Почвоведение и инженерная геология. Учебное пособие
.pdfследованиям для получения минералов в лабораторных условиях.
Такие исследования позволяют моделировать условия образования минералов, что представляет несомненный научный интерес. Прак- тическое значение таких исследований – получение искусственных минералов для ювелирной промышленности, радиоэлектроники и др. отраслей.
Многие названия минералов пришли из древних времен:
-на основе физических свойств или химического состава (например – магнетит, никелин),
-по географическому месту открытия (ильменит – в Ильменских горах, арагонит – по испанской провинции);
-по имени великих ученых или деятелей – уваровит (министр просвещения Уваров), шеелит (в честь ученого химика Шееле, от- крывшего элемент W).
Многие минералы, кроме основного, имеют одно или несколько других названий, называемых синонимами. Например, флюорит – плавиковый шпат, сфалерит – цинковая обманка и т. д.
Процессы минералообразования в природе происходят по зако- нам физической химии и термодинамики. Главными факторами яв- ляются химический состав среды, температура и давление. Все они
впроцессе минералообразования изменяют свои параметры, т. е. являются величинами переменными. Изменение величины концен- трации химических элементов, температуры и давления может про- текать плавно и постепенно, или скачкообразно резко. При таких условиях минералы могут кристаллизоваться одновременно- последовательно друг за другом: оливин → пироксен → роговая обманка; или одновременно, например, при интенсивном испарении морской воды в лагунах образуются залежи солей, состоящие из минералов: галит → сильвин → карналит → гипс → сера. Такое совместное нахождение минералов, образовавшихся на определен- ной стадии процесса минералообразования, называется парагенезис минералов. Минералы, образовавшиеся совместно на какой-то определенной стадии минералообразования, называются парагене- тической ассоциацией. Знание парагенезисов минералов имеет большое научное и практическое значение. Так было теоретически и практически установлено, что в кимберлитовых трубках совмест- но с алмазами кристаллизуется минерал группы гранатов – пироп. В Якутии по находкам пиропа были открыты месторождения алмазов.
121
Классификация минералов по химическому составу. Сейчас известно около 3000 минералов и каждый год их число увеличива- ется. Как ориентироваться в этом многочисленном и разнообразном мире минералов? Для этого ученые группируют или систематизи- руют их на основе каких-то признаков. То есть проводят классифи- кацию. В минералогии были попытки создать классификацию на основе разных признаков: например, по твердости, блеску или спайности; по условиям образования или генезису. Но есть минера- лы, которые могут образоваться совершенно в разных условиях. С
середины прошлого столетия минералы стали классифицировать по химическому составу – по доминирующему аниону или анионной группе. Но только после появления рентгеноструктурного анализа и
определения с его помощью внутреннего строения минералов стало возможным установить тесную связь между химическим составом минерала и его кристаллической решеткой. Это открытие положило начало принципу кристаллохимической классификации минералов. Впервые это сделали ученые Брэгг и Гольдшмидт для силикатов.
За основную единицу при такой классификации принят мине- ральный вид, обладающий определенной кристаллической структу- рой и определенным стабильным химическим составом. Минераль- ный вид может иметь разновидности. Под разновидностью пони- мают минералы одного вида, отличающиеся друг от друга по како- му-то физическому признаку, например, по цвету минерал кварц многочисленными разновидностями (черный – морион, прозрачный – горный хрусталь, фиолетовый – аметист).
В процессе минералообразования минералы одного минерально- го вида могут отличаться друг от друга внешним обликом – разме- рами кристаллов или формой. В этом случае каждый минерал одно- го минерального вида называют минеральный индивид.
Существующие классификации объединяют минеральные виды в классы или группы. Их количество у разных авторов колеблется,
по мере усовершенствования классификации и получения новых данных о минеральных видах.
1. Самородные элементы (минералы). К этому классу относят-
ся минералы, состоящие их одного химического элемента и называ- емых по этому элементу. Например: самородное золото сера и т. д. Все они подразделяются на две группы: металлы и неметаллы. В первую группу входят самородные Au, Ag, Cu, Pt, Fe и некоторые др., во вторую – As, Bi, S и С (алмаз и графит).
122
Генезис – в основном образуются при эндогенных процессах в интрузивных породах и кварцевых жилах, S – при вулканизме. При экзогенных процессах происходит разрушение пород, высвобожде- ние самородных минералов (в силу их устойчивости к физическому и химическому воздействию) и их концентрация в благоприятных для этого местах. Таким образом, могут формироваться россыпи золота, платины и алмаза.
Применение в народном хозяйстве:
1 – ювелирное производство и валютные запасы (Au, Pt, Ag, ал- мазы);
2 – культовые предметы и утварь (Au, Ag);
3 – радиоэлектроника (Au, Ag, Cu), атомная, химическая про- мышленность, медицина, режущие инструменты – алмаз;
4 – сельское хозяйство – сера.
2.Сульфиды (соли сероводородной кислоты) – пирит (серный,
железный колчедан FeS2) и его разновидности – марказит и халько- пирит (медный колчедан CuFeS2), галенит (свинцовый блеск PbS), сфалерит (цинковая обманка ZnS), киноварь HgS.
Сульфиды кристаллизуются в разных сингониях – кубической, гексагональной, ромбической и т. д. По сравнению с самородными,
уних более широкий состав элементов-катионов. Отсюда большее
разнообразие минеральных видов и более широкий диапазон одного и того же свойства.
Общими свойствами для сульфидов являются металлический блеск, невысокая твердость (до 4), серые и темные цвета, средняя плотность. Сульфиды являются основным источником руд цветных металлов, а за счет примесей редких и благородных металлов цен- ность их использования повышается. Генезис – различные эндоген- ные и экзогенные процессы.
3.Оксиды и гидроксиды – корунд Al2O3, гематит (красный же- лезняк, «кровавик» Fe2O3), лед, кварц. Представляют один из наиболее распространенных классов с более 150 минеральными ви- дами, в которых атомы или катионы металлов образуют соединения с кислородом или гидроксильной группой (ОН). Это выражается общей формулой АХ или АВХ – где Х – атомы кислорода или гид- роксильная группа. Наиболее широко представлены оксиды Si, Fe, Al, Ti, Sn. Некоторые из них образуют и гидрооксидную форму. Особенность большинства гидрооксидов – снижение значений
123
свойств по сравнению с оксидной формой того же атома металла. Оксиды по химическому составу и блеску можно разделить на ме- таллические и неметаллические. Для первой группы характерны средняя твердость, темные цвета (черный, серый, бурый), средняя плотность. Пример – минералы гематит и касситерит. Вторая груп- па характеризуется низкой плотностью, высокой твердостью 7–9, прозрачностью, широкой гаммой цветов, отсутствием спайности. Пример - минералы кварц, корунд. В народном хозяйстве наиболее широко используются оксиды и гидрооксиды для получения Fe, Mn, Al, Sn. Прозрачные, кристаллические разновидности корунда (сапфир и рубин) и кварца (аметист, горный хрусталь и др.) исполь- зуются как драгоценные и полудрагоценные камни. Генезис – при эндогенных и экзогенных процессах.
4.Галоиды. Наиболее широко распространены фториды и хло- риды – соединения катионов металлов с одновалентным фтором и хлором. Фториды – минералы светлые, средней плотности и твер- дости. Представитель – флюорит CaF2. Хлоридами являются мине- ралы галит и сельвин (NaCl и KCl). Для галоидов общими являются низкая твердость, кристаллизация в кубической сингонии, совер- шенная спайность, широкая цветовая гамма, прозрачность. Особы- ми свойствами обладают галит и сильвин – имеют соленый и горь- ко-соленый вкус. По генезису фториды и хлориды отличаются. Флюорит – продукт эндогенных процессов (гидротермальный), га-
лит и сильвин образуются в экзогенных условиях за счет осаждения при испарении в водоемах. В народном хозяйстве флюорит исполь- зуется в оптике, металлургии, для получения плавиковой кислоты. Галит и сильвин находят применение в химической и пищевой про- мышленности, в медицине и сельском хозяйстве, фотоделе.
5.Карбонаты – соли угольной кислоты, общая формула АСО3 – где А – Са, Мg, Fe и др. Общие свойства – кристаллизуются в ромби- ческой и тригональной сингониях (хорошие кристаллические формы и спайность по ромбу); низкая твердость 3–4, преимущественно светлая окраска, реакция с кислотами (HCl и HNO3) с выделением углекислого
газа. Наиболее распространенными являются: кальцит СаСО3, магне- зит MgСО3, доломит СаМg (СО3)2, сидерит FeСО3.
Карбонаты с гидроксильной группой (ОН):
Малахит Cu2CO3 (OH)2– зеленый цвет и реакция с НСl, Азурит Cu3(CO3)2(OH)2 – синий цвет, прозрачен в кристаллах.
124
Генезис карбонатов разнообразен – осадочный (химический и биогенный), гидротермальный, метаморфический. Это породообра- зующие минералы осадочных пород (известняки, доломиты и др.) и метаморфических – мрамор, скарны. Используются в строитель- стве, оптике, металлургии, как удобрения. Малахит используется как поделочный камень. Большие скопления магнезита и сидерита – источник получения железа и магния.
6.Сульфаты – соли серной кислоты, т. е. имеют радикал SO4. Наиболее распространенные и известные сульфаты Ca, Ba, Sr, Pb. Общими свойствами для них являются кристаллизация в моноклин- ной и ромбической сингониях, светлая окраска, низкая твердость, стеклянный блеск, совершенная спайность. Минералы: гипс
CaSO4·2H2O, ангидрит CaSO4, мирабилит (глауберова соль Na2SO4·10H2O), барит (тяжелый шпат BaSO4). Образуются в экзо- генных условиях, часто совместно с галоидами. Некоторые сульфа- ты (барит, целестин) имеют гидротермальный генезис. Примене- ние – строительство, сельское хозяйство, медицина, химическая промышленность.
7.Фосфаты – соли фосфорной кислоты, т. е. содержащие PO4. Количество минеральных видов мало, используется минерал апа-
тит Ca(PO4)3(F,Cl,OH). Он образует кристаллические и зернистые агрегаты, твердость 5, сингония гексагональная, спайность несо- вершенная, цвет зелено-голубой. Содержит примеси стронция, ит- трия, редкоземельные элементы. Генезис – магматический и оса- дочный, где он в смеси с глинистыми частицами образует фосфо- рит. Применение – агросырье, химическое производство и в кера- мических изделиях.
8.Силикаты – наиболее распространенный и разнообразный
класс минералов (до 800 видов). В основе систематики силикатов – кремнекислородный тетраэдр [SiO4]-4. В зависимости от структуры, которую они образуют, соединяясь друг с другом, все силикаты де- лятся на островные, слоевые, ленточные, цепочечные и каркасные. Островные силикаты – в них связь между обособленными тетраэд- рами осуществляется через катионы. В эту группу входят минера- лы: оливин, топаз, гранаты, берилл, турмалин. Слоевые силикаты представляют непрерывные слои, где тетраэдры связаны ионами кислорода, а между слоями связь осуществляется через катионы. Эта группа объединяет минералы-слюды: биотит, тальк, мусковит,
125
серпентин. Цепочечные и ленточные – тетраэдры образуют цепочки одинарные или сдвоенные (ленты). Каркасные силикаты – в них тетраэдры соединяются между собой всеми атомами кислорода, об- разуя каркас с радикалом [Si4O8]. В эту группу входят полевые шпа- ты и плагиоклазы. Полевые шпаты объединяют минералы с катио- нами Na и K. Это минералы микроклин и ортоклаз. В плагиоклазах в качестве катионов – Са и Na, при этом соотношение между этими элементами не постоянно. Поэтому плагиоклазы представляют со- бой изоморфный ряд минералов: альбит – олигоклаз – андезин – лабрадор – битовнит – анортит. От альбита к анортиту увеличивает- ся содержание Са. В составе катионов в силикатах наиболее часто присутствуют: Mg, Fe, Mn, Al, Ti, Ca, K, Na, Be, реже Zr, Cr, B, Zn,
редкие и радиоактивные элементы. Необходимо отметить, что часть кремния в тетраэдрах может замещаться Al и тогда мы относим ми- нералы к алюмосиликатам.
Сложный химический состав и разнообразие кристаллической структуры в сочетании дают большой разброс показателей физиче- ских свойств. Даже на примере шкалы Мооса видно, что твердость у силикатов от 1 до 9. Спайность от весьма совершенной до несо- вершенной. Часто силикаты группируются по окраске – темно- окрашенные, светлоокрашенные. Особенно широко это применяет- ся к силикатам – породообразующим минералам.
Силикаты образуются в основном при формировании магмати- ческих и метаморфических пород в эндогенных процессах. Большая группа глинистых минералов (каолин и др.) образуется в экзоген- ных условиях при выветривании силикатных горных пород. Многие
силикаты являются полезными ископаемыми и применяются в народном хозяйстве. Это строительные материалы, облицовочные, поделочные и драгоценные камни (топаз, гранаты, изумруд, турма- лин и др.), руды металлов (Ве, Zr, Al) и неметаллов (В), редких эле- ментов. Они находят применение в резиновой, бумажной промыш- ленности, как огнеупоры и керамическое сырье.
Магматические горные породы
Горная порода – природное соединение одного или нескольких минералов, образующихся в результате проявления различных гео- логических процессов в недрах Земли или на её поверхности. Маг- ма – вещество Земли в расплавленном жидком состоянии. Она об-
126
разуется в Земной коре и верхней мантии в интервалах глубин 30– 400 км. По составу – это силикатный расплав с включением атомов растворенных металлов и растворенных газов. Из магматического очага магма движется к поверхности Земли. При этом ее внутреннее давление и температура понижаются, начинается процесс кристал- лизации и переход из жидкого в твердое состояние. Образуются магматические горные породы. Это общая схема магматического процесса. В свою очередь в нем выделяют два типа (или две ветви).
I. Интрузивный магматизм – процесс внедрения магмы в выше- лежащие толщи и ее кристаллизация в земной коре, не достигая по- верхности на разных глубинах. Для этого процесса характерно мед- ленное снижение температуры и давления, кристаллизация в за- мкнутом пространстве. Магматические породы состоят из полно- стью раскристаллизованных зернистых агрегатов породообразую- щих минералов. Такие магматические породы называются интру- зивными.
II. Эффузивный магматизм или вулканизм – процесс проникно-
вения магмы в земную кору и выход ее в жидком расплавленном состоянии на поверхность Земли. При этом происходит резкое сни- жение t и P в расплаве и от него отделяются растворенные газы. И уже такой расплав называют лавой. При резком снижении t и Р происходит быстрое остывание лавы и переход ее в твердое состоя- ние. При этом кристаллизоваться успевают немногие минералы и образуются породы неполнокристаллические – эффузивные.
Химический состав магматических пород принято записывать в оксидной форме. Если общее количество минерального вещества в горной породе принять за 100 %, то 99 % в них представлены сили- катами, состав которых определяют 12 оксидов – SiO2, TiO2, Al2O3, Fe3O4, Fe2O3, MnO, CaO, MgO, Na2O, K2O, H2O, P2O5. Эти оксиды называют петрогенными, и их количество в составе магматических горных пород достигает 99,5 %. Количественное соотношение меж- ду оксидами может изменяться, а это, в свою очередь, отражается на видовом составе породообразующих минералов, а значит на раз- нообразии разновидностей магматических пород. В тоже время бы- ло отмечено, что в каждой из разновидностей магматических пород количественное соотношение петрогенных оксидов является ста- бильным в определенных интервалах. Поэтому в основу их класси- фикации положен химический состав, а ведущим признаком в ней
127
является содержание SiO2. Все породы по содержанию кремнезема делятся на ультраосновные, основные, средние и кислые. Содержа-
ние SiO2 возрастает от ультраосновных пород к кислым и определя- ет не только разный минералогический состав и химические свой- ства, но и физические свойства – такие как плотность, температура кристаллизации, вязкость расплава. Последнее свойство определяет способность расплава к текучести, а следовательно, с разной скоро- стью перемещаться и удаляться от очага, т. е. подвижностью. Наиболее подвижными являются магмы ультраосновного состава, соответственно кислые – более вязкие и менее подвижные.
Разделение магмы на составные части по химическому составу или дифференциация магмы происходит различными путями.
I.Считается возможным разделение магмы разного состава – ультраосновной, основной и кислой.
II.Кристаллизационная дифференциация – обусловлена разли- чием в температуре кристаллизации породообразующих минералов. Это явление обосновано английским ученым Н. Боуэном, который сгруппировал породообразующие минералы в две серии. В первой (прерывной) помещены темноцветные минералы оливин, пироксе- ны (ромбический и моноклинный), роговая обманка и биотит; а во второй (непрерывной) серии – полевые шпаты – плагиоклазы (от основных к кислым) и калиевый полевой шпат. В каждой серии по-
следовательность кристаллизации минералов связана с понижением температуры магматического расплава, которая убывает от оливина
кбиотиту.
III.Дифференциация расплава по плотности – ликвация. Этот процесс приводит к расслоению единого расплава на части отлича- ющиеся по плотности: в нижней части как более плотные (или тя- желые) формируются породы ультраосновного и основного состава. Часто они сопровождаются ликвацией сульфидно-оксидной массы от силикатной. Так образуются ликвационные месторождения CuNi руд. Выше этой части формируются породы среднего состава, а в верхней части – кислого. Яркий пример такого формирования – Бушвельдский интрузивный массив в ЮАР.
IV. При движении магмы от магматического очага к месту кри-
сталлизации часто происходит захват и переплавление магмой встречаемых ею пород. Это явление называется ассимиляцией, и оно тоже может стать причиной дифференциации магмы.
128
Образующиеся при остывании магмы интрузивные тела разде- ляются по глубинам образования и по форме.
Батолиты – глубинные, наиболее крупные тела (размеры дости- гают сотен км).
Шток – отличается от батолита меньшими размерами и часто
образуется как ответвление от батолита или на некотором удалении от него.
Интрузивные тела меньших размеров разделяются по условиям залегания во вмещающих породах на согласные и секущие. Соглас- ные тела формируются между пластами пород – это силлы, лакко-
литы и лополиты.
Если магма застывает в трещинах пересекающих напластование пород, то образуются секущие тела – это жилы и дайки. Для них характерна небольшая мощность (несколько м) и значительная дли- на (до нескольких км). Пример – Материнская дайка в Южной Аф- рике.
Эффузивный магматизм тоже можно рассматривать как несколь- ко последовательных процессов.
1.Излияние лавы и сопутствующих продуктов и образование вулканических пород. Скорость движения или подвижность лавы
зависит от ее химического состава. Лавы основного состава с t~1200о наиболее подвижны. Они образуют лавовые потоки и по- кровы, удаляясь от центров извержения на несколько километров. Лавы кислого состава вязкие и малоподвижные.
Характер отделения газов от магмы зависит от степени ее насы- щенности ими. Как правило, отделение газов имеет взрывной ха- рактер. При этом увлекаются не застывшие частицы лавы, которые, застывая в воздухе, дают твердые продукты извержения – бомбы, лаппили и пепел. Твердые продукты извержения в зависимости от размеров могут вместе с газами уноситься на различные расстояния. Бомбы – крупные куски застывшей лавы перемещаются недалеко от кратера вулкана. А вот пеплы – мельчайшие частицы лавы, разме- ром до 1 мм, могут образовать пепловые тучи (наподобие пылевых)
иуноситься газами на несколько километров. Смешиваясь с парами воды, они оседают вместе с ливнями, и иногда это приводит к ката- строфическим последствиям.
2.Выделение газов предшествует и сопровождает извержение лав и может продолжаться после прекращения извержения. Часто
129
вулканическая деятельность не сопровождается излиянием лав, а представляет только выбросы газа и пепла. Вулканические газы, остывая, превращаются в твердое вещество и могут представлять месторождения серы, борной кислоты, карбонатов и др.
3. Поствулканические процессы – это процессы, связанные с за- туханием активного вулканизма. Продуктами выделения являются пар и горячая вода. Вылетая из недр, периодически и под большим напором, они образуют гейзеры. При отсутствии напора пара обра- зуются термальные источники.
Характеристика магматических пород. По минеральному со-
ставу минералы подразделяют на породообразующие (главные и второстепенные) и акцессорные. Породообразующие минералы со- ставляют >90 % объема породы и представлены, главным образом, силикатами:
∙полевые шпаты, кварц, нефелин – светлоокрашенные;
∙пироксен, оливин, амфиболы, слюды – темноцветные.
В разных по химическому составу породах один и тот же мине- рал может быть главным или второстепенным. Акцессорные мине- ралы составляют в среднем около 1 % объема породы и представле- ны апатитами, магнетитами, цирконом, рутилом, хромитом, золо- том, платиной и др.
Строение магматических пород характеризует структура и текстура. Структура горных пород (от лат. structura – взаимораспо- ложение, соотношение, связь) – это обобщенный показатель внут- реннего строения и взаимоотношения зерен минералов в горной по- роде (плакат). Чтобы определить структуру, нужно знать размеры и форму зерен минералов, взаимное их расположение, степень кри- сталличности. Текстура – способ заполнения пространства и рас- сматривается как внешний облик пород. Например, при кристаллиза-
ции основных пород может происходить обособление в пространстве темноцветных и светлоокрашенных минералов. И тогда порода мо- жет выглядеть пятнистой или полосчатой, т. е. это и будет текстура.
Классификация магматических пород. В основу классифика-
ции положены признаки – химический состав и генезис. По хими- ческому составу и в частности по содержанию кремнезема SiO2 все породы делятся на:
∙ультраосновные SiO2 >45 %
∙основные SiO2 до 45–52 %
130