Элементы кристаллографии минералов
ЛЕКЦИЯ 3
“ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ”
§3.1. Понятие о геологических процессах
§3.2. Основные понятия минералогии
§3.3. Породообразующие минералы
§3.4. Горные породы.
§3.5 Виды и марки природных каменных материалов
§3.6. Выветривание каменных материалов.
Понятие о геологический процессах
Источником природных каменных материалов является Земля – третья от Солнца планета Солнечной системы. Твердое тело Земли имеет концентрическое строение и в нем выделяют три геосферы (рис. 3.1): земную кору (глубина от 3 до 80 км), мантию (глубиной до 2900 км) и ядро.
Земная кора непосредственно примыкает к верхней части мантии – литосфере (от греч. «литос» – камень, «сфера» – оболочка). За счет теплоты радиоактивного распада вещества в недрах Земли мантия находится в пластичном состоянии и в ней образуются очаги расплавленного материала – магма. При выходе этих очагов на поверхность земли образуются вулканы, через которые изливается магма, получившая название лава. В верхней части земной коры располагается гидросфера (моря, реки, озера, льды), а над ней – атмосфера (газовая оболочка Земли мощностью до 1300 км).
Рис. 3.1. Оболочка Земли
Энергия, порождаемая внутренними процессами земли, приводит к эндогенным процессам, таким как:
● магматизм (подъем к верхней части земной коры магмы);
● вулканизм (извержение на поверхность расплавленных лав, газообразных и твердых продуктов);
|
|
● горообразование (в результате тектонических движений);
● землетрясения (вследствие тектонических движений, вулканизма, падения крупных метеоритов).
Энергия Солнца вызывает в атмосфере, гидросфере и верхней части земной коры такие экзогенные процессы, как разрушение поверхности Земли под действием ветра, воды и различных организмов.
Под влиянием протекающих в течение миллионов лет преимущественно эндогенных процессов в земной коре образовались три слоя в виде (рис. 3.2.):
● осадочного чехла (покрывает 75 % поверхности Земли и может достигать многих километров);
Пример:в озере Байкал глубина достигает 1,6 км, а осадочные отложения – 7,5 км.
● гранитоподобного слоя (или сиаль: от содержания преобладающих в нем элементов “си” – от силициум (кремний) и “аль” – алюминий);
● базальтоподобного слоя (или сима: “си” – от силициум и “ма” – магний).
Как показано на рис. 3.2, слой осадков находится как на суше, так и под океаном, гранитоподобный слой залегает только в пределах суши, а базальтоподобный – как в пределах суши, так и океана.
Рис. 3.2. Внутреннее строение земной коры
Поверхностный слой земли под влиянием экзогенных, эндогенных и техногенных (вызванных деятельностью человека) процессов находится в постоянном изменении. К наиболее активным на Земле процессам относится выветривание.
|
|
Определение : выветривание – это процесс разрушения горных пород и строительных материалов, изменение их минерального состава и строения.
Пример: разрушение гранитов может происходить на глубину до 30 м, известняков – до 60 м и глинистых пород – до 120 м.
Различают следующие виды выветривания горных пород и строительных материалов:
● физическое – протекает под воздействием физических факторов (перепада температур, замерзания воды, кристаллизации солей, разработки карьеров и т.д.) и приводит к механическому дроблению материалов без изменения их химического состава;
Пример: в Альпах на высоте 4000 м температура в сутки изменяется от + 30 оС днем до - 15 оС ночью, т.е. перепад температур составляет 45 оС.
● химическое – выражается в разрушении материалов с изменением [при гидролизе и гидратации (действие воды), карбонизации (действие углекислоты), окислении (действие кислорода воздуха)] или без изменения (при растворении) химического состава материала;
● биологическое – проявляется в разрушении материалов в процессе жизнедеятельности живых организмов и растений.
|
|
Основные понятия минералогии
Минералогия – это наука, занимающаяся изучением минералов.
Определение : минералы (от лат. “минера” – руда)– природные химические соединения или самородные элементы с постоянными физико-механическими свойствами.
Минералы образуются в результате геохимических процессов, протекающих в земной коре. Всего диагностировано более 7000 минералов, из которых только около 50 входят в состав горных пород и называются породообразующими минералами.
Подчеркнем, что горные породы состоят из минералов. Каждый минерал имеет определенное внутреннее строение, свой химический состав, присущие только ему внешние признаки, свои оптические и физические свойства. Минерал может существовать лишь в определенных природных условиях. При изменении этих условий он видоизменяется и может полностью разрушаться.
Минералы классифицируют по следующим признакам:
● по частоте встречаемости в земной коре:
а) редкие;
б) породообразующие;
● по способу образования, т.е. генезису, вследствие протекания в земной коре:
а) эндогенных процессов образования минералов в глубине земной коры:
- магмагенного (при остывании магмы у поверхности земли происходит ее дифференциация, кристаллизация и затвердевание);
|
|
- гидротермального (при остывании магмы образуется насыщенная компонентами вода, из которой при снижении температуры и давления и осаждаются минералы);
- газовыделения (или пневматолитического – при остывании магмы выделяются газы – сероводород H2S, фтористый водород HF и др., которые при низких температурах и давлении образуют минералы);
б) экзогенных процессов образования минералов на поверхности земной коры:
- выветривания (см. выше его определение и виды выветривания);
- выпадения минералов из водных растворов (из рек, озер, морей и т.д. при испарении воды или перепадах температур);
- биогенного формирования (морские водоросли поглощают углекислый кальций и при их отмирании образуется минерал кальцит, диатомовые водоросли используют кремнезем и при их отмирании образуется минерал опал и др.);
в) метаморфических процессов образования минералов на некоторой глубине земной коры (когда минералы эндогенного и экзогенного генезиса, попадая под действие других температур и давлений, видоизменяются – дают новые минеральные образования при их разрушении и перекристаллизации).
● по внешней форме (кристаллографическая классификация);
● по внутренней форме (структуре) и химическому составу (кристаллохимическая – основная для материаловедения классификация).
Последние два вида классификации минералов связаны с их внутренним строением, в зависимости от которого минералы подразделяют на:
● аморфные (рис. 3.3а) – слагающие минерал химические элементы расположены в нем беспорядочно (для них характерна неправильная форма и изотропия - независимость свойств минерала от выбранного в нем направления);
● кристаллические (рис. 3.3б) – слагающие минерал химические элементы расположены в нем в строго определенном порядке, образуя пространственную кристаллическую решетку (для них характерна правильная форма и анизотропия - зависимость свойств минерала от выбранного в нем направления).
Рис. 3.3. Примеры аморфного (а – натриевосиликатное стекло)
и кристаллического (б – каменная соль) строения
Так как большинство породообразующих минералов являются кристаллическими, то остановимся на основах их кристаллохимического описания.
Элементы кристаллографии минералов
Определение : кристаллы – природные или искусственно созданные твердые* тела, обладающие закономерным внутренним строением и ограниченные плоскостями, которые называются гранями (* существуют жидкие кристаллы, которые в курсе СМ не рассматриваются).
Пример: глинистые минералы имеют размер 0,001 мм, а кристалл кварца может достигать в длину 7,5 м иметь массу 70 т.
Кристалл имеет элементы ограничения – грани, ребра и вершины (рис. 3.4а,б). Грани – это плоскости ограничения. На пересечении граней находятся ребра кристалла, а на пересечении ребер – вершины.
Рис. 3.4. Многогранники кристаллов
а, б – элементы кристаллов: Г – грани; Р – ребра; В – вершины; в – постоянный двугранный угол α; г, д – элементы симметрии: С – центр; L – оси; Р – плоскость
Особенности внутреннего строения кристаллов определяет закон постоянства углов между соседними гранями для каждого кристалла (рис. 3.4в) – может изменяться размер кристалла, форма граней, но не угол α.
Для кристаллов минералов характерна симметричность строения, которая определяется тремя элементами:
● центром симметрии – воображаемой точкой С (рис. 3.4г) внутри кристалла, на равном расстоянии от которой вдоль произвольно проведенной прямой находятся точки поверхности кристалла;
● осью симметрии – воображаемой прямой линией Ln (рис. 3.4г) внутри кристалла, при вращении вокруг которой на какой-либо угол кристалл совмещается сам с собой.
Наименьший угол поворота называется элементарным углом α и он определяет порядок* оси симметрии n = 3600/α: второго L 2, третьего L 3, четвертого L 4 или шестого L 6 порядка (*в отличие от геометрических фигур, для кристаллов невозможны оси 5-го и выше 6-го порядка, что определяется их строением);
● плоскостью симметрии – воображаемой плоскостью Р (рис. 3.4д) внутри кристалла, разделяющей его на две равные зеркально отображающиеся в плоскости Р части (число плоскостей симметрии в кристалле бывает от 1 до 9).
Пример: для кристалла кубической формы все элементы симметрии можно представить формулой 3 L4 4 L36 L29Р C, т.е. в кубе имеется три оси четвертого порядка, четыре – третьего, шесть – второго, девять плоскостей и один центр симметрии.
В XIX веке русский кристаллограф А.В. Гадолин математически доказал, что число комбинаций элементов симметрии для кристаллических многогранников равно 32 и их назвали классами.
По сходным признакам эти 32 класса симметрии кристаллов разделяют на семь сингоний, которые в свою очередь группируют в три категории - высшую, среднюю и низшую. Такое подразделение положено в основу классификации кристаллов.
Для пояснения принципов такой классификации приведем на рис. 3.5 кристаллографическую систему координат с осевыми углами α = ÐYZ; β = ÐXZ, γ = ÐXY и соответствующими масштабами – единицами измерения а, b и с по осям X, Y и Z.
Рис. 3.5. Кристаллографическая (правая) система координат
С учетом обозначений рис. 3.5, в табл. 3.1 приведены классификация кристаллов и их отличительные признаки.
Порядок изучения кристаллов:
● определяют все элементы симметрии;
● выявляют сингонию кристалла по табл. 3.1.
Таблица 3.1
Классификация минералов
Категория | Степеннь эквивалентности координатных направлений | Угловые характеристики координатных направлений | Сингония | Наибольшее число элементов симметрии в сингонии |
Низшая | а ≠ b ≠ c | α ≠ β ≠ γ ≠ 900 β ≠ α = γ = 900 α = β = γ = 900 | триклинная моноклинная ромбическая | С L2PC 3L33PC |
Средняя | α = b ≠ c α = b ≠ c α = b = c | α = β = γ = 900 α = β = 900, γ = 1 200 α = β = γ | тетрагональная гексагональная тригональная | L44L25PC L66 L27 PC L33 L23 PC |
Высшая | α = b = c | α = β = γ = 900 | кубическая | 3 L44 L36 L29Р C |
Свойства минералов
Цвет минералов разнообразен и является одним из его характерных признаков, например, малахит – зеленый, рубин – красный.
Основной цвет минералов определяется их химическим составом, а цветовые оттенки обуславливают различные примеси. Например, кварц в чистом виде бесцветен, а за счет примесей может быть фиолетовым, черным, золотистым и др.
Цвет черты (черта): некоторые минералы в состоянии порошка имеют другой цвет, что важно для их диагностики. Например, минерал пирит FeS 2 в монолите имеет золотистый цвет, а в порошке – зеленовато-черный.
Прозрачность минералов – способность пропускать сквозь себя цвет.
Минералы бывают прозрачные (кварц), полупрозрачные (изумруд) и непрозрачные (пирит).
Блеск минералов – способность отражать свет поверхностью своих кристаллов.
Выделяют блеск минералов неметаллический и металлический.
Спайность – это способность минералов раскалываться по определенным направлениям (плоскостям).
Она зависит от кристаллической решетки минерала и бывает:
– весьма совершенная (слюда);
– совершенная (кальцит – см. рис. 3.6);
– средняя (флюорит);
– несовершенная (апатит);
– весьма несовершенная.
Рис. 3.6. Совершенная спайность в минерале кальцит
Растворимость: небольшое число минералов легко растворяются в воде; остальные или плохо растворимы, или совсем нерастворимы.
Пример: в 100 мл дистиллированной воды растворяется (при 20 оС) 35 г поваренной соли,
0,2 г гипса и 0,0009-0,0035 г кальцита.
Плотность минералов – это масса единицы его объема.
Плотность реальных кристаллов обычно меньше, чем плотность расчетная из-за дефектов их структуры. По плотности минералы подразделяются на три группы: легкие – до 2,5 (гипс), средние – от 2,5 до 4 (кварц) и тяжелые – свыше 4 г/см3 (рудные минералы).
Излом проявляется в результате разламывания минералов не по спайности.
Различают формы излома – ступенчатые, раковистые (кварц, опал), занозистые (у минералов волокнистого строения), шероховатые, волокнистые.
Твердость характеризует степень сопротивления кристалла внешним механическим воздействиям.
Обычно в минералогии пользуются предложенной в 1822 г. австрийским минералогом Ф. Моосом 10-ти бальной шкалой твердости – шкалой Мооса. Она построена на принципе царапания одного минерала другим. Как видно из табл. 3.2, твердость по шкале Мооса не соответствует действительному ее значению, установленному с помощью специальных приборов – твердомеров (склерометров), и является величиной условной – твердость талька и алмаза отличается не в 10, как по шкале Мооса, а в 420 раз.
Таблица 3.2
Относительная шкала твердости (по Моосу)
Минерал | Твердость | |
по шкале Мооса | абсолютная, кг/мм2 | |
Тальк Mg3[Si4010](OH)2 Каменная соль NaCl Кальцит CaCO3 Флюорит CaF2 Апатит Ca5[PO4]3F Ортоклаз K[AlSi3O8] Кварц SiO2 Топаз Al2[SiO4](F,OH)2 Корунд Al2O3 Алмаз C | 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | 2,4 36 109 189 536 795 1120 1427 2060 10060 |
Приведем пример типичного описания свойств минералов для ангидрита С aSO4, приводимое в справочниках: сингония – ромбическая; цвет – бесцветный, белый, голубоватый, лиловый, красный, коричневый; черта – белая; блеск – перламутровый до стеклянного; прозрачность – прозрачный до просвечивающего; удельная плотность – 2,8-3,0 г/см3; твердость – 3-3,5; спайность – хорошая; излом – занозистый до неровного.
Породообразующие минералы
К числу главнейших породообразующих минералов относятся полевые шпаты, кварц, слюды, железисто-магнезиальные силикаты, сульфаты и карбонаты.
Полевые шпаты
Различают калиевые (ортоклаз, микроклин) и натриево-кальциевые полевые шпаты (плагиоклазы).
Ортоклаз - калиевый полевой шпат K[AlSi308] розово-красного цвета, имеющий две плоскости спайности, расположенные под прямым углом друг к другу, откуда произошло его название.
Разновидностью калиевых полевых шпатов является микроклин (греч. "микрос" - маленький и "клинайн" - угол, что характеризует малый угол между плоскостями спайности). Это минерал белого, желтого или красного цвета, имеющий чаще всего кристаллы призматической формы.
Плагиоклазы - ряд натриево-кальциевых алюмосиликатов от белого до темно-серого цвета, минералы которого представляют собой изоморфную смесь альбита Na[AlSi308] и анортита Ca[AlSi208]. Процентное содержание альбита и анортита в плагиоклазе определяет его название. Так, например, по содержанию анортита, %: различают альбит (1-10), олигоклаз (11-30), андезин (31-50), лабрадор (51-70), битовнит (71-90) и анортит (91-100).
Блеск у полевых шпатов стеклянный, твердость 6-6,5, спайность совершенная по двум направлениям, истинная плотность 2500-2700 кг/м3. Являясь породообразующими компонентами, полевые шпаты увеличивают твердость и прочность пород, поэтому полевошпатовые разновидности последних широко используются в строительстве и в промышленности строительных материалов.
Кварц
Кварц (SiO2) встречается в виде трех главных модификаций: α-кварца, тридимита и кристобалита. Образование кварца связано как с магматическими процессами в недрах земли, так и выпадением из холодных растворов на ее поверхности.
α -кварц, который называют просто, кварцем, устойчив при температуре ниже 573 °С, тридимит устойчив при 870-1470 °С, а кристобалит – при температуре ниже 1713°С. Свойства этих модификаций зависят от неплотной упаковки ионов кислорода в кремнекисло-родных каркасах: α -кварц значительно плотнее (2,60), чем тридимит (2,30) и кристобалит (2,27 г/см3), и тверже, чем последние.
Обычный цвет кварца – молочно-белый или серый. Прозрачную кристаллическую разновидность кварца называют горным хрусталем, черную – морионом, фиолетовую – аметистом. Блеск у минерала стеклянный, спайность весьма несовершенная, излом раковистый. Скрытно-кристаллический кварц с мутно-жирным блеском может быть красноватым (сердолик), полосатым (агат), зеленым (хризопраз).
Кварц является химически стойким минералом и накапливается в виде мощных осадочных отложений (пески, песчаники). Он один из наиболее распространенных минералов земной коры, входящий в состав гранитов, кварцитов, песчаников и др.
Слюды
Слюды – группа минералов, представляющих собой алюмосиликаты слоистой структуры и обладающих весьма совершенной спайностью в одной плоскости, т. е. способных расщепляться на тончайшие пластинки (листочки), что отличает их от других минералов. Блеск у них стеклянный, твердость – 2,5-3, размер пластинок – до 1,5 мм.
Слюды входят в состав многих изверженных, осадочных и метаморфических пород. Наиболее распространены два вида слюд: биотит K(Mg,Fe)3[Si3AlO10][OH,F]2 – черная железисто-магнезиальная слюда с истинной плотностью 3,0-3,3 г/см3 и мусковит KAl2[AlSi3O10][OH]2 – прозрачная калиевая слюда с истинной плотностью 2,77-3,10 г/см3. При выветривании слюды расслаиваются, снижая тем самым прочность горных пород и ускоряя их разрушение.
Гидрослюды – слюдоподобные минералы, содержащие значительное количество связанных молекул воды. Они являются результатом выветривания мусковита, биотита и других минералов группы слюд.
Среди гидрослюд наибольшее практическое значение имеет вермикулит (твердость 1-1,5, плотность 2,4-2,7 г/см3, совершенной спайности – способен разделяться на тонкие гибкие неупругие пластинки. При температуре около 1000 °С его молекулярная вода превращается в пар с образованием внутреннего давления, которое расслаивает слоистые пакеты, что сопровождается вспучиванием вермикулита с сильным (в 15-25 раз) увеличением объема и уменьшением средней плотности до 100-300 кг/м3. Вспученный вермикулит является хорошим теплоизоляционным и звукопоглощающим материалом.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 181; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!