Практикум по геологии



страница1/4
Дата24.11.2017
Размер0.68 Mb.
ТипПрактикум
  1   2   3   4

 П.В.Красильников,
к.б.н., доцент кафедры агрономии и почвоведения ПетрГУ

ПРАКТИКУМ ПО ГЕОЛОГИИ



Группы минералов

Минерал – это однородное природное тело, обладающее определенными физическими свойствами и относительно постоянным химическим составом, образовавшееся в результате геологических процессов.

В настоящее время известно более 3 тысяч минералов, однако большинство из них встречается крайне редко. Широкое распространение имеет всего несколько сотен минералов.

Минералы бывают аморфные и кристаллические. В аморфных минералах элементарные частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены беспорядочно, а в кристаллических они соединены закономерно в кристаллическую решетку. Форма кристаллов зависит от закономерного расположения в пространстве элементарных частиц. Примерами кристаллических минералов являются галит, или поваренная соль (кристалл в виде куба), горный хрусталь – разновидность кварца (кристалл в виде призмы), кальцит (кристалл в виде ромбоэдра). Абсолютное большинство минералов имеет кристаллическую структуру (рис. 1). Следует учитывать, однако, что далеко не всегда кристаллы можно различить макроскопически, и форма их очень редко соответствует идеальной. Для того, чтобы сформировался идеальный кристалл, на него не должны действовать внешние силы. В большинстве же случаев в горной породе минерал сжат со всех сторон своими соседями.


а б в

Рис. 1. Схематическое изображение строения кристаллических решёток некоторых минералов: а ‑ поваренной соли, б ‑ кварца, в ‑ магнетита

Иногда при одинаковом химическом составе минерала кристаллическая решетка может быть разной, при этом физические свойства минерала могут существенно меняться. Примером такого явления являются алмаз и графит, имеющие идентичный химический состав, но различные по кристаллическому строению: алмаз имеет кристаллическую решётку с кубической симметрией, а графит ‑ с гексагональной (кристаллы в виде шестиугольных призм). Способность твердых веществ образовывать при одинаковом химическом составе различные по строению кристаллические решетки называется полиморфизмом. Следует учитывать, что даже одна полиморфная модификация минерала может иметь разные формы кристаллов. Если кристаллы имеют один и тот же тип симметрии, например, формируют тетрагональные (четырёхугольные) призмы или пирамиды, то минерал имеет те же физические свойства, и этот случай не рассматривается как полиморфизм. Если же соединение существует в виде аморфного и кристаллического, либо симметрия кристаллов различается (как, например, у куба и ромбической призмы), то физические свойства у минералов разные, и говорят о существовании полиморфизма.

По происхождению минералы разделяются на эндогенные (образовавшиеся в глубинах Земли или из магмы, изверженной из глубин земли) и экзогенные, или гипергенные (образовавшиеся на поверхности Земли). Это разделение не строгое, поскольку один и тот же минерал может образовываться в разных условиях.

Самая удобная группировка минералов – по их химическому составу. Эта система была предложена В XIX в. шведским учёным И. Берцелиусом и используется до сих пор с незначительными изменениями. Наибольшее распространение имеет 10 классов минералов:


  1. Самородные элементы

  2. Сульфиды

  3. Галоидные соединения

  4. Оксиды и гидроксиды

  5. Карбонаты

  6. Фосфаты

  7. Сульфаты

  8. Нитраты

  9. Силикаты и алюмосиликаты

  10. Углеводородные соединения

Нетрудно заметить, что более половины классов – соли минеральных кислот. Таким образом, химическая классификация минералов производится по анионной части. В зависимости от типа сцепения атомов и основных радикалов выделяются подклассы минералов. Подклассы делятся на группы по сходности структуры и близости химического состава.

Помимо десяти перечисленных классов иногда выделяются дополнительно классы селенидов, хроматов, молибдатов и т. д. Поскольку эти классы включают малое количество крайне редких минералов, в большинстве работ их объединяют с классами, соответствующими им по структуре: теллуриды, селениды и арсениды объединяются с сульфидами, хроматы, молибдаты и вольфраматы ‑ с сульфатами, а арсенаты и ванадаты ‑ с фосфатами. Мы в дальнейшем не будем рассматривать представителей перечисленных классов.

Дадим краткую характеристику каждого класса и его основных представителей.

1. Самородные элементы

Это минералы, состоящие из одного элемента. Хотя они встречаются редко и составляют всего 0,1% от веса земной коры, их значение для человека велико. Достаточно перечислить представителей этой группы:

алмаз С


графит С

сера S


золото Аu

серебро Аg

медь Сu

Значительно реже в самородном виде встречается железо, которое более склонно формировать химические соединения. Крайне редки в природе самородки редких металлов: палладия (Pd), осмия (Os), иридия (Ir). Большинство минералов этой группы встречается преимущественно или только в самородном виде (Au, Ag, Pt, Pd, Ir, Os). Происхождение почти всех самородных элеменотов эндогенное, чаще всего гидротермальное. Исключением является сера, которая может иметь как эндогенное, так и экзогенное происхождение. Отдельно рассматривается самородный углерод, образующий две базовых полиморфных модификации: алмаз и графит. Алмаз образуется в результате магматических процессов; чаще всего он встречается в кимберлитах, интрузивных телах типа некков. Графит формируется из богатых органическим веществом осадочных пород в результате процессов метаморфизма.

Существует ещё несколько более редких модификаций самородного углерода: лонсдейлит, чаоит и фуллерен. Первые два сходны с алмазом, отличаясь формой кристаллов и несколько меньшей плотностью. Фуллерен (С60) представляет из себя кристалл шарообразной формы; он был сначала синтезирован, а затем обнаружен в природе в углях и шунгитовых сланцах.

2. Сульфиды

Это минералы общей формулы МеnSm, где Ме – катион металла. Эти минералы также встречаются сравнительно редко (<2% от массы земной коры), чаще всего в виде руд. Их ценность заключается в том, что в эту группу входят минералы, являющиеся основными рудами на свинец, медь, цинк и ряд других цветных металлов. Кроме того, самый распространённый представитель этой группы, пирит, используется для производства серной кислоты. Представители этой группы:

пирит (серный колчедан) FеS2

марказит (гребенчатый колчедан) FеS2

пирротин (магнитный колчедан) FеS

халькопирит (медный колчедан) СuFеS2

галенит (свинцовый блеск) РbS

сфалерит (цинковая обманка) ZnS

киноварь НgS

Пирит и марказит являются примером явления полиморфизма, т. е. при одинаковом химическом составе имеют разную форму кристаллов и отличаются по физическим свойствам. Происхождение большинства сульфидов эндогенное, чаще всего гидротермальное. Исключением является пирит, который часто формируется на поверхности Земли и является типичным минералом некоторых осадочных пород и почв.

3. Галоидные соединения

К галоидным соединениям относят соли соляной и плавиковой кислоты (естественные соединения брома и йода существуют, но являются крайне редкими). Хлориды ‑ экзогенного происхождения; большинство из них хорошо растворимо в воде. Фториды имеют эндогенное происхождение. Представители:

галит (поваренная соль) NаСl

сильвин КСl

сильвинит NаСlКСl

карналлит КСlМgСl22О

флюорит (плавиковый шпат) СаF2



криолит Na3AlF6

Из галоидных соединений наибольшее распространение имеет галит, или поваренная соль, минерал, употребляемый человеком в пищу; помимо этого, галит является основным источником натрия и хлора для химической промышленности. Cильвин и карналлит используются в качестве удобрений. Флюорит и криолит используются преимущественно как флюс при выплавке стали и алюминия.

Встречаются галоидные соединения в осадочных породах преимущественно морского происхождения. Такие минералы, как галит, сильвин и карналлит часто формируются в почвах аридных (сухих) областей; особенно характерны они для галоморфных почв, солончаков.

На примере галита и сильвина мы рассмотрим еще одно явление, характерное для многих минералов. В галите часть ионов натрия всегда замещена калием, также как в сильвине всегда присутствует натрий. Если натрий и калий присутствуют в примерно равных количествах, мы называем такой минерал сильвинитом. Явление эквивалентного замещения катиона или аниона в кристаллической решетке минерала называется изоморфным замещением. Непрерывный ряд минералов с разной степенью замещения определенного элемента другим элементом(как мы наблюдаем в ряду галит‑сильвинит‑сильвин) называется изоморфным рядом. При этом название минерала может изменяться или оставаться одним для всего ряда.

Следует обратить внимание на форму записи формул минералов изоморфных рядов. Например, сильвинит может быть записан тремя равнозначными способами: NаСlКСl, (Na,K)Cl и NaKCl2. Выбор записи зависит только от пристрастий автора и, в некоторой степени, от традиций. Также отметим, как в формуле обозначается присутствие кристаллизационной воды (т. е. воды, включённой в кристаллическую решётку и не удаляемую простым выпариванием): например, в карналлите КСlМgСl22О. Даже при другой форме записи основной части формулы кристаллизационная вода записывается через точку: КМgСl32О.

4. Оксиды и гидроксиды

Оксиды и гидроксиды подразделяются на 2 подкласса:

а) оксиды и гидроксиды кремния,

б) оксиды и гидроксиды металлов.

а) Этот подкласс не всегда осносится к оксидам; ряд исследователей склонен рассматривать оксиды кремния как частный случай каркасных силикатов. Важнейшим оксидом кремния является кварц (SiО2), который составляет 12% от массы земной коры. Прозрачный кварц называют горным хрусталем, фиолетовый ‑ аметистом, жёлтый ‑ цитрином, чёрный ‑ морионом. Выделяются также скрытокристаллические разновидности: халцедон, кремень, агат, яшма, тигровый глаз. Все оксиды кремния имеют эндогенное происхождение.

Кpoмe квapцa фopмyлy SiO2 имeют мeнee pacпpocтpaнeнныe минepaлы кpиcтoбaлит, тpидимит и cтишoвит (пpимep явлeния пoлимopфизмa). Kpиcтoбaлит и тpидимит фopмиpyютcя пpи выcoкиx тeмпepaтypax и oбычны пpи извepжeнияx вyлкaнoв. Cтишoвит фopмиpyeтcя тoлькo пpи oчeнь выcoкиx дaвлeнияx и нa пoвepxнocти Зeмли вcтpeчaeтcя в кpaтepax, oбpaзoвaвшиxcя пpи пaдeнии кpyпныx мeтeopитoв. Считается, что в земной мантии оксид кремния присутствует в виде стишовита.

Гидроксид кремния известен только один ‑ это аморфный минерал опал, образующийся при выпадении кремния в осадок из растворов, как поверхностных, так и гидротермальных. Его формула записывается как SiО22О, т. к. он содержит переменное количество воды. Многие разновидности опала используются как полудрагоценные и поделочные камни.

Кварц является обычной составляющей большинства горных пород различного происхождения; соответственно, он входит и в минеральную часть почвы. Тридимит и кристобалит встречаются в почвах, формирующихся на вулканогенных породах. Опал достаточно часто образуется непосредственно в почвах в результате выветривания силикатов, формируя характерные натёки и даже сцементированные горизонты.

б) Из оксидов и гидроксидов металлов более всего распространены соединения железа и алюминия:

магнетит (магнитный железняк) Fе3О4

гематит (красный железняк) Fе2О3

ильменит (Fе,Тi)2О3

корунд Аl2О3

лимонит (бурый железняк) ‑ смесь минералов:

гётита FеООН

и гидрогётита FеООНnН2О

боксит ‑ смесь минералов:

гиббсита Аl(ОН)3

и диаспора АlООН

Магнетит, гематит и лимонит являются важнейшими железными рудами. Наиболее богата магнетитовая руда, несколько менее ‑ гематитовая. Самые бедные лимонитовые, или болотные руды. Минерал ильменит используется как руда на титан (поскольку собственно оксиды титана, рутил, брукит и анатаз, мало распространены в природе). Боксит ‑ основной источник алюминия для промышленности. Корунд не используется в качестве сырья для получения алюминия, так как малораспространен и трудноразрушаем. Известны окрашенные ювелирные разности корунда: красный корунд называется рубин, а синий ‑ сапфир.

Большинство оксидов и гидроксидов может иметь как экзогенное, так и эндогенное происхождение. Магнетит, гематит, ильменит, корунд встречаются в магматических породах; первые два из перечисленных минералов являются также обычными компонентами почв. Гематит, гиббсит и диаспор ‑ минералы, часто образующиеся за счёт гидротермальной деятельности, а также широко распространенные в почвах и существенно определяющие свойства последних. Гётит практически всегда имеет экзогенное происхождение. Гётит и гематит определяют красную и бурую окраску огромного количества почв.

5. Карбонаты

Карбонаты ‑ широко распространенные минералы, имеющие чаще всего экзогенное происхождение. Это типичные минералы осадочных пород и почв. Основные представители:

кальцит СаСО3

магнезит МgСО3

доломит СаМg(СО3)2

сидерит (железный шпат) FеСО3

малахит Сu2СО3(ОН)2

Самым распространённым карбонатом является кальцит. Прозрачный кальцит называют исландским шпатом, непрозрачный ‑ известковым шпатом. Кальцит формирует такие породы, как известняк и мел. Подавляющее количество кальцита сформировалось за счёт биогенного его накопления. В то же время известен и кальцит гидротермального происхождения. В почвах кальцит накапливается в результате реакции кальция, высвободившегося при выветривании, с углекислым газом почвенного воздуха; особенно часто богаты кальцитом почвы засушливых областей. Кальцит и доломит формируют мрамор. Сидерит ‑ типичный минерал болотных руд; достаточно редко отмечается его эндогенное происхождение. Малахит ‑ красивый поделочный камень; как и близкий к нему по составу и свойствам минерал азурит (Сu3(СО3)2(ОН)2), он образуется на поверхности Земли в результате окисления сульфидов меди.

6. Фосфаты

Эта малораспространенная группа минералов имеет важное значение в жизни человека, так как апатит, входящий в нее, служит сырьем для изготовления фосфорных удобрений и синтетических моющих средств. Главные представители:

апатит Са5(РО4)3(ОН,Сl,F)

вивианит Fе3(Р04)22О

бирюза CuAl6(PO4)4(OH)82О

Апатит может иметь как эндогенное, так и экзогенное происхождение. Гидроксильная группа, хлор и фтор, перечисленные в формуле апатита, означают, что в этом минерале возможно изоморфное замещение указанных анионов, причём самым распространённым является фторапатит, т. е. апатит, в котором фтор преобладает над хлором и гидроксидом.

Вивианит, бесцветный в восстановительных условиях и ярко-синий после окисления минерал, имеет исключительно экзогенное происхождение. Встречается в болотных почвах, поскольку образуется при недостатке кислорода и избытке органического вещества.

Бирюза, красивый голубой или зелёный поделочный камень, также имеет только экзогенное происхождение.

7. Сульфаты

Большинство сульфатов имеет экзогенное происхождение. Основные представители этой группы:

гипс СаSО42О

ангидрит СаSО4

мирабилит (глауберова соль) Nа2410Н2О

барит (тяжёлый шпат) ВаSО4

Гипс ‑ самый распространенный из этой группы минерал, встречается как компонент осадочных пород и часто присутствует в почвах тёплых засушливых областей. Добывается в больших количествах во многих странах; используется для изготовления штукатурки, цемента, как наполнитель при изготовлении бумаги и красок, а также в качестве удобрения при мелиорации солонцов. Безводный сульфат кальция, ангидрит встречается реже. Барит образуется как в метаморфических породах, так и в результате экзогенных процессов. Барит используется во многих областях человеческой деятельности в силу своей химической инертности: при изготовлении красок, бумаги, эмалей, а также как утяжелитель шоколада. Мирабилит формируется исключительно путём выпадения в осадок из холодных растворов на поверхности Земли. Встречается в галоморфных почвах. Месторождения обнаруживаются по берегам солёных озёр; используется главным образом для производства соды.

8. Нитраты

Это редко встречающиеся в естественных условиях экзогенные минералы. Все нитраты легко растворимы, поэтому известные их месторождения находятся в крайне сухих жарких областях (в пустынях). Представители:

калийная (индийская) селитра КNО3

натровая (чилийская) селитра NаNО3

Нитраты используются в качестве азотных удобрений и для получения азотной кислоты и взрывчатых веществ. Поскольку промышленные запасы этих минералов ограничены, в настоящее время нитраты получают преимущественно методом химического синтеза из азота воздуха. Крайне редко нитраты встречаются в почвах аридных областей; в этом случае формируются нитратные солончаки.

9. Силикаты и алюмосиликаты

Это важнейший класс минералов, представители которой вместе с кварцем составляют 95% от массы земной коры. Одна третья часть известных минералов относится к классу силикатов и алюмосиликатов. Все магматические и многие метаморфические горные породы в основном сложены минералами этой группы. Ранее силикаты рассматривались как соли гипотетических кремниевых кислот; впоследствие выяснилось, что силикаты не могут классифицироваться на основании состава анионной части, поскольку имеют не молекулярную, а ионную структуру. Поэтому в настоящее время принято подразделять силикаты и алюмосиликаты по строению их кристаллической решетки на следующие подклассы:

а) островные,

б) кольцевые,

в) цепочечные,

г) ленточные,

д) слоистые,

е) каркасные.



В основе строения кристаллической решетки любого силиката лежит так называемый кремнекислородный тетраэдр (рис. 2), т. е. атом кремния, соединенный с четыремя атомами кислорода. На подклассы силикаты подразделяются по способу соединения этих тетраэдров друг с другом. Отдельные минералы выделяются по составу катионов, компенсирующих отрицательный заряд кремнекислородного тетраэдра, а также по степени замещения кремния на алюминий.


а б в

Рис. 2. Кремнекислородный тетраэдр: а, б, в ‑ разные способы изображения

а) Островные силикаты

В минералах этой подгруппы тетраэдры состава SiО44- не связаны друг с другом. Самый распространенный минерал этой группы ‑ оливин, имеющий формулу (Мg,Fе)2SiО4. Существует изоморфный ряд от минерала форстерита (Мg2SiО4) до минерала фаялита (Fе2SiО4), однако чаще мы имеем дело с промежуточным минералом. Оливины являются обычным компонентом основных и ультраосновных пород. Из более редких островных силикатов следует упомянуть топаз (Al2SiO4(F,OH)2) и циркон (ZrSiO4). Последний минерал отличается крайне высокой устойчивостью к выветриванию, в результате чего в почти неизменном виде сохраняется в течение миллиардов лет; кроме того, часть циркония в нём изоморфно замещена торием и ураном, что позволяет проводить датировку цирконов изотопными методами.

Kpoмe перечисоенных, к ocтpoвным cиликaтaм oтнocятcя гpaнaты. В этой группе минералов катионная часть компенсирует совокупный заряд трёх кремнекислородных тетраэдров (но не соединённых вершинами). Общая формула граната MeII3MeIII2(SiO4)3. Выдeляютcя cлeдyющиe их разновидности:


  • aльмaндин Fe3Al2(SiO4)3 (красновато-коричневый)

  • пиpoп Mg3Al2(SiO4)3 (красный)

  • cпeccapтин Mn3Al2(SiO4)3 (оранжевый, коричневый)

  • гpoccyляp Ca3Al2(SiO4)3 (жёлтый, розовый)

  • aндpaдит Ca3Fe2(SiO4)3 (зеленовато-жёлтый)

  • yвapoвит Ca3Cr2(SiO4)3 (изумрудно-зелёный)

Близки по строению к островным силикатам и минералы, состоящие полностью или частично из сдвоенных кремнекислородных тетраэдров Si2O76-. Иногда их выделяют в отдельный класс, иногда же рассматривают как подкласс островных силикатов. Наиболее распространена в этом подклассе группа эпидота, важного компонента метаморфических пород; базовая формула эпидотов Ca2Al3(SiO4)(Si2O7)O(OH), а отдельные минералы выделяются при изоморфном замещении алюминия железом, магнием или марганцем.

б) Кольцевые силикаты

В основе строения минералов этой подгруппы шесть (значительно реже три или четыере) кремнекислородных тетраэдров, соединенных в кольцо Si6О1812- (рис. 3).



  • бepилл Be3Al2Si6O18

  • тypмaлин NaFe3Al6(OH)4(BO3)3Si6O18

Зeлeнaя paзнoвиднocть бepиллa нaзывaeтcя изyмpyд.

Рис. 3. Структурное расположение кремнекислородных тетраэдров в кольцевом силикате



в) Цепочечные силикаты

У минералов этого класса кремнекислородные тетраэдры соединены в бесконечные цепочки, в формуле обозначаемые как Si2О64- (рис. 4а). В классе выделяют одну группу ‑ пироксены, образующую два изоморфных ряда: ромбических (бескальциевых) и моноклинных (кальцийсодержащих) пироксены.


Каталог: Chairs -> Agronomy
Chairs -> Это слово, должно быть, произошло от латинского
Chairs -> Е. Ю. Красновидов организация и проведение
Chairs -> Отчет по производственной практике Место направления
Chairs -> Занятость населения и ее регулирование
Chairs -> Методические указания и программа Москва 002 содержание стр. Цели и задачи практики Организация практики 3
Chairs -> Рабочая программа дисциплины «Химические реагенты и технологии для промысловой подготовки нефти, газа и воды»
Agronomy -> Вопросы к зачёту по почвоведению с основами геологии


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4


База данных защищена авторским правом ©geo.ekonoom.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница