Минералы и горные породы. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Ю. Н. КОСТЮК

МИНЕРАЛЫ И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог Издательство Южного федерального университета

2019

1

УДК 549.8+552.2(075.8) ББК 26.31+26.34я73

К72

Печатается по решению кафедры общей и инженерной геологии Института наук о Земле Южного федерального университета (протокол № 6 от 22 марта 2019 г.)

Рецензенты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры месторождений полезных ископаемых

Института наук о Земле Южного федерального университета

М. И. Гамов;

кандидат геолого-минералогических наук,

директор филиала «АИИС – Ростов-на-Дону»

Н. М. Хансиварова

Костюк, Ю. Н.

К72 Минералы и горные породы : учебное пособие / Ю. Н. Костюк ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2019. – 122 с.

ISBN 978-5-9275-3248-3

В пособии в краткой форме приводятся общие сведения о минералах и горных породах и методах их визуальной диагностики, основанных на изучении внешних признаков. Основное внимание уделено свойствам, составу и строению минералов и горных пород как важнейшим диагностическим признакам.

Рекомендовано для обучающихся бакалавриата по направлениям подготовки «Почвоведение», «Гидрометеорология», «Педагогическое образование».

УДК 549.8+552.2(075.8)

ББК 26.31+26.34я73

ISBN 978-5-9275-3248-3

© Южный федеральный университет, 2019 © Костюк Ю. Н., 2019 © Оформление. Макет. Издательство

Южного федерального университета, 2019

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Учебный план изучения дисциплин «Геология», «Науки о Земле: геология, минералогия» и «Геоморфология с основами общей геологии» включает лекционный курс, практическую часть и самостоятельную работу обучающихся.

Как самостоятельные науки, геология (от греч. γῆ – Земля + λόγος – учение), минералогия (от лат. minera – руда) и геоморфология (от греч. μορφή – форма) относятся к циклу геолого-географических наук и входят в общий комплекс наук о Земле. У всех этих наук объект изучения общий – Земля, но предметы разные. Основной целью лекционного курса является ознакомление с предметом, конкретными объектами и методами их изучения каждой из этих дисциплин.

Предметом изучения геологии является литосфера (от греч. λίθος – камень + σφαίρα – шар) – верхняя каменная оболочка Земли, включающая земную кору и часть верхней мантии до астеносферы (от греч. ἀσθενής – слабый) – слоя с пониженной твердостью. Литосфера и ее наиболее изученная и освоенная верхняя часть – земная кора – сложены различными горными породами, состоящими из определенного сочетания минералов, в состав которых входят различные химические элементы. В связи с этим одним из нескольких основных направлений в геологии является изучение вещественного состава земной коры, литосферы и Земли в целом.

Предметом изучения минералогии – одной из старейших геологических наук о веществе – являются минералы, образующие, кроме горных пород, руды, залежи рудного или нерудного минерального сырья, месторождения полезных ископаемых.

Предметом изучения геоморфологии является рельеф Земли. Рельеф – это совокупность неровностей земной поверхности. Такие неровности, называемые формами рельефа, чрезвычайно разнообразны. Они различаются по внешнему облику, строению, происхождению, масштабам и другим признакам. Но в любом случае все эти формы либо сложены горными породами, либо выработаны в них. Особенности горных пород,

5

Глава 1. МИНЕРАЛЫ

1.1. Общие сведения о минералах

Минералами (от лат. «minera» – руда) называются природные химические соединения, обладающие определенными физическими свойствами, химическим составом и внутренним строением и образующиеся в результате разнообразных геологических процессов.

В современных условиях разработаны промышленные технологии получения ряда искусственных минералов, являющихся синтетически-

ми аналогами природных минералов (алмазов, рубинов, гранатов и др.).

Распространенность минералов. В настоящее время на Земле известно более 4000 минералов и еще больше их разновидностей. Основное количество известных минералов установлено в земной коре, средняя мощность которой составляет около 40 км, или 1/160 радиуса Земли.

Распространенных минералов насчитывается порядка 400–500, но

только немногие из них – около 50 – слагают основную массу горных пород. Такие минералы принято называть породообразующими. С по-

зиций практического использования выделяются рудные минералы, 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 и месторождений. Породообразующие и другие минералы также могут иметь практическое значение как нерудные полезные ископаемые.

Главными в своей массе минералами земной коры являются полевые шпаты и кварц, на долю которых приходится соответственно около 43 и 12 % (Булах и др., 2008). Значительна роль слюд и глинистых минералов, а также пироксенов и оливина за счет горных пород ниж-

7

Глава 1. МИНЕРАЛЫ

них зон земной коры. Следует отметить, что минералы слагают горные породы не только земной коры. К настоящему времени получены данные, характеризующие в общих чертах минеральный состав верхней и нижней мантии Земли. Кроме того, установлено, что на поверхности планет земной группы (Меркурий, Венера, Марс) и на Луне преобладают обычные земные минералы, около ста минералов обнаружено в

составе метеоритов.

Химический состав минералов. Определяется распространенностью химических элементов в земной коре, но здесь имеется много исключений. Так, главными минералообразующими элементами в мире минералов являются кислород (O) и водород (H). Затем по месту в составе минералов химические элементы располагаются в такой последовательности: Si, Ca, Fe, S, Al, Na, Mg и др. Указанный ряд лишь частично совпадает с известной последовательностью наиболее распространенных химических элементов земной коры: O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K. Это объясняется разными факторами, наиболее важными из которых являются: химическая активность элементов, неравномерное распределение химических элементов по горным породам, зонам

и участкам земной коры и др.

Внутреннее строение минералов. Подавляющее большинство минералов представляют собой кристаллические вещества, и лишь незначительная их часть находится в аморфном состоянии. Свойства кристаллических веществ определяются как их составом, так и законо-

мерным внутренним строением, т. е. кристаллической структурой. Одним из таких свойств является анизотропность (от греч. ἄνισος – нерав-

ный + τρόπος – направление), т. е. неравносвойственность кристаллического вещества в разных направлениях структуры. С этим свойством связано проявление специфической особенности, характерной только для кристаллических веществ, – способности самоограняться в процес-

се роста и образовывать геометрически правильные многогранники – кристаллы. Аморфные вещества не имеют закономерного внутреннего

строения. Поэтому их свойства зависят только от состава, они изотроп-

ны (от греч. ίσος – равный, одинаковый) и кристаллов не образуют. Происхождение минералов. Происхождение минералов связано

с эндогенными (от греч. ἔνδον – внутри + γένεσις – происхождение)

8

1.1.Общие сведения о минералах

иэкзогенными (от греч. ἔζω – снаружи, вне) геологическими процессами.

Эндогенные процессы минералообразования происходят в недрах

Земли и включают магматизм и метаморфизм.

Эндогенные минералы магматического происхождения образуются в результате различных процессов. Среди них выделяют: магматический, пегматитовый, пневматолитовый и гидротермальный процессы минералообразования.

При магматическом процессе минералы образуются непосредственно из жидкого расплава – магмы (от греч. μάγμα – тесто, месиво) по мере ее остывания и кристаллизации.

Пегматитовое минералообразование происходит на заключительных стадиях магматического процесса и связано с кристаллизацией минералов из остаточных порций застывающего расплава, отжатого из магматического очага в трещины вмещающих его горных пород.

Пневматолитовое (от греч. πνεῦμα – дуновение, воздух + λύσις – растворение) и гидротермальное (от греч. ὕδωρ – вода + θέρμη – теплый, горячий) минералообразование являются постмагматическими процессами кристаллизации минералов, соответственно, из остываю-

щих газов и горячих водных растворов.

Эндогенные минералы метаморфического происхождения (от греч. μεταμόρφωσις – превращение) образуются в результате преобразования ранее сформированных минералов под действием высоких температур и давлений, а также химически активных веществ – растворов и газов. Метаморфические процессы минералообразования связаны в основном с контактовым и метасоматическим типами метаморфизма.

Контактово-метаморфическое образование минералов происходит под воздействием тепла остывающих магматических расплавов на вмещающие породы. Особым типом контактового метаморфизма является скарновое (от швед. skarn – пустая руда) происхождение минералов, образующихся в зонах контакта гранитных расплавов с известняками и доломитами под действием горячих водных растворов.

Метасоматическое (от греч. μετά – после, за, между + σώμα – тепло) образование минералов происходит в результате замещения ранее

9

Глава 1. МИНЕРАЛЫ

образованных минералов путем привноса одних химических элемен-

тов в породу и выноса других.

Экзогенные процессы минералообразования происходят на поверхности Земли и связаны с выветриванием – механическим разрушением и химическим разложением ранее сформированных минералов и образованием новых, устойчивых в поверхностных условиях минералов, а также с осадочным процессом – осаждением минералов из вод-

ных растворов химическим и биохимическим путем.

Названия минералов. Минералы и их разновидности имеют самостоятельные названия, которые сложились исторически и либо даны по характерным физическим свойствам, химическому составу и географическим наименованиям по месту их нахождения, либо названы в честь ученых, либо сохраняют старинные минералогические названия. Названия изучаемых минералов приведены в прил. 1.

Минералы являются предметом изучения минералогии, тесно связанной с кристаллографией, кристаллохимией и кристаллофизикой.

Контрольные вопросы к параграфу 1.1

1.Что такое минералы и какова их распространенность в природе?

2.Как называются минералы, слагающие основную часть горных пород, и что такое рудные минералы?

3.Какие основные свойства характерны для кристаллических веществ и как они проявляются в минералах?

4.Какие процессы минералообразования относятся к эндогенным и экзогенным?

1.2. Методы определения минералов

Существуют разнообразные методы определения минералов, применяемые в минералогии. Они направлены на изучение формы, состава, строения, свойств и происхождения минералов и, как правило, требуют применения специального оборудования.

В практической части учебного курса для определения минералов используется макроскопический метод. Этот метод, обычно применяемый и в полевых условиях, основан на изучении внешних, видимых

10