Министерство образования и науки российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«тюменский государственный нефтегазовый университет»

Филиал в г. Нижневартовске

Кафедра «Нефтегазовое дело»

методическОЕ указаниЕ

к выполнению практических работ

по дисциплине «Геология»

для студентов по направлению 131000 «Нефтегазовое дело»

всех формы обучения

Методические указания составлены на основе «Основной образовательной программы бакалавриат высшего профессионального образования» СМК ОП – 131000 «Нефтегазовое дело» - 2011 и предназначены в помощь студентам направления 131000 «Нефтегазовое дело» всех форм обучения по приобретению практических навыков по дисциплине «Геология»: изучение минералов, горных пород, геохронологической и стратиграфической шкал.

Нижневартовск 2014

Практическая работа №1. Определение минералов по физическим свойствам

Цель работы: - научиться определять физические свойства минералов по макроскопической диагностике.

1.1. Общие положения

Минералами называются природные химические соединения или отдельные химические элементы однородные по физическим свойствам, химическому составу и внутреннему строению, образующие в совокупности горные породы.

В настоящее время известно около 2500 природных минералов и более 4000 их разновидностей. Широко распространенных минералов насчитывается порядка 400 – 500, но только немногие из них – около 50 имеют значение в образовании горных пород. Они называются породообразующими минералами.

С позиции практического использования выделяются рудные минералы¹, имеющие экономическое значение как рудные полезные ископаемые. Рудные минералы гораздо менее распространены по сравнению с породообразующими и образуют в горных породах локальные скопления в виде рудных залежей (месторождений).

Минералы и их разновидности имеют самостоятельные названия, которые даны по характерным физическим свойствам, химическому составу, форме географическим наименованиям. Многие минералы названы в честь ученых или сохраняют старинные минералогические названия.

Минералы являются объектом изучения минералогии – одной из старейших геологических наук. В курсе общей геологии изучаются не все, а только важнейшие породообразующие и рудные минералы.

Для, того чтобы распознать минералы по внешним признакам и определить приблизительно их состав, надо знать физические свойства каждого минерала.

Оптические свойства минералов

Цвет – важный признак минералов, который, однако, можно использовать лишь в совокупности с другими свойствами. Для некоторых минералов цвет является постоянным признаком; так, например, у пирита цвет латунно-желтый, у малахита – зеленый, у азурита – синий, у золота – золотисто-желтый и т. д. Названия ряда минералов уже несут в себе характеристику их цвета: родонит - розовый, хлорит – зеленый; киноварь – сульфид ртути ярко-красного, алого цвета -  в переводе с арабского означает «кровь дракона» и т.д.

Для большинства минералов этот признак непостоянен. Полевые шпаты бывают белого, желтого, красного, зеленого, темно-серого цветов. Кальцит встречается бесцветный, белый, желтый, зеленый, голубой, фиолетовый, бурый, черный.

Окраска минералов определяется в первую очередь их химическим составом. Каждый химический элемент, входящий в состав минералов, и каждое химическое соединение придают им определенную, очень характерную окраску. Минералы, содержащие углекислые соединения меди, имеют зеленый или синий цвет (малахит, азурит). Минерал берилл в чистом виде бесцветен и прозрачен, а при наличии примеси оксида хрома приобретает зеленый цвет (изумруд); минералы, содержащие оксид железа, характеризуются красными, бурыми, желтыми цветами (бурый железняк).

Побежалость. Некоторые минералы, особенно содержащие медь, на своей поверхности имеют пестроокрашенную тонкую пленку: розоватую, красноватую,  желтоватую, голубоватую и др., обусловленную процессами химического выветривания. Цвет этой пленки отличается от цвета самого минерала. Это явление получило название побежалости (пример – халькопирит).

Цвет черты (цвет минерала в порошке). Многие минералы в растертом состоянии имеют другой цвет, чем в монолите. Порошок можно получить, проводя образцом минерала черту на белой шероховатой фарфоровой пластинке при условии, что твердость его меньше твердости фарфора (если твердость минерала выше твердости фарфора, то минерал образует на фарфоре царапину). Например: гематит, лимонит и магнетит в монолитах часто имеют одинаковый цвет, а цвет черты – красновато-бурый, желтовато-коричневый и черный соответственно.

Прозрачность, характеризующая способность минерала пропускать свет, зависит от его кристаллической структуры, а также от характера и однородности минерального скопления. По этому признаку выделяют минералы:

• прозрачный (горный хрусталь, топаз);

• полупрозрачный (халцедон, опал);

• просвечивающий – пропускающий свет лишь в очень тонких пластинах (полевые шпаты, нефрит);

• непрозрачный (пирит, магнетит).

Блеск зависит от показателя преломления минерала и от характера отражающей поверхности:

• Металлический (сильный блеск, свойственный металлам).

Пример: самородные металлы – золото, серебро, платина; сульфиды – пирит, галенит, сфалерит.

• Полуметаллический (блеск потускневшей поверхности металла).

Пример: графит, гематит.

• Не металлический:

а) стеклянный (кварц, кальцит, гипс);

б) жирный – как бы смазанный маслом (нефелин);

в) перламутровый (слюды, тальк);

г) шелковистый – при тонковолокнистом строении (асбест, тремолит);

д) алмазный (галенит, сфалерит);

е) матовый – практически не блестит, часто с пористой, неровной поверхностью (каолинит);

Механические свойства минералов

Излом – вид поверхности, образующейся при раскалывании минерала.

• раковистый – имеющий вид вогнутой и концентрически-волнистой поверхности, напоминающий поверхность раковин (кварц);

• занозистый – с поверхностью, покрытой ориентированными в одном направлении «занозами» (гипс, роговая обманка);

• неровный (нефелин, берилл);

• землистый – с матовой шероховатой поверхностью (каолинит, лимонит);

• зернистый – встречающийся часто у минеральных агрегатов.

Спайность – способность минералов раскалываться по блестящим параллельным плоскостям по определенным кристаллографическим направлениям. Не следует путать плоскости спайности с природными гранями кристаллов.

• Весьма совершенная – минерал очень легко (ногтем) расщепляется на отдельные тончайшие пластинки, образуя зеркально-блестящие плоскости спайности (слюда, гипс).

• Совершенная – минерал раскалывается при слабом ударе молотком на гладкие параллельные пластинки, кубы или другие формы (галит, кальцит, полевой шпат).

• Средняя – образует по плоскости спайности при расколе неровный угол (апатит).

• Несовершенная – обнаруживается с трудом, при расколе образуется поверхность с неправильным изломом (оливин).

• Весьма несовершенная – не обладает спайностью (кварц, золото).

Твердость – способность противостоять внешнему механическому воздействию – важное свойство минералов. Обычно в минералогии относительная твердость определяется путем царапанья эталонным минералом поверхности исследуемого минерала: более твердый минерал оставляет на менее твердом царапину. Принятая в геологии шкала твердости Мооса включает десять эталонных минералов, расположенных в порядке увеличения твердости.

Таблица 1.1

ШКАЛА ТВЕРДОСТИ МИНЕРАЛОВ

Минералы-эталоны	Твердость	Подручные материалы
Тальк Mg3[Si4O10][OH]2	1	Карандаш
Гипс Ca [SO4]*2H2O	2	Ноготь
Кальцит Ca[CO3]	3	Желтая монета
Флюорит Ca F2	4	Бронзовая монета, гвоздь
Апатит Ca5[PO4]3(F, Cl)	5	Стекло
Ортоклаз K[Al Si3O8]	6	Игла
Кварц SiO4	7	Напильник, кварц
Топаз Al2[SiO4] (F, OH)2	8
Корунд Al2O3	9
Алмаз C	10

Удельный вес (от 0,6 – 21). На практике для быстрого приблизительного взвешивания пользуются сравнением веса на руке:

• легкие (до 2,5 – смолы, гипс, галит, самородная сера)

• средние (до 4 – кальцит, кварц, полевые шпаты)

• тяжелые (больше 4 – рудные минералы).

Кроме выше перечисленных свойств, некоторые минералы обладают магнитностью, радиоактивностью, ковкостью и упругостью. Поваренная соль (NaCl) обладает соленым вкусом; исландский шпат(CaCO₃) имеет двойное лучепреломление.

1.2. Задание

1. Изучить теоретическую часть работы.

2. Провести макроскопические исследования образцов минералов из учебной коллекции и описать их в тетради.

1.3. Контрольные вопросы

1. Перечислите основные оптические свойства минералов.

2. Перечислите основные механические свойства минералов.

3. Что такое спайность? Приведите пример минерала с весьма совершенной спайностью.

4. Что такое излом? Приведите пример минерала с занозистым изломом.

5. Что такое твердость минералов? Какова твердость кварца по шкале Мооса?

Практическая работа №2.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ минералов по химическому составу

Цель работы: - изучить классификацию минералов по химическому составу и кристаллической структуре.

2.1. Общие положения

Современная классификация минералов основана на их химическом составе и кристаллической структуре. Главнейшие породообразующие и рудные минералы, изучение которых входит в программу курса, объединяются в несколько классов.

1. Самородные элементы. В этот класс входят минералы, состоящие из одного элемента. Известно около 45 минералов этого класса, составляющих 0,01 % массы земной коры. К нему относятся: самородное золото Au, серебро Ag, медь Cu, платина Pt, графит C, алмаз C , сера S и др.

2. Сульфиды – соединения различных элементов с серой. Они также имеют небольшое значение в строении земной коры, но включают ряд минералов – важнейших руд на свинец, медь, цинк, молибден и др. К ним относятся: пирит (серный колчедан) FeS₂, халькопирит (медный колчедан) CuFeS₂, борнит Cu₅FeS₄, галенит (свинцовый блеск) PbS, сфалерит (цинковая обманка) ZnS, молибденит (молибденовый блеск) MoS₂, киноварь HgS и др.

3. Галоидные соединения. Минералы этого класса в химическом отношении представляют собой соли галоидоводородных кислот. Наиболее распространены хлористые и фтористые соединения. К ним относятся галит (поваренная соль) NaCl, сильвин KCl, флюорит (плавиковый шпат) CaF₂.

4. Оксиды и гидроксиды. В этот класс объединены минералы – соединения различных элементов с кислородом и гидроксильной группой. По количеству входящих в него минералов занимает одно из первых мест; на его долю приходится около 17 % массы земной коры. Минералы этого класса подразделяются на две группы: 1) оксиды и гидроксиды кремния (группа кварца) SiO₂ и 2) оксиды и гидроксиды металлов. Кварц – один из наиболее распространенных минералов в земной коре, составляющий по весу около 12 % ее и входящий в состав почти всех генетических типов горных пород. К разновидностям кварца относятся: прозрачный горный хрусталь, фиолетовый аметист, дымчатый раухтопаз, черный морион и некоторые другие минералы. Скрытокристаллической  разновидностью кварца является минерал халцедон; полосчатая разновидность халцедона – агатом; халцедон, загрязненный примесями, - кремнем. Гидроксид кремния представлен минералом, называемым опалом SiO₂·nH₂O.

В класс оксидов и гидроксидов металлов входит ряд важнейших рудных минералов: магнетит (магнитный железняк) FeO Fe₂O₃, гематит (железный блеск или красный железняк) Fe₂O₃, корунд Al₂O₃, хромит FeCr₂O₄; из гидроксидов – лимонит (бурый железняк) Fe₂O₃ nH₂O, гидроксиды алюминия – минералы гиббсид Al(OH)₃ и диаспор AlO(OH), входящие в состав бокситов (алюминиевой руды).

5. Карбонаты – соли угольной кислоты (H₂CO₃). В класс карбонатов входят минералы: кальцит (известковый шпат) CaCO₃, прозрачная разность которого называется исландским шпатом, доломит CaMg(CO₃)₂, сидерит FeCO₃, магнезит MgCO₃ . К водным карбонатам относится красивый поделочный минерал малахит Cu₂CO₃(OH)_2.

6. Сульфаты – соли серной кислоты (H₂SO₄). К ним относится гипс CаSO₄ ·2H₂O, ангидрит (безводный сульфат кальция) CaSO₄, барит BaSO₄ и др.

7. Фосфаты – соли ортофосфорной кислоты (H₃PO₄). Наиболее распространенными среди фосфатов является минералы апатит Сa₅[PO₄]₃(F,OH,Cl) и скрытокристаллическая разность того же состава –фосфорит. Широко используются для производства удобрений и в химической промышленности.

8. Вольфраматы – соли вольфрамовой кислоты (H₂WO₄). К ним относятся минералы вольфрамит (Fe,Mn)WO₄ и шеелит CaWO₄, являющиеся рудой на вольфрам.

9. Силикаты – соли гипотетической кремниевой кислоты (одна из формул кислоты H₄SiO₄). В этот класс входят наиболее распространенные в земной коре породообразующие минералы, чрезвычайно сложные по химическому составу и участвующие в строении всех типов горных пород, особенно магматических и метаморфических. Они составляют примерно одну треть всех известных минералов. По Н. В. Белову, силикаты, включая и кварц, относящийся по структуре также к силикатам, составляют по весу более 90 % всей земной коры.  Стройная классификация этого сложного класса минералов  стала возможной лишь благодаря кристаллохимическим исследованиям, установившим тесную связь их структуры с химическим составом.

В основе кристаллической решетки всех силикатов лежит ионная четырехвалентная группировка [SiO₄]^4-, образующая тетраэдры, различное сочетание которых определяет структуру силикатов (рис.2.1).

Рис. 2.1. Строение кремнекислородного тетраэдра

 

 Все силикаты по внутренней структуре делятся на: 1) островные, структура которых состоит из изолированных тетраэдров (например, минералы группы оливинов); 2) кольцевые, кремнекислородные тетраэдры которых, соединяясь друг с другом, образуют замкнутые кольца (например минерал берилл); 3) цепочечные – те силикаты, в которых тетраэдры соединяются в непрерывные цепочки (например группа пироксенов); 4) ленточные – в них цепочки тетраэдров, соединяясь друг с другом, образуют обособленные ленты или полосы (например, группа амфиболов); 5) слоевые или листовые силикаты объединяют многие минералы, структура которых обусловлена сцеплением лент в виде одного непрерывного слоя (например, минералы группы слюд, глинистые минералы, серпентинит); 6) каркасные силикаты, в которых кремнекислородные тетраэдры сцеплены через все четыре вершины, что создает каркас (рис. 2.2).

К каркасным силикатам относится, в частности, очень важная группа породообразующих минералов – полевые шпаты. Минералы группы полевых шпатов пользуются широким распространением в земной коре, составляя в ней около 50 %, являются породообразующими минералами многих магматических и метаморфических горных пород. По химическому составу полевые шпаты делятся на две подгруппы: 1) калий-натриевые полевые шпаты, составляющие подгруппу ортоклаза, к которой относится собственно ортоклаз, микроклин, его разновидность зеленого цвета – амазонит и др. и 2) известково-натриевые, или натриево-кальциевые, полевые шпаты, или плагиоклазы. Плагиоклазы представляют собой непрерывный ряд изоморфных минералов от альбита до анортита: альбит, олигоклаз, андезин, лабрадор, битовнит, анортит. Крайними членами этого ряда являются натриевый плагиоклаз альбит Na[AlSi₃O₈] и кальциевый плагиоклаз анортит Ca[Al₂Si₂O₈]. Все промежуточные минералы этого ряда представляют собой смесь альбитовых и анортитовых молекул в различных соотношениях. В соответствии с этим плагиоклазы подразделяются на кислые (альбит, олигоклаз), средние (андезин, лабрадор) и основные (битовнит и анортит).

Рис.2.2. Структура силикатов: а) кольцевая; б) цепочечная, в) ленточная; г) слоистая, или листовая; д) каркасная.

В щелочных магматических породах развиты минералов группы фельдшпатоидов, состоящие из тех же химических элементов, что и полевые шпаты, но с меньшим содержанием оксида кремния. Среди них наиболее распространен минерал нефелин.

Внутренняя структура силикатов и алюмосиликатов в значительной степени обусловливает их свойства: минералы с островной структурой, характеризующейся плотной упаковкой ионов, часто образуют изометричные кристаллы, обладают большой твердостью, плотностью и несовершенной спайностью. Минералы с линейно вытянутыми структурами (цепочечными и ленточными) образуют призматические кристаллы, обладающие хорошо выраженной спайностью в двух направлениях вдоль длинной оси структуры. Минералы со слоевой структурой образуют таблитчатые кристаллы с весьма совершенной спайностью, параллельной «слоям» структуры.

Как в описанных выше полевых шпатах (ряд альбит-анортит), так и во многих других силикатах широко развиты явления изоморфизма (греч. «изос» - равный, «морфэ» - форма), под которым понимают свойство элементов замещать друг друга в химических соединениях родственного состава и образовывать ряд смешанных минералов одинаковой кристаллической формы.