1.2.3. Минералы, происхождение, структура и состав

Земная кора сложена горными породами. Минералы входят в состав горных пород. Если горная порода состоит из одного минерала, то она является мономинеральной (например каменная соль, известняк, мрамор, гипс и др.). Если порода состоит из нескольких минералов, — она полиминеральная (например гранит, базальт, гнейс и др.). Минералы изучает наука минералогия, а горные породы — петрография.

В настоящее время следует различать два вида минералов:

1)природного происхождения, рождение которых связано с процессами в земной коре;

2)искусственного происхождения, которые возникли в процессе техногенной деятельности человека (в том числе и целенаправленной).

В земной коре содержится более 7000 минералов и их разновидностей. Большинство встречается редко и лишь немногим более 100 минералов встречаются часто и в достаточно больших количествах, входят в состав тех или иных горных пород. Такие минералы называют породообразующими. Каждый минерал существует в природе лишь в определенных термодинамических условиях.

Происхождение минералов. Условия, в которых образуются минералы в природе, отличаются большим разнообразием и сложностью. Различают три основных процесса минералообразования: эндогенный, экзогенный и метаморфический.

Эндогенный процесссвязан с внутренними силами Земли и проявляется в ее недрах. Минералы формируются из магмы — силикатного огненно-жидкого расплава. Эндогенные минералы плотные, с большой твердостью, стойкие к воде, кислотам, щелочам.

Экзогенный процесс свойственен поверхности земной коры. При этом процессе минералы формируются на суше и в море.В первом случае их создание связано с процессом выветривания, т.е. разрушительным воздействием воды, кислорода, колебаний температуры на эндогенные минералы. Во втором случае минералы формируются в процессе выпадения химических осадков из водных растворов (галит, сильвин и др.).

Метаморфический процесс. Под воздействием высоких температур и давлений, а также магматических газов и воды на некоторой глубине в земной коре происходит преобразование минералов, ранее образовавшихся в экзогенных процессах. Минералы изменяют свое первоначальное состояние, перекристаллизовываются, приобретают плотность, прочность.

Структура. Минералы обладают кристаллической структурой или бывают аморфными. Большинство минералов имеет кристаллическое строение, в котором атомы расположены в строго определенном порядке, создавая пространственную решетку. Благодаря этому многие минералы внешне имеют вид правильных многогранников. Со строением и характером пространственной решетки связаны свойства кристаллических тел.

Химический состав. Каждый минерал характеризуется определенным химическим составом. В отдельных случаях встречаются минералы сходного химического состава, но в этом случае они обязательно имеют различное внутреннее строение, следовательно, и различную внешнюю форму. Химический состав кристаллических минералов выражается кристаллохимической формулой, которая показывает количественные соотношения элементов и характер взаимной связи в пространственной решетке.

Физические свойства. Каждый минерал имеет определенные физические свойства. По цвету минералыусловно разделяют насветлые (кварц, полевые шпаты,кальцит и др.) и темные (роговая обманка, авгит и др.). По прозрачности выделяют три группы минералов: прозрачные (кварц, мусковит и др.), полупрозрачные (гипс, халцедон и др.) и непрозрачные (пирит, графит

идр.).

15

Блеск — способность поверхности отражать свет, он может быть металлическим и неметаллическим, который, в свою очередь, может быть стеклянным (силикаты), жирным (тальк), шелковистым (асбест) и др.

Твердость — способность минералов противостоять внешним механическим воздействиям, она ориентировочно оценивается по шкале твердости Мооса (табл. 3).

Спайность — способность минералов раскалываться или расщепляться по определенным направлениям с образованием плоскостей раскола. Плотность минералов различна и колеблется в пределах от 0,6 до 19 г/см3. Минералыобладаютрядом других физических свойств: хрупкостью, плавкостью, магнитностью, вкусом, запахом и др.

Классификация минералов основана главным образом на их химическом составе. Все минералы разделяют на 10 классов (табл. 4).

Таблица 4

Классы минералов и типичные для них минералы

Силикаты — наиболее многочисленный класс, включающий до 800 минералов, являющихся основной составной частью большинства магматических и метаморфических пород.

Среди силикатов выделяют группы минералов, характеризующиеся некоторой общностью состава и строения, — полевые шпаты, пироксены, амфиболы, слюды, а также оливин, тальк, хлориты и глинистые минералы. Все они по составу алюмосиликаты.

Оксиды и гидроксиды. Эти два класса объединяют около 200 минералов, на их долю приходится до 17 % всей массы земной коры. Наибольшее распространение имеют кварц, опал и лимонит.

Карбонаты. К ним относится более 80 минералов. Наиболее распространенные среди них — кальцит, магнезит, доломит. Происхождение в основном экзогенное и связано с водными растворами. В контакте с водой они немного снижают свою механическую прочность, слабо растворяются в воде, разрушаются в кислотах.

16

Сульфаты. Этот класс объединяет до 260 минералов, происхождение которых связано с водными растворами. Характеризуются небольшой твердостью, светлой окраской. Сравнительно хорошо растворяются в воде. Наибольшее распространение имеют гипс и ангидрит.

Сульфиды насчитывают до 200 минералов. Типичный представитель — пирит. Сульфиды

взоне выветривания разрушаются, поэтому их примесь снижает качество строительных материалов.

Галоиды содержат около 100 минералов. Происхождение связано в основном с водными растворами. Наибольшее распространение имеет галит. Может быть составной частью осадочных

пород, легко растворяется в воде.

Радиоактивность минералов. Различные радиоактивные химические элементы (232U, 237Th, Ra и др.) содержат 97 природных минералов. Радиоактивные минералы часто присутствуют

вгранитах и глинах, которые могут иметь довольно высокую «фоновую» радиоактивность, в то время как известняки и кварцевый песок обычно имеют низкую радиоактивность.

1.2.4. Текстурно-структурные особенности горных пород

Горные породы представляют собой природные минеральные агрегаты, которые «рождаются» в земной коре. Горные породы не имеют химических формул. Их состав оценивается валовым химическим анализом, например, химический состав базальта:SiО2 — 49–52 %, А2О3 — 10–14 %, Fе2О3 — 4–14 %, СаО — 8–10 % и т.д. В земной коре идентифицировано около 1000 горных пород [6].

По происхождению их делят на три типа:

1)магматические;

2)осадочные;

3)метаморфические.

В земной коре магматические и метаморфические породы занимают 95 % общей ее массы. Осадочные породы располагаются непосредственно на поверхности Земли, покрывая собой в большинстве случаев магматические и метаморфические породы.

Магматические горные породы. Магматическими (или изверженными) породами называют горные породы, которые образовались в результате кристаллизации магмы при ее остывании в недрах Земли или на ее поверхности. Магма (или лава) — сложный силикатный расплав примерно следующего состава: кислород — 46,7 %, кремний — 27,7 %, алюминий — 8,1 %, железо — 5,1 %, кальций —3,6 %, магний — 2,1 %, натрий — 2,7 %, калий — 2,6 %, другие элементы обычно не превышают в среднем 1,4 %. Температура магмы различна, но обычно 100‒1300 °С. Магма, поднимающаяся к земной поверхности, быстро охлаждается, вязкость растет благодаря постепенной потере воды и газов. В таких условиях становится невозможной дифференциация расплава, часть его застывает в виде аморфной массы, формируя породы неполнокристаллической структуры. В этом случае образуется неравномернокристаллическая (порфировая) структура. Наличие газов в застывающей на поверхности магме определяет повышенную пористость эффузивных пород.

Вулканические породы обладают часто пузырчатой текстурой.

Структуры и текстуры глубинных пород иные. Магматический расплав в глубинах Земли

всреде ранее образованных пород кристаллизуется постепенно под влиянием высокого давления

вусловиях медленного охлаждения иучастия присутствующих летучих веществ, растворенных паров и газов. Особенностью интрузивных образований является полнокристаллическая крупная и равномерно-зернистая структура.

Свойства пород зависят от особенностей их внутреннего строения и сложения в массиве.

17

Структура — особенности внутреннего строения породы, обусловленные формой, размерами, количественным соотношением ее составных частей — минералов. В магматических породах различают следующие структуры: 1) зернистые, типичные для глубинных пород; 2) полукристаллические (совместное нахождение кристаллов и аморфного стекла); 3) стекловатые, типичные для излившихся пород.

Текстура (сложение) характеризует пространственное расположение частей породы в ее объеме — «рисунок» породы. Для магматических пород характерны следующие текстуры: 1) массивная — равномерное, плотное расположение минералов; 2) полосчатая— чередование

впороде участков различного минерального состава или различной структуры; 3) шлаковая — содержит видимые глазом пустоты.

Строительные свойства магматических пород высокие. Это объясняется минеральным составом и жесткими кристаллизационными связями в структурах. Наибольшей прочностью отличаются мелко- и равномерно-зернистые структуры. При оценке качества отдают предпочтение массивной текстуре. Полосчатое сложение и отдельности облегчают разработку, но

вцелом снижают качество породы.

Осадочные горные породы. Любая находящаяся на земной поверхности порода подвергается выветриванию, т.е. разрушительному воздействию воды, колебаний температур и т.д.

Врезультате даже самые массивные, прочные магматические породы постепенно разрушаются, образуя обломки разных размеров и распадаясь до мельчайших частиц. Осадочные породы слагают самые верхние слои земной коры, покрывая своеобразным чехлом породы магматического и метаморфического происхождения. Несмотря на то, что осадочные породы составляют всего 5 % земной коры, земная поверхность на 75 % своей площади покрыта этими породами, в связи с чем строительство осуществляется в основном на осадочных породах. Инженерногеологические свойства осадочных горных пород складываются в процессе литогенеза. Под литогенезом понимают совокупность геологических процессов, определяющих современный состав, строение, состояние и свойства осадочных горных пород.

Структура осадочных пород разнообразна. Почти каждый тип породы имеет свою, присущую только ему структуру. Для рыхлых пород характерны обломочные структуры, для сцементированных — брекчиевидные и т.д. Осадочные породы залегают в виде слоев, образующихся в процессе периодического накопления осадков в водной и воздушной средах. В составе слоя может быть микрослоистость, отражающая осадконакопление в различные времена года.

Осадочные породы принято подразделять на триосновные группы: 1) обломочные; 2) химического происхождения (хемогенные); 3) органогенные, возникшие в результате жизнедеятельности организмов.

Под искусственными (техногенными) грунтами понимают горные породы и почвы, которые сознательно изменены человеком при решении различных инженерных задач при производственной или другой хозяйственной деятельности, в том числе в виде отходов производства и потребления.

Метаморфические горные породы. На земной поверхности одним из важнейших процессов является процесс выветривания (разрушение горных пород). Глубже располагается зона цементации. В этой зоне рыхлые породы уплотняются, цементируются. Ниже этих зон, примерно с глубины 0,8 км и далее на многие километры, располагается зона метаморфизма.

При метаморфозе интенсивно изменяются первичный состав, строение и сложение пород.

Вцелом, под метаморфизмом горных пород понимают существенные изменения их минерального состава, структуры и текстуры, происходящие под воздействием эндогенных процессов в земной коре с сохранением твердого состояния породы, без расплавления или растворения.

Изменение минералов и горных пород вызывается воздействием основных факторов метаморфизма: температуры и давления с одновременным воздействием флюидов.

18