2. Класифікація гірських порід та мінералів

За походженням всі гірські породи поділяють на три групи (Додаток Б):

• вивержені, або магматичні (первинні), які утворилися внаслідок охолодження й затвердіння магми;

• осадові (вторинні), які виникли в поверхневих шарах земної кори внаслідок руйнування (вивітрювання) первинних порід;

• метаморфічні (видозмінені), утворені з вивержених і осадових порід внаслідок перекристалізації та зміни структури під дією високих температур і тисків.

Вивержені породи, у свою чергу, поділяються на масивні та уламкові. Масивні утворюються внаслідок охолодження й затвердіння лави (магми) або в надрах - глибинні (інтрузивні) породи, або біля поверхні землі - вилиті (ефузивні) породи. Утворюючи глибинні породи, магма застигала повільно й рівномірно, що сприяло кристалізації мінералів. Такі породи мають характерну зернисто-кристалічну будову, вони щільні, міцні, морозостійкі. До глибинних гірських порід відносяться граніт, сієніт, діорит та габро. Вилиті породи утворилися внаслідок швидкого й нерівномірного охолодження магми. Для них характерна так звана порфіроподібна структура, коли окремі кристали вкраплені в дрібно­кристалічну або в склоподібну масу. Внаслідок активного газовиділення в період формування можлива значна пористість вилитих порід. До них належать кварцовий порфір, безкварцовий порфір, порфірит, діабаз, ліпарит, трахіт, андезит, базальт.

Уламкові (вулканічні) породи утворилися здебільшого внаслідок вулканічної діяльності. Ці породи можуть бути сипкими й зцементованими, їхні властивості змінюються в широких межах. До них належать вулканічний попіл, вулканічний пісок, пемза, вулканічна лава, вулканічний туф, трас, вулканічні стекла.

Осадові, або вторинні, породи поділяють на три групи: механічні відклади, які можуть бути сипкими й зцементованими (глина, пісок, гравій, природній щебінь, бруковий камінь, валуни, піщаник, конгломерат, брекчія); хімічні осади, насамперед карбонати (вапняк, вапняковий туф, мергель, доломіт, магнезит) й сульфати (гіпс, ангідрит, барит); органогенні відклади рослинного (фітогенного) походження (діатоміт, трепел, опока) чи тваринного (зоогенного) походження (крейда, вапняк-черепашник). Внаслідок різноманітного походження властивості й структура осадових порід досить різноманітні.

Осадкові породи виникають при руйнуванні або, інакше, при вивітрюванні магматичних і метаморфічних порід. До них відносяться і біогенні породи, серед яких мів, черепашник і вапняк, різні руди, фосфорити, вугілля і нафта. В наслідку фізичного (механічного і температурного) вивітрювання утворюється матеріал осипів, морен, покладу піску і глини. Хімічне вивітрювання і вимивання природними розчинами приводить до утворення і кристалізації кальциту, гіпсу, фосфоритів.

Метаморфічні породи утворилися як з вивержених, так і з осадових порід внаслідок того, що вони потрапили в умови метаморфізму. Залежно від ступеня метаморфізації їхні властивості можуть значно відрізнятися від властивостей вихідних порід. До них належать гнейс, сланці, мармур, кварцит.

Метаморфічні породи виникають при дії температури і тиску на раніше існуючі породи. Відмінною рисою більшості метаморфічних порід є їх шарувата, сланцева структура. При метаморфізації глина злежується, перетворюючись на м'які філлітові сланці, потім починаються зміни в її мінеральному складі, і утворюються хлорітові (від грецького «хлорос» - зелений) сланці. При достатньо високих температурах і тиску виникають слюдяні і кристалічні сланці. Їм часто супроводжу гранати і дістен. Залізисті глини перетворюються на залізисті сланці або джеспіліти, широко поширені, наприклад, на Криворізькому родовищі залізняку.

При метаморфізації піску виникає пісковик, потім кварцит і, за певних умов, гнейсовидний сланець, мало відмінний на вигляд від магматичних порід. До речі, якщо дії високих температур і тиску піддається граніт, з нього утворюється гнейс - кристалічна порода, що має шарувату структуру.

При метаморфізації моренних відкладень утворюються конгломерати, а осипів - брекчії. Прикладом штучної брекчії служить будівельний бетон з наповнювачем щебеня. Той же бетон, але з наповнювачем з гальки, можна назвати штучним конгломератом.

При метаморфізації вапняку утворюється мармур, деревної смоли - бурштин. Особливі породи виникають на контакті розплавленої магми з навколишніми (вміщаючими) породами. Тут утворюються роговики, грейзени і скарні. Найчастіше в подібних утвореннях зустрічаються такі мінерали, як гранати, гірський кришталь. До цих утворень нерідко приурочуються родовища корисної копалини, наприклад, Тирниаузське вольфрамітшеєлітове родовище на Кавказі.

Мінералом називається природне тіло, що є хімічним з'єднанням або самородним елементом. До мінералів відносяться всім нам відомий кварц, і такі його різновиди, як гірський кришталь, кремінь, халцедон. Мінералами є слюда, золото, самородна мідь і її з'єднання: малахіт, куприт, мідний колчедан. До них же відносяться що складаються з вуглецю алмаз, графіт, руди металів, вода і багато інших речовин. Геологам відоме понад дві тисячі мінералів. Деякі з них: кварц, польові шпати, апатит, різна слюда утворюється при кристалізації розплавленої магми. В цьому випадку говорять про їх магматичне походження.

При упровадженні магми в земну кору попереду неї по тріщинах підіймаються розжарені парогазові суміші - гідротерми. У їх склад входять не тільки вода і, звичні для нас, азот, кисень, вуглекислий газ, але і інші речовини, наприклад, окисел кремнію, оксиди сірі і різних металів. При високих температурах і тиску, характерних для земних надр, вони перетворюються на пару або стають розчинними у воді. У міру підйому газоподібна суміш розширяється, остигає і, поступово конденсуючись, перетворюється на сильно перегріту рідину. При пониженні температури, падає розчинність речовин у воді і газовій суміші. При цьому на стінках тріщин починають осідати природні оксиди і солі, іноді утворюючи прекрасні кристали. Мінерали, що вийшли таким шляхом, називаються гідротермальними. Основний мінерал гідротермальних порід - кварц. Білі кварцові жили, вкраплені в скельні породи - ознака цікавої для геолога і колекціонера ділянки. Гідротермальним шляхом утворюються кварц і його різновиди: прозорий гірський кришталь, фіолетовий аметист, голубувато-сірий халцедон, смугастий агат, а також руди багатьох цінних металів.

В процесі різних тектонічних переміщень, упровадження магми під впливом високих температур і тиску утворюються такі мінерали, як фанат, алмаз, дістен, апатит. Це мінерали метаморфічного комплексу.

Хімічні речовини, що знаходяться в розчинах, вступаючи з навколишніми мінералами в реакції заміщення, утворюють нові мінерали. Це - метасоматичний тип освіти. Нерідко метасоматичні мінерали приймають форму кристалів або агрегатів первинних мінералів. Так, наприклад, добре відомі белемніти, «чортові пальці», що мали вапняний скелет, тепер складаються із з'єднань кремнію. Це торкається і викопних раковин, а іноді і цілих деревних стовбурів. До метасоматичних відносяться широко поширений кремінь, опал, нефрит, лазурит, а також всім відомий накип, що засмічує труби. З метасоматозом пов'язане утворення підмосковних агатів, аметистів, гірського кришталю.

Класифікація мінералів

1. Мінерали підрозділяються на дві групи - що містять і що не містять металів. Аргеніт, наприклад, відноситься до першої групи, бо є з'єднанням срібла (металу) і сірки. Кварц - мінерал, що не містить металу, оскільки він складається з кремнію і кисню, а кожна з цих складових частин не є металом.

2. Кристали мінералів утворюють системи. Існує шість систем - шість геометричних форм кристалів. Кожна з цих систем має свої варіації, ніж і пояснюється різноманітність кристалів.

3. Мінерали мають різну твердість. За шкалою твердості вони розташовуються від найм’якішого, тальку, до найтвердішого - алмазу. Ця властивість має важливе значення для класифікації мінералів.

4. Істотною особливістю є також колір межі від що містять мінерали. Якщо таким мінералом поскребти шматочок фарфору, то колір межі, що утворилася, може відрізнятися від кольору мінералу.

5. Блиск поверхні мінералу у відображеному світлі; шаруватість (специфічні особливості розколювання мінералу по площинах, визначуваних його структурою); питома вага (відношення ваги мінералу до ваги рівного об'єму води) і колір (природне забарвлення поверхні) - важливі характеристики мінералів, про яких ще піде розмова.

Мінерали, що містяться в розплавленій магмі, при її охолодженні виявляються у складі вулканічних порід. В результаті ерозії вони розчиняються у воді (наприклад, кальцит), переносяться нею в зваженому стані (наприклад, глина) або механічно виносяться водою (пісок і гравій). Виділені мінерали відкладаються на дні морів, озер, в дельтах річок або просто на суші. Тут вони беруть участь в утворенні нових порід, спочатку осадкових, а потім і метаморфічних, якщо тиск і температура середовища достатньо високі. Розглянемо, наприклад, процес формування пісковику. Зерна піску, які утворюються при руйнуванні граніту, що розпадається на кварц і польовий шпат, виносяться річкою в морі; кристали цементуються розчиненими в морській воді мінералами - силікатами, кальцитами, залізистими і глинистими добавками - і, ущільнюючись під тиском, перетворюються на пісковик. З часом під дією температури і тиск ці мінерали можуть видозмінитися, утворивши метаморфічний кварцит, в якому зерна пісковику частково сплавляються один з одним і кристалізуються. Якщо температура продовжує підвищуватися, гірська порода знов переходить в магму, і, таким чином, цикл перетворень завершується.

До породоутворюючих мінералів відносять кварц, польові шпати, слюди, глинисті мінерали, карбонати, сульфати, залізисто-магнезіальні силікати.

Кварц SiO₂ - кристалічна форма діоксиду кремнію (кремнезему) - є одним з найпоширеніших мінералів земної кори. Міцний, твердий і стійкий мінерал: міцність при стиску - до 2000 МПа, твердість 7, добре чинить опір стиранню та хімічним впливам (при звичайній температурі взаємодіє лише з плавиковою кислотою), густина 2,65 г/см³. Кварц буває безбарвним, білим, а також сірим, димчастим, рожевим тощо, залежно від домішок.

Крім кристалічного кварцу, існує аморфний кремнезем, хімічна формула якого може бути такою самою, як і кварцу – SiO₂.

Аморфний кремнезем відрізняється від кварцу великою хімічною активністю. Характерні представники - опал і халцедон.

Опал SiО₂ має аморфну структуру. Густина 1,9...2,5 г/см³, твердість 5...6, крихкий. Колір білий, залежно від домішок - блакитний, бурий, зелений, чорний. Халцедон SiO₂ ховано кристалічний щільний різновид кварцу, продукт кристалізації опалу. Густина 2,6 г/см³; твердість 6. Халцедон шаруватої структури називається агатом. Кремінь -халцедон, забруднений домішками глини.

Польові шпати - алюмосилікати калію, натрію, кальцію або їхні суміші. Це найпоширеніші мінерали, що становлять до 60 % земної кори. Характерна особливість - яскраво виражена спайність за двома напрямами. Розрізняють ортоклаз (пряморозколюваний) - калієвий польовий шпат К₂ОА1₂О₃-6SiO₂ та плагіоклази (косорозколювані) - натрієвий та кальцієві польові шпати, альбіт Na₂O Al₂O₃анортит СаОА1₂О₃*2SiO₂, а їхні суміші (наприклад, лабрадор містить 51 ...70 % альбіту, решта - анортит).

Істинна густина польових шпатів становить 2,55...2,70 г/см³, твердість - 6, міцність на стиск 120...170 МПа, температура плавлення 1170... 1550°С. Колір білий, сірий, жовтий, від рожевого до темно-червоного. Стійкість значно нижча, ніж у кварцу.

Слюди - водні алюмосилікати різноманітного складу. Легко розщеплюються на тонкі та пружні пластинки. Твердість 2...3.

Мусковіт - калієва слюда, безбарвна, стійка, тугоплавка, густина становить 2,7...3,0 г/см³. Біотит - магнезіально-залізиста слюда, колір чорний. Густина 2,8... 3,2 г/см³. Вермикуліт - також магнезіально-залізиста слюда, колір бронзово-жовтий. При прожарюванні втрачає воду, лусочки розщеплюються й збільшуються в об'ємі до 25 разів.

Темнозабарвлені мінерали - складні залізисто-магнезіальні силікати. Мають темний колір, велику густину -3,0... 3,6 г/см³, твердість 5,5...7,5, високу міцність і значну ударну в'язкість. Це авгіти (глиноземисті піроксени), рогова обманка (група амфіболів), олівін (перидот).

Глинисті мінерали А1₂Оз*mSіО₂*пН₂О характеризуються високою дисперсністю. Це каолініт А1₂Оз*2SiO₂*2Н₂О, істинна густина майже 2,6 г/см³, твердість 1...2, колір білий, може бути буруватий; іліт і монтморилоніт - складні водні, алюмосилікати, густина 2,0... 2,6 г/см³, твердість 1...2, колір зеленуватий, світло-коричневий.

Представниками карбонатів є кальцит, магнезит, доломіт. Кальцит або вапняковий шпат, СаСО₃ має істинну густину 2,7 г/см³, твердість З, колір білий, сірий.

Магнезит МgСО₃ - важчий і твердіший мінерал, але хімічна ак­тивність його менша; істинна густина 3 г/см³, твердість 4,0...4,5, колір жовтий, сірий, коричневий.

Доломіт СаСО₃*МgСО₃ за своїми властивостями займає проміжне положення між кальцитом і магнезитом.

Сульфати - гіпс, ангідрит, барит.

Гіпс СаSО₄*2Н₂О - мінерал пластинчастої, волокнистої або зернистої будови, істинна густина 2,2...2,3 г/см³, м'який (твердість 2). Колір гіпсу білий, сірий, жовтуватий або червонуватий. Різновиди - селеніт (волокниста будова), алебастр (дрібнокристалічна структура, сніжно-білий колір).

Ангідрит СаSО₄ - густина 2,8...3,0 г/см³, твердість 3,0...3,4, колір сірий, блакитнуватий. При тривалій дії води переходить у гіпс з незначним збільшенням в об'ємі.

Барит (важкий шпат) ВаSО₄ - густина 4,3...4,7 г/см³; твердість 3,0...3,5, колір білий, рідше жовтий, червонуватий. Хімічно стійкий.

За твердістю гірські породи поділяють на:

• тверді, до складу яких входять мінерали з твердістю 6...7 - кварцит, граніт, сієніт, діорит, габро;

• середні, які мають твердість не більше 5 - мармур, щільні вапняки, доломіти, деякі види туфу;

• м'які, що мають твердість 2...З - гіпс, ангідрит, вапняк-черепашник.