Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО ТюмГАСУ

Кафедра механики грунтов, оснований и фундаментов

Минералы и их свойства

учебное пособие

по курсу «Инженерная геология»

для студентов строительных специальностей

Тюмень - 2003

Соседков Э.С., Игашева С.П.

Учебное пособие по курсу «Инженерная геология» для студентов дневной и заочной формы обучения специальностей ПГС, ПСК, ЭУН, ГСХ, ВиВ, АД, ТГВ, ООС. - Тюмень: ТюмГАСА, 2003г.

Рецензент

профессор,

доктор

геолого-минералогических наук /Максимов Е.М./

Рецензент

ведущий научный сотрудник

ООО

«Тюменгипрогаз»,

кандидат геолого-минералогических наук /Кравцов Ю.В./

Учебно-методический материал утвержден на заседании кафедры:

протокол №_____ от «____» ___________________________ 20 г.

Учебно-методический материал утвержден УМС академии:

протокол №_____ от «____» ___________________________ 20 г.

Тираж _____ экземпляров

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………......................5

Лабораторная работа № 1

«Макроскопическое определение свойств минералов»……………………………...6

Теоретическая часть

«Основы минералогии»……………………........................................................6

Генезис минералов………………………………………………………..7

Химический состав и свойства…………………………………………..7 Морфологические признаки…………………………………..………….9

Физические свойства……………………………………………………10

Особые свойства…………………………………………………………12

Применение минералов………………………………………………….12

*Контрольные вопросы………………………………………………….13

Практическая часть

«Определение свойств минералов по образцам учебной

коллекции»............14

*Контрольные вопросы…………………………………………..............20

Практическая работа

«Описание важнейших свойств породообразующих и рудных

минералов»………21

Пример оформления практической работы…………………………….22

Лабораторная работа № 2

«Изучение основных породообразующих минералов по образцам»……………….23

Ключ к определению основных породообразующих и рудных

минералов……………………..........................................................................23

Характеристика минералов………………………….......…………..26

I самородные

1. Сéра………………………………………………………………26

2. Графúт……………………………………………………………26

II СУЛЬФИДЫ

3. Пирúт…………………………………………………………….27

4.Галенúт……………………………………………………………28

III ГАЛОИДЫ

5. Галúт……………………………………………………………..29

6. Флюорúт…………………………………………………………30

IV ОКИСЛЫ и ГИДРООКИСЛЫ

7. Кварц…………………………………………………………….31

8. Халцедóн…………………………………………………………32

9. Опал………………………………………………………………32

10.Корýнд…………………………………………………………..33

11.Магнетúт………………………………………………………..33

12.Гематúт……………………………………………....................34

13.Лимонúт………………………………………………………...35

V КАРБОНАТЫ 14.Кальцúт…………………………………………………………35

15.Доломúт………………………………………………………...36

16.Магнезúт………………………………………………………..37

VI ФОСФАТЫ

17.Апатúт…………………………………………………………..37

VII СУЛЬФАТЫ 18.Гипс……………………………………………………………..38

19.Ангидрúт………………………………………………………..39

20.Барúт…………………………………………………………….40

VIII СИЛИКАТЫ

Подкласс островных силикатов 21.Оливúн…………………………………………………………..40

22.Топáз…………………………………………………………….41

Подкласс листовых силикатов

23.Серпентúн……………………………………………………….41

24. Хризотúл-асбéст………………………………….....................41

25.Мусковúт………………………………………………………..42

26.Биотúт……………………………………………………………43

27.Тальк…………………………………………………………….43

28.Каолинúт………………………………………………………..44

29.Монтмориллонúт………………………………………………44

Подкласс цепочечных силикатов

30.Авгúт…………………………………………………………….45

31.Энстатúт…………………………………………………………46

32.Роговáя обманка…………………………………………………46

33.Актинолúт……………………………………………………….46

Подкласс каркасных силикатов 34.Ортоклáз………………………………………………………….47

35.Микроклúн..…………………………………………………….47

36.Альбúт……………………………………………………………48

37.Лабрадóр…………………………………………………………49

38.Анортúт………………………………………………………….49

39.Нефелúн…………………………………………………………49

Список литературы…………………………………………………...................51

Введение

Настоящие учебное пособие содержит теоретический материал по теме «Минералы и их свойства», методические указания к двум лабораторным работам: «Макроскопическое определение свойств минералов» и «Изучение основных породообразующих минералов по их образцам» и к практической работе «Описание важнейших свойств породообразующих и рудных минералов».

Темы разработаны в соответствии с новой программой по курсу «Инженерная геология и гидрогеология».

Цель методических указаний заключается в том, чтобы в краткой и доступной форме ознакомить студентов дневной формы обучения специальностей ПГС, ПСК, ЭУН, ГСХ, АД, ВиВ, ТГВ, ООС, а так же студентов заочной и заочной ускоренной форм обучения этих специальностей, с внешними свойствами минералов и с характеристикой основных породообразующих минералов по образцам учебной коллекции.

Настоящее учебное пособие ставит своей задачей

• восполнение пробела в информации по теме «Минералогия» в учебной литературе для указанных выше специальностей;

• оказание практической помощи студентам при самостоятельном выполнении работ и порядке их оформления.

Лабораторная работа № 1

Макроскопическое определение свойств минералов

Целью данной лабораторной работы является ознакомление студентов с основными теоретическими положениями науки минералогии, а так же получение навыков по самостоятельному определению макроскопических свойств минералов.

Порядок выполнения работы:

1. Проработка теоретической части.

2. Опрос по изученному теоретическому материалу.

3. Практическое определение свойств минералов по выданным образцам.

4. Опрос по практической части с демонстрацией приобретённых навыков.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Основы минералогии

МИНЕРАЛ (от лат. minera– руда;mineral– камень, рождающий металл) – это простое вещество или химическое соединение, образованное в ходе природных физико-химических реакций и находящееся в кристаллическом состоянии. Исключение составляют аморфные(опал), жидкие(вода)и газообразные минералы.

В настоящее время известно около 2000 самостоятельных минеральных видов (вместе с разновидностями около 10000), ежегодно открывают несколько новых минералов.

Для определения минералов существует множество методов, требующих специальных знаний, приборов, лабораторий (кристаллографический, рентгеноструктурный, химический, оптический и т.д.) Но известен и более простой - макроскопический метод определения минералов путём наблюдения легко различимых (внешних) признаков. Определение минерала будет более качественным и достоверным, если определено наибольшее число внешних признаков, и наблюдения выполнены с максимальной точностью.

НАЗВАНИЕ минералу присваивается первооткрывателем и может отражать его свойства(графит от «графо» - пишу); химический состав(кальцит – СаСО₃); место первой находки(лабрадор от полуострова в Северной Америке); имена знаменитых людей(доломит назван в честь французского минералога Деодата Доломье); или имеют старинное название, первоначальный смысл которого утерян(тальк).

Всегда важно знать происхождение названия минерала, т.к. это помогает отличить и запомнить его. Кроме научного названия большинство минералов имеют синонимы, которые помогают в их изучении (галит – каменная соль, магнетит – магнитный железняк).

ГЕНЕЗИС(происхождение) минерала определяет его свойства и внешний вид:

а) природные минералы формируются в земной коре в результате физико-химических процессов:

• эндогéнные (глубинные) образуются в недрах Земли при застывании магмы. Они обычно обладают высокой твёрдостью и плотностью, стойкостью к растворению водой, щелочами и кислотами(кварц);

• экзогéнные (поверхностные) формируются на суше или в водной среде за счёт выветривания каких-либо минералов(глинистые), в процессе выпадения осадка из водных растворов(галит)или за счёт жизнедеятельности организмов(опал). Они разнообразны по свойствам, но большинство имеет малую твёрдость, активно взаимодействует с водой;

• метаморфúческие (преобразованные) – изменившие первоначальное состояние за счёт действия изменившихся температур, давления и химических веществ. Исходные минералы перекристаллизовываются, приобретают плотность и прочность без переплавления(серпентин);

б) искусственные минералы созданы в результате производственной деятельности человека. Они выгодно отличаются от природных отсутствием примесей, но требуют применения специальной аппаратуры, процесс их создания длительный и трудоёмкий:

• анáлоги– повторяют природные минералы, ресурсы которых ограничены или добыча сложнее и дороже, чем синтез(алмаз, горный хрусталь);

• техногенные – вновь созданные минералы с заранее заданными свойствами. Самостоятельно не встречаются(алит, муллит, периклаз, карборунд).

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ минералов выражается химическими формулами, индивидуальными для каждого минерального вида и позволяет классифицировать минералы:

I. САМОРОДНЫЕминералы являются простыми веществами и состоят из одного химического элемента(сера S, графит C). Этот класс насчитывает около 50 минералов и составляет 0,1% объема земной коры. Представители этого класса являются ценными ископаемыми.

II. СУЛЬФИДЫ(сернистые соединения) - около 20 природных минералов(пирит FeS₂, галенит PbS), составляющих 0,15% объема земной коры. Они не являются породообразующими и снижают качество строительных материалов.

III. ГАЛОИДЫ(соли галоидно-водородных кислот) - около 100 природных минералов(галит NaCl, флюорит CaF₂). Галоиды - вредные примеси в грунтах и строительных материалах.

IV. ОКИСЛЫиГИДРООКИСЛЫ– соединения элементов с кислородом и гидроксилом. Этот класс насчитывает около 200 природных минералов, широко распространенных, особенно в поверхностных условиях(кварц SiO₂, магнетит Fe₂O₃). Они составляют 17% от объема земной коры.

V. КАРБОНАТЫ(соли угольной кислоты) составляют 2% от объема земной коры. Этот класс включает около 80 природных минералов(кальцит CaCO₃, доломит CaMg[CO₃]₂), которые имеют большое значение как естественные строительные материалы и сырьё для производства искусственных стройматериалов.

VI. ФОСФАТЫ(соли фосфорных кислот) – это более 300 минералов(апатит Ca₅(F, Cl, OH) [PO₄]₃), большинство из которых – редкие.

VII. СУЛЬФАТЫ(соли серной кислоты) составляют 0,1% от объема земной коры. В этот класс входят около 260 минералов(гипс Ca[CO₄]2H₂O, ангидрит CaSO₄). Большинство из них имеют малый удельный вес, небольшую твёрдость, светлоокрашены, некоторые содержат воду. Сульфаты – ценное сырьё для производства стройматериалов.

VIII. СИЛИКАТЫ(соли кремниевых кислот) – сложные химические соединения, составляющие 90% всего объема земной коры. Класс насчитывает около 800 минералов(лабрaдор (Na,Ca)[AlSi₃O₈], роговая обманка (Ca,Na)₂(Fe²⁺,Fe³⁺,Mg,Al,Mn,Ti)₃ [Si₃Al₄O₂]₂Fe[OH,F]₂), большинство из них применяется в строительстве.

Минералы с различным химическим составом проявляют разные химические свойства:

• растворимость в водеухудшает свойства грунтов и делает невозможным их применение в качестве естественного строительного камня(галит, гипс);

• взаимодействие с НСl (10%)свидетельствует о химической активности и способности выщелачиваться подземными водами(кальцит, доломит, гипс).

ПЛОТНОСТЬ (удельный вес) минералов – их важнейший диагностический признак. Она зависит от атомного веса химических элементов, входящих в состав минерала. Приёмы точного определения плотности основаны на гидростатическом взвешивании в тяжёлых жидкостях, результаты исчисляются в г/см³, т/м³. Приближённое определение плотности производится сравнительным взвешиванием на руке.

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ

СТРУКТУРА (строение) минерального вещества.

Минералы встречаются в природе во всех агрегатных состояниях: жидкие (вода), газообразные(природные газы), но большинство минералов – твёрдые тела.

Иногда минеральное вещество представляет собой скопление молекул, атомов или ионов, расположенных беспорядочно. Такие минералы аморфны и внешне напоминают стекло или пластмассу(опал, аморфный магнезит). В каждой точке образца они проявляют одинаковые свойства.

В большинстве случаев частицы располагаются в строгом порядке и образуют кристаллическиерешётки. Такие вещества более устойчивы на поверхности Земли, их свойства однородны только по параллельным направлениям(кварц).

Внешняя форма минеральных проявлений:

а) кристаллы выглядят как более или менее симметричные замкнутые многогранники. Каждому минералу присущи несколько определённых форм кристаллов, которые растут и самоограняются, а при изменении параметров среды могут раствориться. Кристаллы растут с разной скоростью по разным направлениям, поэтому по внешнему виду (габитусу) они могут быть

• изометричными– равномерно развитыми по всем направлениям(пирит, галит);

• удлинённые– столбчатые, игольчатые, волокнистые(гипс-селенит, асбест);

• уплощённые – таблитчатые, пластинчатые, листоватые, чешуйчатые(слюды, полевые шпаты);

Каждый кристалл имеет определённое число элементов симметрии (плоскостей, осей симметрии и центр симметрии). Все возможные их комбинации – 32 гáбитуса, - сгруппированы по степени симметричности в 7сингόний.

б) для формы кристалла важны условия его развития: температура, давление, поступление химических веществ. При идеальных условиях все грани растут равномерно, но в природе чаще получаются неправильные искажённые формы – зёрна;

в) кристаллы и зёрна минералов редко бывают одиночными, чаще они образуют закономерные или случайные сростки – агрегаты(зернистые, землистые, волокнистые, натёчные, друзы, щётки, дендриты и т.д.).

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

а) окраска (цвет) минерала зависит от цвета химических элементов, входящих в его состав, от примесей, и может быть случайной(см. описание кварца и лабрадора);

б) цвет черты – цвет тонкого порошка минерала, полученного при царапании краем образца по керамической плитке. Это свойство более постоянно, чем окраска самого минерала, может совпадать с ней(магнетит чёрный и черта у него чёрная), а может не совпадать(пирит латунно-жёлтый, а черта у него зеленовато-чёрная);

в) блеск – способность поверхности минерала отражать свет. Блески определяют на свежем сколе и делят на две большие группы, которые имеют подразделения:

• металлические:

# собственно металлический – поверхность минерала блестит как полированное металлическое изделие (пирит на свежем сколе);

# полуметаллический – напоминает потускневшую поверхность металлического изделия (графит);

• неметаллические:

# стеклянный (кальцит);

# алмазный (галенит на свежем сколе);

# жирный (кварц молочный);

# перламутровый (слюды);

# шелковистый (хризотил-асбест);

# матовый (глинистые)и др.

г) прозрачность определяется наблюдением какого-либо предмета через тонкую пластинку минерала:

• через прозрачныйминерал предмет виден во всех деталях(пластинчатый гипс – «марьино стекло»);

• полупрозрачныйминерал позволяет увидеть лишь его контур(флюорит);

• непрозрачныеминералы совсем не просвечивают(роговая обманка).

д) твёрдость – степень сопротивления минералов механическому воздействию:

• абсолютнаятвёрдость определяется в лабораторных условиях с помощью прибора склерометра путём вдавливания в образец алмазной пирамидки, измеряется в кг/см²;

• в полевых условиях проще и удобнее измерять относительную твёрдость, используя шкалу Мооса. Она состоит из 10 минералов-эталонов, твёрдость которых известна и постоянна. Минералы расположены в шкале так, что каждый последующий минерал-эталон оставляет царапину на всех предыдущих. Ещё более удобным дополнением к шкале Мооса является шкала Разумовского, где минералы заменены предметами со сходной твёрдостью:

Относительная твёрдость, балл	Минерал-эталон	Абсолютная твёрдость, кг/мм2	Предметы-заменители
1	Тальк	2,4	Мягкий карандаш
2	Гипс	36,0	Ноготь, алюминиевая проволока
3	Кальцит	109,0	Медная проволока
4	Флюорит	189,0	Гвоздь
5	Апатит	536,0	Стекло оконное
6	Ортоклаз	795,0	Нож стальной
7	Кварц	1120,0,	Напильник
8	Топаз	1427,0	Нет заменителя
9	Корунд	2060,0	Сплав победит
10	Алмаз	10160,0	Нет заменителя

е) хрупкость иковкость два взаимно исключающихся свойства.

• хрупкийминерал при ударе молотком рассыпается, а при царапании ножом крошится(гипс, галит);

• ковкийминерал при ударе получает вмятину, а от ножа на поверхности остаётся гладкая блестящая черта(руды, самородные металлы);

ж) спайность– способность минерала раскалываться по определённым направлениям с образованием зеркальных граней. Степень ее проявления зависит от внутреннего строения минерала:

• весьма совершенная– образец легко расщепляется на тонкие блестящие пластинки(слюды);

• совершенная– при ударе молотком образец легко раскалывается по параллельным плоскостям(гипс);

• средняя– при ударе минерал одинаково часто раскалывается как по плоскостям спайности, так и по другим направлениям(полевые шпаты);

• несовершенная– проявляется только в виде редких небольших площадок на неровном фоне(апатит);

• весьма несовершенная(отсутствует) – образцы всегда раскалываются по неопределённым направлениям(кварц, пирит).

Спайность может проявляться по одному (слюды), двум(полевые шпаты), трём(галит), четырём(флюорит)и шести(цинковая обманка)направлениям;

з) излом характеризует поверхность разрыва при разрушении минерала:

• ровный (кальцит);

• неровный (авгит);

• зернистый (апатит);

• землистый (глинистые минералы);

• занозистый (гипс-селенит, актинолит);

• раковистый (халцедон, аморфные минералы – магнезит, опал);

• ступенчатый (полевые шпаты, исландский шпат).

ОСОБЫЕ СВОЙСТВА характерны только для одного или нескольких минералов, поэтому являются важнейшими диагностическими признаками:

• гибкость (листочки благородного талька);

• упругость (листочки слюд);

• магнитность (магнетит);

• электропроводность (самородные минералы);

• пьезоэлектрический эффект (горный хрусталь);

• радиоактивность (уранинит);

• люминесценция (кальцит);

• двулучепреломление (кальцит - исландский шпат);

• вкус (галит, рудные);

• запах (глинистые) и другие.

МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Различные минералы распространены в земной коре неравномерно. Для рационального использования минерального сырья в той или иной отрасли народного хозяйства, необходимо располагать сведениями о местонахождении их промышленных скоплений.

ПРИМЕНЕНИЕ минералов

Человек использует камень более 2 млн. лет. И с течением времени, даже после изобретения разнообразных искусственных материалов, роль камня в жизни человека не только не уменьшилась, а многократно возросла. Нет ни одной отрасли народного хозяйства, где в том или ином виде не использовались бы минералы.

а) строительство:

• штучный камень (лабрадор, серпентин);

• производство кирпича (глинистые минералы);

• стекольная промышленность (кварц, полевые шпаты);

• фарфор, фаянс (полевые шпаты, глинистые минералы);

• производство цемента (опал, гипс);

• изоляция (слюды);

• производство огнеупоров (асбест); и другие;

б) другие отрасли:

• энергетика (урановые руды);

• металлургия (магнетит, гематит, лимонит, галенит; кальцит, графит);

• сельское хозяйство (апатит, монтмориллонит);

• химическая промышленность (пирит, флюорит);

• различные виды техники (кварц, флюорит);

• оптика (кальцит, флюорит);

• пищевая промышленность (галит, монтмориллонит);

• бумажная и резиновая промышленность (сера, каолинит); и т.д.

Всё большее количество минералов, ранее считавшихся «бесполезными» находят применение, благодаря новым технологиям и развитию транспорта.

*Контрольные вопросы

1. Разделение минералов по генезису.

2. Разделение минералов по внутреннему строению. Роль кристаллической решётки

в формировании облика и свойств кристаллов.

3. Морфологические свойства минералов.

4. Основные виды кристаллических форм.

5. Основные виды минеральных агрегатов.

6. Зависимость окраски минералов от различных факторов.

7. Определение цвета черты минерала, его значение для изучения минералов.

8. Определение прозрачности минералов.

9. Различные виды блеска у минералов.

10. Твёрдость минералов, её виды и зависимость от различных факторов.

11. Способы определения твёрдость минералов.

12. Спайность и её виды.

13. Излом минерала, виды изломов.

14. Способы определения плотности минералов.

15. Хрупкость и ковкость минералов, их определение в условиях учебной лаборатории.

16. Особые свойства минералов.

17. Выражение химического состава минералов и их классификация.

18. Химические свойства минералов.

19. Водные свойства минералов, их влияние на устойчивость минералов в природных условиях.

20. Применение минералов в различных отраслях народного хозяйства.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Определение свойств минералов

по образцам учебной коллекции

Для выработки практических навыков определения свойств минералов студенту выдается:

1. Специально подобранная рабочая коллекция (один лоток, содержащий 40 - 42 небольших образца) - наиболее распространенные породообразующие минералы, единичные рудные минералы, самородные элементы.

2. Предметы-заменители минералов-эталонов шкалы Мооса.

3. Разбавленная соляная кислота HCl 10%.

4. Неглазурованная фарфоровая пластинка - «бисквит», или керамическая плитка.

5. Магнит.

6. Лупа.

7. Настоящее учебное пособие.

8. Конспекты учебных занятий по теме «Минералы и их свойства».

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

МОРФОЛОГИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ МИНЕРАЛОВ

1. Все минералы рабочей коллекции нужно разделить по внешнему облику на 3 группы в соответствии с их развитием по трем взаимно перпендикулярным направлениям (в изометрии). Пересчитать и записать количество минералов

• изометричных (равномерно развитых по длине, ширине и высоте

образца) -пирит, галит;

• уплощённых(развитых по двум направлениям при укороченном третьем) -слюды, гипс пластинчатый;

• удлинённых(преобладает одно направление, два других развиты слабо) -селенит, асбест.

2. Выделить из коллекции различные минеральные агрегаты:

• зернистые (роговая обманка, каменная соль),

• землистые (каолинит),

• лучистые (актинолит),

• волокнистые(асбест). Отразить это в своей работе.