1.2 Процессы образования минералов.

Каждый минерал имеет определенное внутреннее строение и присущие только ему внешние признаки и характеризуется своими свойствами. Все это обусловливается условиями тех геологических процессов, в которых рождаются минералы. Каждый минерал может существовать в природе лишь в определенных термодинамических условиях. При изменении этих условий минеральное тело видоизменяется или разрушается. Условия, в которых образуются минералы в природе, отличаются большим разнообразием и сложностью. Различают три основных процесса минералообразования: эндогенный, экзогенный и метаморфический.

Эндогенный процесс связан с внутренними силами Земли и проявляется в ее недрах. По мере понижения температуры и остывания на глубине происходит расщепление и ли дифференциация магматического расплава с последующей его кристаллизацией и затвердением. Эндогдогенные минералы обычно плотные, с большой твердостью, стойкие к воде, кислотам, щелочам (кварц, многие минералы класса силикатов: оливин, пироксены, полевые шпаты и др., рудные минералы – хромиты, платиноиды, сульфиды, медь, никель, кобальт, т.д.)

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. Таким образом, образуются глинистые минералы (гидрослюда, каолинит, монтмориллонит и др.), различные железистые соединения (сульфиды, оксиды и др.). Во втором случае минералы формируются в процессе выпадения химических осадков из водных растворов (гипс, галит, сильвин, карналлит, мирабилит и др.). В экзогенном процессе ряд минералов образуется также за счет жизнедеятельности различных организмов (опал и др.). Экзогенные минералы разнообразны по свойствам. В большинстве случаев они имеют низкую твердость, активно взаимодействуют с водой или растворяются в ней.

Метаморфический процесс. Это сложный процесс преобразования эндогенных и экзогенных минералов, который обусловлен воздействием высоких температур и давлений. Минералы изменяют свое первоначальное состояние, перекристаллизовываются, приобретают плотность, прочность. Так образуются многие минералы-силикаты (роговая обманка, актинолит и др.).

Искусственные минералы. В результате производственной Деятельности человеком создано более 150 искусственных минералов. В настоящее время промышленность получает два вида искусственных минералов: аналоги и техногенные. Аналоги – это повторение природных минералов (алмаз, корунд, горный хрусталь и др.). Техногенные – это вновь созданные минералы с наперед заданными свойствами (например, алит –вяжущие свойства, муллит – огнеупорность и т. д.). Такие минералы входят в состав различных строительных материалов: в цемент – алит 3CaO•Si0₂, белит 2CaO•Si0₂; в огнеупоры – муллит 3Al₂O₃•2Si0₂, периклаз MgO; абразивы – карборунд SiC.

1.3 Свойства минералов.

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 (кристаллов). Примером может служить кварц.

Со строением и характером пространственной решетки связаны свойства кристаллических тел. Прежде всею минералы обладают однородностью строения, состава и свойств, так как в каждой своей части, вплоть до размеров элементарной ячейки, они обладают одинаковым кристаллическим строением и химическим составом. Свойства минералов могут быть одинаковыми по всем направлениям (изотропные свойства) или разными по различным направлениям (анизотропные свойства).

Аморфные минералы не имеют кристаллической структуры, по своим свойствам изотропны и для них характерна неправильная внешняя форма

Химический состав. Каждый минерал характеризуется определенным химическим составом. В отдельных случаях можно встретить минералы сходного химического состава, но в этом случае они обязательно имеют различное внутреннее строение, а следовательно, и различную внешнюю форму.

Химический состав кристаллических минералов выражается кристаллохимической формулой, которая одновременно показывает количественные соотношения элементов и характер их взаимной связи в пространственной решетке. Примерами таких формул минералов являются: каолинит – Al₄[Si₄О₁₀](OH)₈, авгит – (Ca,Na)(Mg, Fe, Al)[(Si, Аl)О₆]. Химическая формула аморфных минералов отражает только количественное соотношение элементов.

В составе многих минералов экзогенного происхождения содержится вода. Молекулярная вода не участвует в строении пространственной решетки и ее удаление лишь обезвоживает минерал. Например, после нагревания гипса CaSO₄×2H₂O остается CaSO4, называемый ангидритом. Химически связанная вода в виде (ОН) входит в пространовенную решетку, например глинистых минералов, и ее удаление одит к разрушению минерала.

Физические свойства. Каждый минерал имеет определенные физические свойства. Главнейшими из них являются: внешняя форма, оптические характеристики (цвет, прозрачность, блеск), показатели твердости, спайность, излом, плотность.

Внешняя форма минералов разнообразна. В природных условиях они чаще всего приобретают неправильные очертания. Хорошо ограниченные кристаллы встречаются сравнительно редко. Для многих минералов характерны также формы землистого облика, агрегатных скоплений и др.

Рис. 1.1. Наиболее распространенные формы кристаллов:

1, 2, 3 – кубическая сингония; 4_, 5, 6 – тетрагональная сингония; 7, 8, 9 – гексагональная сингония; 10,11и 12 – тригональная сингония; 13 и 14 – ромбическая сингония; 15, 16 – моноклинная сингония; 17 и 18 — триклинная сингония.

Цвет для очень многих минералов строго постоянен. Их условно разделяют на светлые (кварц, полевые шпаты, гипс, кальцит и др.) и темные (роговая обманка, авгит и др.).

Прозрачность – способность минералов пропускать свет. Выделяют три группы минералов: прозрачные (кварц, галит, мусковит и др.), полупрозрачные (гипс, халцедон, опал, изумруд и др.) и непрозрачные (пирит, графит, магнетит и др.).

Блеск – способность поверхности минералов отражать в различной степени свет. Блеск может быть металлическим и неметаллическим, который в свою очередь может быть стеклянным (силикаты), жирным (тальк, сера) перламутровым (кальцит) шелковистым ( асбест) и др.

Твердость – способность минералов противостоять внешним механическим воздействиям. Каждому минералу присуща определенная твердость, которая ориентировочно оценивается по 10-балльной шкале твердости Мооса (таблица 1).

Таблица 1.1

Твердость минералов

Эталонные минералы	Твердость по шкале Мооса	Число истин- ной твердости, МПа	Визуальные признаки твердости	Твердость по группам минералов
Тальк	1	24	Чертится ногтем	Мягкие
Гипс	2	360	Тоже	Тоже
Кальцит	3	1090	Чертится ногтем	Средней твердости
Флюорит	4	1890	То же	Тоже
Апатит	5	5360	» »	» »
Ортоклаз	6	7967	Царапает стекло	Твердые
Кварц	7	11200	То же	То же
Топаз	8	14 270	Режет стекло	Очень твердые
Корунд	9	20 600	Тоже	То же
Алмаз	10	100 600	» »	» »

Спайность – способность минералов раскалываться или расщепляться по определенным направлениям с образованием плоскостей раскола. Это свойство обусловлено внутренним строением кристаллов и не зависит от их внешней формы.

Излом характеризует поверхность разрыва и раскалывания минералов не по плоскостям, а по случайным направлениям. Различают излом по раковистый (горный хрусталь, магнезит), занозистый (волокнистый гипс, роговая обманка, хлорит), крючковатый (самородное золото, серебро), зернистым (ангидрит, аппатит), землистый (каолинит, лимонит и др.).

Плотность минералов различна и колеблется в пределах от 0,6 до 19 г/см³. Найболее распространенные значения находятся в пределах от 2,5 до 3,5 г/см³.

1. минералы легкие, с плотностью до 2,5 г/см ³ (гипс, галит, сера и др.);

2. средние, с плотностью от 2,5 г/см ³ до 3,5 г/см ³ (кварц, полевые шпаты, кальцит и др.);

3. тяжелые, с плотностью более 3,5 г/см ³ (рудные минералы и др.).

Для некоторых минералов характерны такие физические свойства, как магнитность (магнетит, пирротин), радиоактивность, вкус, запах, растворимость в кислотах, люминисценция и т.д.

Радиоактивность минералов. Различные радиоактивные химические элементы (²³⁸U, ²³²Th, Ra и др.) содержат 97 природных минералов. В минералах техногенных материалов могут присутствовать также искусственно созданные радиоактивные химические элементы – технеций, прометий, нептуний и др. Минералы и материалы с содержанием радиоактивных элементов дают излучение, интенсивность которого зависит от типа и количества этих элементов.

Радиоактивные минералы наиболее часто присутствуют в гранитах и глинах, которые могут иметь довольно высокую «фоновую» радио активность, в то время как известняки и кварцевый песок обычно имеют низкую радиоактивность.