхождение.

Карбонаты. Класс карбонатов объединяет минералы, являющиеся солями угольной кислоты Н₂СО₃. Для всех карбона­тов характерна способность вступать в реакцию с соляной кисло­той НС1. На их долю приходится около 2 % массы земной коры. Некоторые карбонаты являются рудами металлов: железа, мар­ганца, меди, цинка, свинца и др.

Кальцит (известковый шпат) — СаСО₃. Самый распростра­ненный минерал этого класса, он целиком слагает такие породы, 3 как известняк, мел и мрамор; бесцветный, белый, из-за примесей иногда имеет желтые, розоватые, сероватые и голубоватые тона; черта белая; блеск стеклянный, иногда перламутровый; прозрач­ный или просвечивает, прозрачные кристаллы кальцита называются исландским шпатом; твердость 3; спайность совершенная; отно­сительная плотность 2,6; бурно реагирует с соляной кислотой; происхождение осадочное, гидротермальное, биогенное, может быть также продуктом метаморфизма. Применяется в строитель­ной, химической, металлургической, оптической и других отрас­лях промышленности.

Доломит — MgCa(CO₃)₂- Встречается в виде зернокристаллических масс, почвовидных, шаровидных и других агрегатов; цвет белый, сероватый, красноватый, зеленоватый; блеск стеклянный; твердость 3,5—4, спайность совершенная; относительная плотность 2,8—2,9; реагирует с НС1 в порошке или при нагревании; происхождение гидротермальное и осадочное. Применяется в строительной, металлургической и других отраслях промышленности.

Фосфаты. Фосфаты относительно слабо распространены. Их масса не превышает 0,1 % массы литосферы. Из многочислен­ных минералов этого класса, в основном солей ортофосфорной кислоты, наибольшее практическое значение имеют апатит и фосфорит.

Апатит — Са₅ (F или С1) (РО₄)₃. Встречается в виде мелко­зернистых масс, реже в виде отдельных кристаллов в форме шестигранной призмы, достигающих огромных размеров; цвет белый, зеленый, фиолетовый, бурый; черта светлая; блеск стек­лянный, на изломе жирный; твердость 5; спайность несовершен­ная; излом неровный; относительная плотность 3,2; образуется чаще магматическим путем при внедрении щелочных магм. Слу­жит сырьем для получения фосфора и фосфорных удобрений.

Фосфориты имеют такой же состав, что и апатиты, но обра­зуются в результате экзогенных процессов; генезис — осадочный, химический и биогенный; легко растворяются при нагревании в соляной и азотной кислотах. Применяются для получения су­перфосфата.

Сульфаты. Минералы этого класса — соли серной кис­лоты. Образуются они в основном в результате осаждения солей серной кислоты в лагунах и озерах и при окислении сульфидов. Наиболее распространены гипс и ангидрит.

Гипс — CaSO₄*2H₂O. Встречается в виде толсто- и тонко­таблитчатых кристаллов; цвет белый, бесцветный, примеси обус­ловливают различные цветные тона; черта белая; блеск стеклян­ный; твердость 2; спайность весьма совершенная; относительная плотность 2,3. При обезвоживании гипс переходит в ангидрит.

Ангидрит — CaSO₄. Встречается в виде плотных мелкозер­нистых масс; цвет белый; блеск стеклянный; просвечивает; твер­дость 3—3,5; спайность совершенная; относительная плотность 3.

Силикаты. Самый многочисленный класс минералов. На их долю приходится до 33 % всех минералов. Силикаты составляют до 75 % массы земной коры (без кварца, сходного с ними по внутренней структуре). Участвуют в образовании пород, некоторые представляют собой ценные полезные ископаемые: Драгоценные камни, слюды, керамическое сырье, руды. Силикаты— соли кремниевых и алюмокремниевых кислот. Наиболее распро­странены полевые шпаты. На их долю приходится до 50 % массы мной коры. В свою очередь, полевые шпаты делятся на калиевые полевые шпаты и плагиоклазы, Из калиевых полевых шпатов наиболее представителен ортоклаз.

Ортоклаз — KAlSi₃O₈. Является составной частью осадочных, изверженных и метаморфических пород; встречается в виде зернистых масс и кристаллов таблитчатой формы; цвет белый, светло-серый, розовый, мясо-красный; блеск стеклянный; твердость 6; спайность совершенная; относительная плотность 2,6; разно­видность ортоклаза — микроклин.

Плагиоклазы объединяют группу минералов, состоящих из смеси двух конечных минералов этой группы: альбита — NaAlSi₃O₈ и анортита — CaAl₂Si₂0₈, имеющих одинаковую кристалличе­скую решетку. Такая смесь минералов называется изоморфной. Группу плагиоклазов составляют следующие минералы: альбит, олигоклаз, андезин, лабрадор, битовнит и анортит.

Альбит. Встречается в виде плотных зернистых масс; образует кристаллы в, виде мелких пластинок, сросшихся в щетки; цвет обычно белый; черта белая или бесцветная; блеск часто перла­мутровый; твердость 5,5—6,0; спайность совершенная по двум направлениям; относительная плотность 2,6.

Одну из групп силикатов составляют пироксены.

Авгит — Ca(Mg, Fe, Al) (Si, A1)₂O₆. Наиболее яркий пред­ставитель группы пироксенов; чаще встречается в виде зернистых агрегатов; кристаллы имеют форму восьмигранных столбиков; цвет зеленовато-черный и черный; блеск стеклянный; твердость 5—6; спайность средняя; относительная плотность 3,5.

В отличие от пироксенов минералы группы амфиболов имеют иное строение кристаллов. Типичным минералом этой группы является роговая обманка.

Мусковит (белая слюда). Бесцветный минерал; блеск стеклян­ный, перламутровый; твердость 2—3; спайность весьма совершенная, раскалывается на очень тонкие пластинки по плоскостям спайности; относительная плотность 2,7; образуется при магматических и метаморфических процессах. Применяется в электро- и радиотехнике и др.

Каолинит (фарфоровая глина)—Al₂(OH)_g[Si₂O₅]. Встре­чается в виде плотных порошковидных и землистых масс; цвет белый, серовато-белый, желтоватый; твердость 1; излом земли­стый; прилипает к языку; относительная плотность 2,6; образуется при выветривании главным образом полевых шпатов, слюд и содержащих их пород. Применяется на строительстве, при про­изводстве керамики, бурении скважин, для получения алюминия.

Природные органические соединения. Среди природных органических соединений особая роль отводится углеводородам. Это твердые, жидкие и газообразные химические соединения углерода (С) и водорода (Н), называемые битумами и получающиеся в результате распада органических веществ.

К жидким битумам относится нефть. Подробно о нефти ска­зано во втором разделе учебника.

К твердым битумам относятся асфальты, кериты, антраксолиты и др. Все твердые битумы (за исключением озокерита) являются продуктами изменения тяжелых смолистых нефтей нафтеново-ароматического типа.

Асфальты (горные смолы). Это хрупкий (иногда вязкий) смо­листый минерал темно-бурого, почти черного цвета; представляет собой смесь окисленных углеводородов с содержанием С от 67 до 88 %, Н от 7 до 10 % и О + N + S от 2 до 23 %; твердость 2; относительная плотность 1,0—1,2; является продуктом измене­ния нефтей с нафтеновым основанием; легкорастворим в скипи­даре, хлороформе и сероуглероде; часто пропитывает пески и известняки, а также встречается в виде жил, заполняет пустоты, образуя озера. Асфальты широко применяются в промышлен­ности.

Асфальтиты. Так называется группа твердых и более чистых, чем асфальты, ископаемых битумов — альберита, гремита, грахемита. Элементарный состав асфальтов и асфальтитов прибли­зительно одинаков; цвет асфальтитов черный; хрупкие; поверх­ность излома блестящая; относительная плотность 1,13—1,20; полностью растворяются в хлороформе; плавятся без видимого разложения.

Кериты. Твердые, углеводородные битумы, образовавшиеся в результате метаморфизма нефтей; элементарный состав: С (80—90 %), Н (4—10 %), О + N + S (2,5—10 %); твердые, очень хрупкие минералы черного цвета с сильным блеском; в органиче­ских растворителях полностью не растворяются; при нагревании не плавятся, а вспучиваются и разлагаются.

Антраксолиты. В отличие от рассмотренных выше твердых битумов антраксолиты являются продуктом более высокой сте­пени метаморфизма нефтей. Это черное, хрупкое, блестящее вещество, нерастворимое в органических растворителях; при на­гревании не плавится; элементарный состав: С 90—99 %, Н 0,2—4%, О + N + S 0,5—5 %; относительная плотность 1,3—2,0; залегает в виде жил.

Озокериты (горный воск). Минералы от светло-желтого до черного цвета, с раковистым изломом; относительная плотность 0,85-0,97; температура плавления 52—82 °С. Твердость озокеритов определяется глубиной проникновения иглы под нагрузкой (пенетрация), она изменяется от 2—8° (царапание ногтем) до360 (мазеподобен); озокериты горят ярким пламенем. Элементарный состав С 84-86%, Н 13-15%, N 0-26 %, S 0-0,2%. В составе озокеритов преобладают твердые парафиновые углеводороды метанового ряда (C_nH_2n+2) хорошо растворимы в бензине, керосине, нефти, сероуглероде, смолах, хлороформе. Широко используются в электротехнике, парфюмерии, кожевенной и тек­стильной промышленности, а также в медицине.

Газообразные битумы. Они объединяют природные углеводо­родные газы, среди которых выделяют сухие газы, попутные, газы газоконденсатных и газы каменноугольных месторождений. Подробно рассмотрены во втором разделе учебника.

Породообразующие минералы

Минералы, определяющие основные свойства горных пород, называются породообразующими. К ним относят полевые шпаты, кварц, амфиболы, пироксены, слюды, карбонаты, сульфаты и др.

Наряду с породообразующими выделяют второстепенные и акцессорные минералы. К второстепенным относят минералы, присутствие или отсутствие которых не меняет положения породы в систематике, не влияет на основные ее свойства. Акцессорные минералы — это минералы, образующие количественно ничтож­ную, а качественно нередко характерную примесь в горных по­родах. Их можно использовать при корреляции горных пород, для определения возраста осадочных пород разных районов и т. п. Для каждой группы пород характерны свои породообразующие минералы. Минералы, являющиеся для одних пород второсте­пенными, для других могут быть породообразующими.

Контрольные вопросы

16. Что называют кларком? Кем и каким образом он определен?

17. На какие слои делят земную кору по физическим свойствам и составу?

18. Понятие литосферы.

19. Что называют минералами?

20. Перечислить физические свойства минералов.

21. Отличие спайности от излома.

22. Шкала Мооса.

23. Какими подручными предметами можно определить твердость минерала?

24. Классы минералов по химическому составу.

25. Привести примеры минералов класса самородные элементы. В чем их особенность?

Занятие № 4