книги из ГПНТБ / Борголов И.Б. Геология с основами минералогии и петрографии учеб. пособие для студентов с.-х. вузов, обучающихся по специальности агрономия, агрохимия и почвоведение

§3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ

Кглавнейшим физическим свойствам минералов относят­ ся морфологические, оптические, магнитные и другие их осо­ бенности, например, форма кристаллов, двойники, цвет, прозрачность, блеск, цвет черты, твердость, спайность, из­

лом, удельный вес, радиоактивность и другие их свойства. Форма кристаллов. Минералы обладают чрезвычайно раз­ нообразной формой. Но в условиях природы они чаще всего образуют тела неправильной формы, и поэтому хорошо ог­ раненные кристаллы встречаются сравнительно редко. Более обычным являются различного рода срастания минералов в

виде агрегатов самой разнообразной формы и строения. Среди минералов в виде одиночных кристаллов наиболее

часто встречаются равновеликие формы (пирит), шестоватые, игольчатые, столбчатые, волокнистые формы (например, асбест, роговая обманка, гипс и Др.), характерны для них также таблитчатые, плоские, листоватые, чешуйчатые и дру­ гие формы (слюда, графит, тальк, хлорит и др.).

Также весьма разнообразна внешняя форма агрегатов минералов. Среди них различают друзы — группы кристал­ лов, наросших на какой-либо поверхности в виде щетки; шаровидные образования (конкреции, оолиты); древовидные (дендриты); перистые или вязаные формы, а также земли­ стые агрегаты в виде рыхлых масс, состоящих из мельчайших кристаллов. В частности, землистые агрегаты весьма харак­ терны для многих осадочных пород: глин, бурых железняков и др.

Окраска минералов. Минералы характеризуются чрезвы­ чайно разнообразной окраской. Для некоторых из них (на­ пример, малахита, красного рубина и др.) она является ре­ шающим диагностическим признаком. В одних случаях ок­ раска обусловлена самим веществом минерала, в других же — включением твердых или газообразных частиц. Для некоторых минералов характерна ложная окраска, возни­ кающая в результате интерференции световых лучей при

отражении их от внутренних плоскостей минерала (лабра­ дор, опал).

Цвет черты минерала. Характерно, что некоторые мало­ прозрачные и непрозрачные минералы в порошке имеют совершенно иную окраску, чем в куске. Поэтому для харак­ теристики цвета в порошке сравнивают окраску его черты, получаемую трением о неглазированную фарфоровую по­ верхность, с окраской минерала в куске. У некоторых мине­

40

Прозрачность минералов. Это — способность пропускать или поглощать световой луч. По этому признаку среди мине­ ралов различают прозрачные, полупрозрачные и непрозрач­ ные минералы. К первым из них относятся кварц, кальцит, галит, ко вторым — изумруд, халцедон, опал и к третьим — пирит, графит, магнетит и другие. Очень важным оптиче­ ским свойством минералов является двойное лучепреломле­ ние, например у исландского шпата.

Блеск минералов. Это свойство определяется способно­ стью поверхности минерала в различной степени отражать свет. Блеск не зависит от окраски минерала и может быть довольно разнообразным. Различают минералы с металли­ ческим и неметаллическим блеском. Минералы с металличе­ ским блеском обычно непрозрачные, цвет их черты черный или теміноокрашенный. Среди минералов с неметаллическим блеском различают разновидности со стеклянным (силика­ ты), жирным (тальк, сера), перламутровым (кальцит), ал­ мазным (алмаз), шелковистым (асбест) блеском и др. Черта у минералов с неметаллическим блеском светлоокрашенная. Металловидный блеск напоминает блеск потускневших по­ верхностей металлов, например, графит, лимонит и др.

При микроскопических исследованиях минералов весьма

ной около 0 , 0 2 мм. Максимальное увеличение объектов в таких микроскопах достигает 1050. Поэтому ими можно ис­

следовать оптические свойства даже мельчайших кристаллов размером до 1 мк.

Твердость минерала. Под твердостью понимают степень сопротивления минерала царапанию острием другого мине­ рала. Это чрезвычайно важное свойство, связанное со строе­ нием кристаллической решетки минерала и с характером соединения между ее элементарными частицами. Чем силь­ нее связь между этими частицами, тем больше твердость минерала. Анизотропные минералы в различных направле­

41

Мооса (в условных единицах), включающей 10 минералов-

эталонов (табл. 4).

Т а б л и ц а 4

Шкала твердости минералов по Моосу

Истинную твердость минералов рассчитывают по отно­ шению к корунду, твердость которого условно принята рав­

ной 1 0 0 0 .

Используя шкалу Мооса, можно царапанием одного ми­ нерала о другой определить твердость любого из них. При этом более твердые минералы будут оставлять царапины на

.поверхности менее твердых.

В случае отсутствия при полевых исследованиях нужного набора эталонных минералов твердость приближенно можно

(плоскостям). Данное свойство связано с внутренним строе­ нием минералов и не зависит от их внешней формы. По это­ му признаку различают минералы с весьма совершенной, совершенной, средней, несовершенной и весьма несовершен­ ной спайностью. Минералы с весьма совершенной спайно­ стью легко расщепляются ногтем на тончайшие листочки (например слюда, графит, гипс). В случае совершенной спайности минерал под действием легких ударов дает пра­ вильные, ограненные формы (кальцит, галит). В отличие от них минералы со средней спайностью при ударе распа­ даются на осколки, ограниченные приблизительно в одина­ ковой степени как плоскостями спайности, так и неправиль­ ными поверхностями излома (например, авгит, роговая об­ манка). У минералов с несовершенной и весьма несовершен­

42

ной спайностью плоскости спайности либо не видны (апа­ тит), либо совершенно отсутствуют, и поэтому образующиеся при ’раскалывании обломки имеют неправильные формы (ко­

рунд, кварц).

Излом минерала. Излом характеризует поверхность раз­ рыва и раскалывания минералов не по плоскостям спайно­ сти, а по случайным направлениям. По своей форме изломы бывают раковистыми (горный хрусталь, магнезит), занози­ стыми (волокнистый гипс, роговая обманка, хлорит), крюч­ коватыми, зернистыми (ангидрит, апатит), землистыми с матовой и шероховатой поверхностью (каолинит, лимонит)

^Удельный вес минерала. Удельный вес колеблется в весь­ ма широком диапазоне, изменяясь от 0,9 до 23 г/см?. Однако большинство минералов по своему удельному весу уклады­ вается в пределы от 2 до 10 г/см'3. При этом наиболее рас­ пространенные минералы имеют удельный вес 2,5 3,5 г/см3.

По этому признаку различают: 1) минералы легкие, с удельным весом до 2,5 г/см3 (гипс, галит, сера и др.); 2) сред­ ние, с удельным весом от 2,5 до 4 г/см3 (кварц, полевые шпаты, кальцит и др.); 3) тяжелые, с удельным весом боль­ ше 4 г/см? (рудные минералы и др.).

Характерными для некоторых минералов являются такие физические свойства, как магнитность (магнетит, пирротин), радиоактивность, вкус, запах, растворимость в кислотах, лю­ минесценция и т. д. Например, карбонаты растворяются в НС1 с выделением С 02. Поваренная соль (галит) имеет со­ леный, сильвин — горько-соленый, а квасцы — кислый вкус. При трении желваков фосфоритов возникает запах жженой кости или горелой кожи. При нагревании некоторые мине­ ралы (сера, янтарь) легко загораются, испуская характер­ ный запах.

§ 4. ПРОЦЕССЫ ОБРАЗОВАНИЯ МИНЕРАЛОВ

Понятие о генезисе минералов. Под генезисом понимают происхождение и условия образования минералов в земной коре. Каждый тип минералов может существовать в при­ роде лишь при определенных физических условиях, из ко­ торых наибольшее значение имеют температура и давление При изменении этих условий минерал либо разрушается, ли­ бо перекристаллизовывается. Условия, в которых образуют­ ся минералы в природе, отличаются большим разнообразием и сложностью. Все процессы минералообразования по глав­

43

ным источникам энергии можно разделить на три группы: эндогенные, экзогенные и метаморфогенные.

Эндогенный генезис минералов. Эндогенный процесс об­ разования минералов обусловлен внутренними силами Зем* ли. В недрах Земли образование минералов в основном свя­ зано с магмой. Магма — это природный глубинный поликом­ понентный раствор-расплав, содержащий различные эле­ менты, их окислы и летучие компоненты (F, С1, Н20, С 02 и др.). По мере понижения температуры и остывания магмы на глубине происходит расщепление или, как говорят, диф­ ференциация магматического расплава с последующей его

Магматическим путем образуются кварц, многие минералы класса силикатов: оливин, пироксены, полевые шпаты и др., а также рудные минералы, например, хромиты, платиноиды,

татками жидкой магмы проникает и растекается по трещи­ нам, образующимся в результате ее остывания. При остыва­ нии и раскристаллизации этих остаточных продуктов магма­ тического раствора-расплава образуется большое количество минералов (около 300), в том числе кварц, полевые шпаты, слюды, рудные минералы, драгоценные камни и др. Такой процесс минералообразования называется пегматитовым.

По мере кристаллизации магмы количество летучих ве­ ществ в ней становится избыточным, и поэтому они уже не могут оставаться в гомогенном растворе-расплаве. Начина­ ется выделение минералов за счет летучих веществ, которые реагируют между собой и с возникшими ранее минералами. Это так называемый пневматолитовый (от греч. — пар, ды­ хание) процесс минералообразования.

При охлаждении газовой фазы ниже критической тем­ пературы воды, т. е. 374°С, происходит конденсация водяных паров, образуется горячая вода, насыщенная различными компонентами. Эти растворы, проникая в трещины, оказы­ ваются в условиях низких температур и давления, вследст­ вие чего из них выпадают минералы. Хаким путем образу­ ются полиминеральные жилы, содержащие кварц, кальцит, барит, флюорит, самородные элементы (Ag, Au, Hg), суль­

фиды и др. Такой генезис минералов называется гидротер­ мальным.

44

При излиянии магмы на поверхность земли и ее осты­ вании часть газообразных компонентов улетучивается (газы HF, HCl, H2S, летучие В, Р, S и др.). Попадая в низкотем­ пературные условия, они могут кристаллизоваться, переходя из газообразного в твердое состояние. Таким способом обра­ зуются касситерит, в жерлах вулканов — самородная сера, минералы бора и др. Такой генезис минералов называется

эксгаляционным.

Следует подчеркнуть, что минералы эндогенного генезиса в большинстве своем имеют первичное происхождение.

Экзогенный генезис минералов. Экзогенным (гиперген­ ным) путем минералы образуются вблизи или на поверхно­ сти земли, где происходят сложные процессы, обусловленные действием многочисленных факторов таких, как кислород и углекислота, вода и различного состава водные растворы, живые организмы, колебание температур и действие сол­

нечной энергии.

Под влиянием этих факторов первичные минералы пре­ терпевают глубокие химические и физико-химические пре­ вращения и из них образуются новые, более устойчивые в условиях земной поверхности минеральные виды и их ассо­ циации. Этот сложный процесс разрушения и возникновения новых минеральных видов получил название процесса вы­ ветривания. В результате совместного проявления факторов физического, химического и биологического выветривания возникает своеобразный комплекс глинистых минералов, та­ ких, как гидрослюды, каолинит, монтмориллонит и др., и разнообразные химические соединения типа сульфатов, окис­

лов и карбонатов.

Некоторые экзогенные минералы образуются в результа­ те выпадения и осаждения их на дне морей, озер и мелко­ водных лагун. Выпадение минеральных солей в озерах й морских заливах происходит в периоды интенсивного испа­ рения воды или изменения ее температуры, когда вода ста­ новится пересыщенной по отношению к солям. Так образу­ ется гипс, галит, карналлит, мирабилит, сильвин и др.

Многие минералы образуются в процессе жизнедеятель­ ности животных и растительных организмов — это так на­ зываемый биогенный процесс минералообразования. Напри­ мер, морские водоросли и простейшие организмы поглощают углекислый кальций и при отмирании оставляют накопления в Виде минералов кальцита и арагонита.

Диатомовые водоросли, радиолярии и морские губки используют для построения своих скелетов кремнезем и

45

таким образом образуют аморфный минерал опал. Морские организмы — моллюски, в своих раковинах создают жемчуг (углекислый кальций с примесью органического материала). В процессе жизнедеятельности железопоглощающих бакте­ рий образуются бурые железняки, минералы типа глауко­ нита, шамозита и др. Экзогенные минералы являются со­ ставной частью разнообразных осадочных горных пород.

Метаморфогенный генезис минералов. Метаморфизм — это процесс превращения или перекристаллизации вещества под воздействием, главным образом, высоких давлений и температур. В зависимости от характера проявления разли­ чают региональный, гидротермальный и контактовый мета­ морфизмы. Региональный метаморфизм протекает на боль­ ших глубинах и охватывает обычно громадные территории. Сущность гидротермального метаморфизма состоит в том, что циркулирующие по трещинам и разрывам горных пород горячие газо-водные растворы производят глубокие изме­ нения окружающих горных пород в виде окварцевания, оталькования и хлоритизации.

Контактовый метаморфизм проявляется обычно на кон­ такте магматических и осадочных горных пород и заключа­ ется главным образом в термальном воздействии магмати­ ческого расплава на окружающие его осадочные толщи. Так, например, при взаимодействии интрузии с карбонатны­ ми породами образуются так называемые скарны с харак­ терной ассоциацией минералов (гранаты, магнетит и др.).

Эндогенные, особенно экзогенные, минералы, подвергаясь воздействию повышенных давлений и температур, а также влиянию водных растворов и газов, претерпевают изменения как во внешнем облике, так и в их внутреннем строении.

Для глубоких зон метаморфизма является характерным дегидратация (удаление воды), деоксидация (удаление из­ бытка кислорода) и декарбонатизация (удаление углекисло­ ты) минералов, образовавшихся в приповерхностных усло­ виях. Так, например, опал (Si02 -nH20 ), теряя воду, пре­ вращается в условиях повышенного давления и температуры

. Под воздействием, повышенного давления и температуры в зоне метаморфизма происходит уплотнение вещества ма­

46

терии, что способствует образованию минералов с высоким

удельным весом.

Под влиянием неравномерного бокового давления рост минералов происходит с большей скоростью в направлениях, перпендикулярных к направлению давления. Поэтому для многих метаморфических минералов характерен пластинча­ тый, листоватый, иногда игольчатый облик. Это такие ми­ нералы, как слюда, тальк, хлорит, роговая обманка и др. Минералы метаморфогенного генезиса в основном входят в

время научились получать многие минералы искусственным путем. Искусственное получение минералов имеет большое научное и практическое значение. С одной стороны, это поз­ воляет исследовать процессы минералообразования, с дру­ гой __ дает возможность получать -нужные для практики ми­ неральные вещества. Искусственным путем получают такие минералы, как алмаз, корунд, кварц, слюды и др., и минера­ лы, которые не встречаются в природных условиях, такие,

как алит, белит и др.

к 5 КЛАССИФИКАЦИЯ И КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МИНЕРАЛОВ

Существующие в настоящее время классификации мине­ ралов главным образом основаны на их химическом составе. В соответствии с такой классификацией все минералы под­ разделяются на несколько классов, из которых главнейшими являются: 1 ) силикаты, 2 ) окислы и гидроокислы, 3) кар­ бонаты, 4) фосфаты, 5) сульфаты, 6 ) галоиды, 7) нитраты, 8 ) сульфиды, 9 ) самородные элементы.

Класс силикатов

Минералы этого класса являются самыми распространен­ ными в земной коре, составляя более 33% всех известных в природе минералов. По весу на их долю приходится не ме­

нее 85% всей земной коры.

На основании рентгеноскопического изучения структуры минералов установлено, что во всех силикатах каждый ион кремния Si4+ находится в соединении с четырьмя ионами кислорода, расположенными в вершинах октаэдра, в центре которого находится ион кремния.

Основная структурная единица силикатов — кремнекис-

47

дородный тетраэдр — [SiO^4- обладает четырьмя свобод­ ными валентными связями, за счет которых происходит при­ соединение ионов других химических элементов и кремне­

кислородных тетраэдров.

В зависимости от характера сочленения и расположения таких кремнекислородных тетраэдров различают: островные, цепные и ленточные, листовые (слоевые) и каркасные сили­ каты (рис. 6 ).

М /

Рис. 6. Типы структур: 1— изолированный кремнекислородный тетраэдр; 2 и 3— группы из трех и шести тетраэдров, связанных в кольцо (островные силикаты); 4— цепные; 5— ленточные; 6— листовые; 7— каркасные силикаты.

Островные силикаты. В структуре данного типа кремне­ кислородные тетраэдры представляют островки одиночных тетраэдров, сдвоенных, строенных, счетверенных или сшесте-

48

ренных тетраэдров, сгруппированных в кольца. Друг с дру­ гом эти тетраэдры связываются с помощью катионов Mg2

фаялита: FeO —70,57% и Si02—29,43%. Твердость минерала 6,5—7. Удельный вес 3,3—3,4. Хрупкий. Спайность несовер­ шенная, блеск стеклянный. Цвет оливково-зеленый (буты­ лочный). Сингония ромбическая. Происхождение магмати­ ческое, реже метаморфическое. Является породообразующим минералом основных и ультраосновных магматических по­ род. При выветривании разлагается с образованием карбо­ натов и опала.

Применение: изредка как магнезиальное удобрение, хри­ золит (светло-зеленая разновидность оливина) применяется как драгоценный камень.

Цепные и ленточные силикаты. В структуре цепных си­ ликатов кремнекислородные тетраэдры соединяются друг с другом в непрерывные цепочки с радикалом [Si0 3]2-. Сдво­ енные цепочки с радикалом [Si4On] 6~ характеризуют особый подкласс силикатов, называемый ленточным. Представителя­ ми цепных силикатов являются моноклинные (авгит) и ром­

Удельный вес 3,3—3,6. Цвет черный, зеленовато-черный, ре­ же темно-зеленый. Блеск стеклянный. Сингония моноклин­ ная. Спайность средняя по призме. Является широко рас­ пространенным породообразующим минералом магматических горных пород основного состава. В зоне выветривания не­

3,3. Цвет белый, серый, бурый. Блеск стеклянный, спайность средняя. Сингония ромбическая. Происхождение магматиче­ ское. При вторичном изменении переходит в роговую обман­

ку или антигорит. Встречается в магматических породах и кристаллических сланцах.

Амфиболы — это широко распространенная группа поро­