Мосин К.Ю. Инженерная геология. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Процесс идет на глубине 3-8км при температуре 300-900°С;

обязательным условием для образования пегматитов является

постоянство высоких температуры и давления и состава расплава.

При этих условиях образуются кристаллы-гиганты, например: в

Мамском массиве (Иркутская обл.) обнаружены кристаллы слюды –

мусковита массой в 1тонну; пластины слюды – биотита могут

достигать размеров в 7м

(Норвегия); кристаллы минерала сподумена –

литиевой руды могут вырастать до 14м в длину (Южная Дакота, США);

кристаллы полевого шпата – до 100 тонн (Карелия); кристаллы

драгоценного топаза – до 117кг (Волынский район, Украина).

Пневматолитовый процесс минералообразования ("пневма" от

греческого - газ) это процесс образования минералов из газовой фазы.

На поздних этапах кристаллизации магмы возможно отделение газов от

магматического расплава (вследствие уменьшения внешнего давления).

При возгонке газов по трещинам и полостям вмещающих пород они

охлаждаются, реагируют с вмещающими породами с образованием

минералов. Продукты пневматолиза – пневматолиты разделяются на

глубинные и вулканические. Первые образуются на глубине около 3км

при температуре 400-600°С; вторые – в трещинах лавовых покровов и

кратерах вулканов за счет газов, вырывающихся в атмосферу при

извержениях.

Гидротермальный процесс минералообразования. Гидротермы

– горячие водные растворы, отделяющиеся от магмы или

образующиеся в результате сжижения газов (на завершающей стадии

пневматолитового процесса). Критическая точка воды - 374°С, поэтому

гидротермальные процессы возможны только при температуре ≤ 374°С

в широком диапазоне давлений. Гидротермы выносят из

магматического очага целый ряд соединений металлов, кроме того, они

могут заимствовать из окружающих пород различные вещества.

Причина движения гидротермальных растворов – разность давлений.

Гидротермальный процесс не ограничивается отложением минералов в

трещинах и образованием жильных тел. Гидротермы, как и газы,

просачиваются сквозь вмещающие горные породы, химически

реагируют с ними и замещают их, привнося новые соединения. При

этом образуются так называемые метасоматические тела.

§ 1.2. Экзогенные процессы минералообразования

В поверхностной зоне земной коры происходит мощный процесс

разрушения горных пород и минералов. Совокупность явлений

химического и физического разрушения пород и минералов носит

общее название выветривание.

Продукты выветривания могут переноситься водными и

воздушными потоками на значительные расстояния. Некоторые

минералы и породы при этом могут переходить в раствор и

мигрировать в растворенном виде, достигая морей и океанов. В

определенных местах земной коры эти продукты соответственно их

гидродинамической и гидрохимической активности будут выпадать в

осадок. Этот процесс носит название осадочный.

Процессы выветривания приводят к механическому

разрушению и химическому разложению пород и минералов. Агентами

выветривания являются вода и ветер, колебания температуры, кислород

и углекислый газ воздуха, жизнедеятельность микроорганизмов.

Интенсивность выветривания зависит от климата, рельефа местности,

химического состава разрушаемых пород и минералов.

В результате физического выветривания происходит

механическое разрушение пород и минералов – их дезинтеграция.

Образующийся обломочный материал либо остается на месте, либо

переносится водными и воздушными потоками. Новых минералов при

этом не образуется.

При химическом выветривании происходит химическое

разложение минералов, и образуются новые минералы, устойчивые в

новых условиях. Следует отметить, что при разложении пород,

содержащих силикаты и алюмосиликаты, происходит вынос

растворимых продуктов (соли K, Na, Ca, Mg), а труднорастворимые –

глинозем и кремнезем (Al

и Si

) остаются на месте.

Среди процессов химического разложения минералов главное

значение имеет процесс окисления, который осуществляется при

наличии свободного кислорода, обычно в присутствии воды.

Свободный кислород атмосферы и растворенного в воде воздуха

является чрезвычайно активным химическим реагентом. Наиболее

интенсивно процессы окисления протекают в отношении элементов,

обладающих различной валентностью и поступающих на поверхность

Земли (в зону выветривания) в закисной форме. Особенно это касается

железа – элемента широко распространенного. Характерным примером

окислительного процесса является взаимодействие кислорода и воды с

сульфидами:

Пирит FeS

+ nO

+mH



FeSO



(SO

)



Лимонит Fe

В первой стадии получается сульфат закиси железа FeSO

который, подвергаясь дальнейшему окислению, переходит в сульфат

окиси железа Fe

(SO

)

. Последний, в свою очередь, является

неустойчивым и переходит в водную окись железа – лимонит. Таким

образом, из пирита получается наиболее устойчивое в условиях

поверхности Земли соединение железа - лимонит.

Процессы окисления протекают во всех железо-магнезиальных

минералах.

Химическое выветривание, связанное с окислением,

определяется границей распространения свободного кислорода

(кислородной поверхностью). Приповерхностный участок земной

коры, ограниченный кислородной поверхностью, называется зоной

окисления.

Осадочный процесс минералообразования. Разрушенные в

результате выветривания массы пород и минералов перемещаются

текущими водами. При этом происходит сортировка материала и его

отложение. Так образуются механические осадки, имеющие очень

широкое распространение (гравий, песок, глина – вся масса

обломочных горных пород).

Химическое осаждение минералов происходит как из истинных,

так и из коллоидных растворов. В водоемах возникали такие условия,

когда растворенные вещества больше не могли находиться в растворе и

выпадали на дно водоема. Таково происхождение многих солей

(галита, гипса и других); это – химические осадки. Накопление солей

происходило в условиях сухого климата при испарении воды.

Последовательность осаждения солей определяется их концентрацией,

составом и температурой воды. О масштабах этого процесса можно

судить по мощности соляных залежей, которая на некоторых

месторождениях достигает нескольких сотен метров.

Большую роль в разрушении минералов и пород и в их

новообразовании играют живые организмы (главным образом –

бактерии). Поэтому можно выделить биохимический процесс

минералообразования. Доказано участие организмов в образовании

фосфоритов, самородной серы, руд Fe и Ni. Минералы,

образовавшиеся при участии организмов, называют биолитами. К

биолитам можно отнести и горные породы: известняки, мел, каменный

уголь, торф, горючие сланцы и, возможно, нефть.

§ 1.3. Метаморфические процессы минералообразования

Данные процессы связаны с изменениями магматических и

осадочных пород либо на значительной глубине, под воздействием

высоких температур и давлений – так называемый региональный

метаморфизм, когда сравнительно большие участки земной коры

испытывают опускание, либо под влиянием газов и паров воды,

отделяющихся от магматических очагов – так называемый

гидротермальный метаморфизм, либо на контакте магматического

высокотемпературного очага с вмещающей породой – контактовый

метаморфизм. Возникающие в этих условиях преобразованные горные

породы называются метаморфическими. Им свойственны характерные

минералы.

Все процессы образования и преобразования минералов и

горных пород можно отобразить на следующей схеме (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема образования и преобразования минералов и горных пород.

§ 2. Строение минералов

Минералы – это вещества, главным образом кристаллические и,

значительно реже, некристаллические (аморфные).

Кристаллические вещества (кристаллы) имеют определенный

порядок в пространственном расположении составляющих их частиц:

атомы, ионы и молекулы, составляющие кристалл какого-либо

минерала имеют определенное упорядоченное расположение.

Вообще кристаллы, природные и искусственные, изучает

геологическая наука кристаллография (их форму, внутреннее

строение, происхождение и свойства). "Кристаллос" по-гречески – лед.

Так в древности называли и лед, и горный хрусталь (разновидность

минерала кварца), полагая, что он, как и лед, образуется при низкой

температуре. Впоследствии кристаллами стали называть любые

твердые тела (в том числе и искусственные), имеющие многогранную

форму.

Магматические

горные породы

Минералы

магматического

происхождения

Химические

элементы магмы

Осадочные

горные породы

Минералы

химического

происхождения

Химические

элементы в

растворах

Метаморфические

горные породы

Минералы

органического

происхождения

Химические

элементы в

организмах

(останках)

Кристаллическим веществам присущи следующие важнейшие

свойства:

 анизотропность (неравно свойственность). Физические

свойства таких веществ одинаковы в параллельных направлениях и

неодинаковы в непараллельных: это теплопроводность, твердость,

упругость, светопреломление и другие свойства.

 способность самоограняться. При свободном росте

кристаллы ограничиваются плоскими гранями и прямыми ребрами,

принимая форму многогранников.

 симметрия (закономерная повторяемость в

расположении предметов и их частей на плоскости и в пространстве).

Закономерное расположение атомов внутри минерала образует

кристаллическую пространственную решетку и характеризует

структуру кристалла (см. рис. 2.2).

Внешним признаком кристалла является его правильная

геометрическая (симметричная) форма, ограниченная плоскостями –

гранями, прямыми ребрами и точками пересечения ребер – вершинами.

Ребра кристаллов представляют собой ряды кристаллической

решетки, грани – ее плоские сетки.

Эти грани, ребра, и углы при вершинах образуют всевозможные,

иногда довольно сложные многогранники. Их количество велико, но не

бесконечно: существует тридцать две так называемые простые формы

кристаллов; с комбинациями простых форм многогранников

значительно больше (несколько сотен).

Рис. 2.2. Пространственная решетка кристалла: а) ряд; б) плоская сетка.

Закон постоянства гранных углов: каждому кристаллу

присуще совершенно определенное количество вершин, ребер и

граней, к тому же углы между гранями всегда остаются постоянными.

Таким образом, все кристаллы какого-либо минерала,

независимо от величины кристаллов, способов их образования, формы

и размеров граней будут иметь одинаковый угол между гранями.

Нередко только по беглому взгляду на кристалл можно сразу

назвать минерал. Некоторые минералы образуют кристаллы простой

формы, но чаще встречаются комбинации нескольких форм. При этом

закон постоянства гранных углов сохраняется.

Аморфные вещества характеризуются беспорядочным

расположением составляющих их элементарных частиц. В этом

отношении аморфные вещества аналогичны жидкостям, расплавам или

так называемым «твердым жидкостям» (стекло).

В природе аморфны, главным образом, минералы экзогенного

происхождения, хотя встречаются и эндогенные и метаморфические.

В аморфных минералах физические свойства во всех

направлениях одинаковы, то есть эти минералы изотропные.

Аморфное состояние минералов является неустойчивым и, с течением

времени, они переходят в кристаллическое состояние (например,

вулканическое стекло раскристаллизовывается).

В зависимости от условий, процесс образования кристаллов не

всегда происходит равномерно. Чаще, одни грани развиты хорошо,

другие значительно отстают в развитии или не развиваются вообще.

Так образуются таблитчатые, пластинчатые, игольчатые,

призматические и другие формы кристаллов.

Одиночные кристаллы минералов в природе сравнительно

редки, распространены обычно различные сростки кристаллов,

причем, иногда, это сросшиеся вместе индивидуумы различных

минералов. В зависимости от внешней формы среди них различают

зернистые массы, друзы, щетки, секреции, конкреции и другие формы.

§ 3. Химический состав минералов

Химический состав в минералогии, в отличие, например, от

аналитической химии, выражается не эмпирическими формулами

(которые показывают количественные соотношения элементов), а

структурными, которые показывают характер взаимной связи

элементов в структуре минерала. В минералах важно выделять

катионные и анионные комплексы.

Значительное количество минералов имеет различные примеси.

Примеси бывают механические – в виде газов, растворов, взвешенных

частиц и изоморфные – в виде отдельных элементов, входящих в

кристаллическую решетку минерала не нарушая его целостности. При

этом изоморфные замещения могут быть как в катионном, так и в

анионном комплексе и от этих примесей могут очень сильно

измениться физические свойства и даже облик минералов.

Например, широко распространенный минерал корунд (в

просторечии – наждак) выражается формулой Al

. Замещение в

кристаллической решетке части Al

на Cr

превращает невзрачный

наждак в драгоценный красный рубин, а если Al

замещается на CuO

и Fe

, то получается синий сапфир.

Многие минералы при одном и том же химическом составе

могут иметь различную структуру (кристаллическую решетку) и

внешний облик кристаллов, а, следовательно, и различные физические

свойства.

Это явление носит называние полиморфизм. Например, углерод,

в зависимости от условий кристаллизации, может образовывать либо

алмаз – самое твердое минеральное вещество с очень плотно

упакованной кристаллической решеткой, либо весьма мягкий графит.

Это – две полиморфные разновидности.

Вода в минералах встречается в виде цеолитной,

кристаллизационной и конституционной воды.

Цеолитная вода (впервые изучена в минералах цеолитах) как

бы растворена в минерале; при нагревании минерал теряет цеолитную

воду и меняет физические свойства, а при помещении в водяные пары

восстанавливает воду и связанные с ней свойства.

Кристаллизационная вода связана с кристаллической решеткой

минералов в виде молекул H

O. Присоединение или удаление ее

посредством высоких температур еще сильнее изменяет физические и

химические свойства минерала.

Например, минерал гипс CaSO

O при дегидратации

превращается в ангидрит CaSO

. При этом объем вещества

уменьшается на 60%, а также резко изменяется внешний облик:

характерные столбчатые кристаллы гипса превращаются в

тонкозернистую сплошную массу ангидрита.

Конституционная вода еще прочнее связана с кристаллической

решеткой минерала. Например, в составе минерала каолинит

Si



OH

она входит в кристаллизационную решетку в виде

иона ОН

. Присоединение такой воды означает образование нового

минерала, а удаление – разрушает минерал. Переходы невозможны.

§ 4. Физические свойства минералов

Химический состав и структура минералов придают каждому из

них характерные физические свойства и внешние признаки, по

которым можно отличать один минерал от другого.

1. Плотность минералов колеблется от, приблизительно, 1г/см

до 23г/см

(платинистый иридий Pt, Jr). Подавляющее большинство

минералов имеет плотность 2,5 – 3,5г/см

(что, кстати, обуславливает

среднюю плотность земной коры 2,7 – 2,8г/см

Условно все минералы можно разделить на 3 группы:

- легкие, с плотностью до 2,5г/см

, - галит, гипс, сильвин,

самородная сера. Сюда же относятся водные минералы;

- средние (средней тяжести), с плотностью от 2,5 до 4г/см

, -

сюда относится подавляющее большинство минералов;

- тяжелые, с плотностью более 4г/см

, - минералы, содержащие

тяжелые металлы (сульфиды, окислы, самородные минералы).

У полиморфных разновидностей плотность выше у того

минерала, у которого плотнее упаковка кристаллической решетки

(алмаз – 3,5г/см

, графит – 2,2г/см

Сравнительное определение плотности (в полевых условиях)

производится путем взвешивания на ладонях двух примерно

одинаковых по размеру образцов. При этом «эталонами» являются

такие широко распространенные минералы как кварц и полевой шпат с

плотностью 2,7-2,8г/см

. Точное определение плотности производится

в лабораторных условиях путем погружения образца минерала в

тяжелые жидкости. Существуют специальные наборы тяжелых

жидкостей с шагом около 0,01г/см

2. Твердость минерала – это сопротивление поверхности

минерала механическому воздействию. Относительную твердость

минерала определяют царапаньем по нему другим минералом: более

твердый минерал оставит царапину на менее твердом. Абсолютную

твердость определяют прибором склерометром путем вдавливания

алмазной пирамидки в образец под микроскопом.

Для определения относительной твердости принята 10-балльная

шкала Мооса, которая составлена из 10 минералов – эталонов, каждый

из которых тверже предыдущего на единицу.

Таблица 2.1

Шкала твердости

Твердость,

балл по

Минерал - эталон Абсолютная

твердость

Моосу

1 Тальк 2,4

2 Гипс 36

3 Кальцит 109

4 Флюорит 189

5 Апатит 536

6 Полевой шпат 795

7 Кварц 1120

8 Топаз 1427

9 Корунд 2060

10 Алмаз 10060

Нередко, для определения твердости минерала используют

широко распространенные предметы (особенно если отсутствует

минерал – эталон). Так, мягкий грифель карандаша имеет твердость 1

балл, ноготь –2,5 балла, медная монета – 3 балла, железный гвоздь – 4

балла, стекло – 5 баллов, игла или лезвие ножа – 6 баллов, напильник –

7 баллов.

Большинство минералов в природе имеет твердость от 2 до 6

баллов; некоторые минералы отличаются различной твердостью в

разных направлениях. Например, минерал дистен Al

SiO

O имеет

твердость по длине кристалла 4,5 балла, а поперек – 6.

3. Спайность – способность некоторых минералов

раскалываться или расщепляться по одному или нескольким

направлениям с образованием ровных блестящих поверхностей. Это

связано со строением кристаллической решетки минерала (см. рис.2.3).

Рис. 2.3. Плоская сетка кристаллической решетки.

Как видно на рисунке, плоскую сетку легче разорвать по линии

АБ, нежели по линии СД.

Спайность может проявляться в одном направлении (слюда,

графит), в двух (полевые шпаты), в трех (кальцит, каменная соль), в

четырех (флюорит) и в шести направлениях (сфалерит).

Спайность подразделяется по степени ее совершенства:

- весьма совершенная – минералы легко расщепляются или

раскалываются на отдельные тонкие пластинки с блестящей

зеркальной поверхностью (слюда, гипс);

- совершенная – кристалл в любом месте колется по

определенным направлениям, образуя ровные поверхности;

неправильный скол получается очень редко (кальцит, галит, галенит);

- средняя – при расколе получаются как ровные, так и неровные

поверхности (полевые шпаты, роговая обманка);

- несовершенная – ровные поверхности при расколе получаются

редко (апатит, берилл);

- весьма несовершенная – спайность отсутствует, при расколе

получаются только неровные поверхности излома (кварц).