Классификация минералов по химическому составу

 

Классификация минералов по химическому составу.

 

Минералы — это природные тела, имеющие определенный, химический состав и физические свойства, образующиеся в результате физико-химических процессов, протекающих в земной коре. Большинство минералов твердые, но встречаются также жидкие и газообразные.

В земной коре минералы встречаются  самостоятельно, но чаще в составе горных пород. Они в известной степени определяют физико-механические свойства горных пород, поэтому с этой точки зрения представляют наибольший интерес для инженерной геологии.

В земной коре содержится более 7000 минералов и их разновидностей, но большинство из них встречается редко и лишь около ста минералов встречаются наиболее часто, входя в состав главнейших горных пород. Эти минералы называют породообразующими.

Химический состав кристаллических  минералов выражается кристаллохимической формулой, которая одновременно показывает количественные соотношения элементов и характер их взаимной связи в пространственной решетке. Например, химическая формула минерала каолинита имеет следующий вид: Al₄(Si₄O₁₀) (OH)₈ .

Химическая формула  аморфных минералов отражает лишь 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, гипс СаSО₄ 2Н₂О, а после нагревания остается CaSO₄. Химически связанная вода в виде (ОН)  входит составной частью в пространственную решетку, и ее удаление приводит к разрушению минерала.

Основой классификации минералов  является химический состав. Все минералы можно разделить на 10 классов:

 

     1 – силикаты                                                  6 – сульфаты

     2 – карбонаты                                                7 – галоиды

     3 – окислы                                                      8 – фосфаты

     4 – гидроокислы                                            9 – вольфраматы

     5 – сульфиды                                                10 – самородные элементы               

 

Строителю приходится иметь дело, как с отдельными минералами, так и с горными породами, которые представляют собой некоторый определенный комплекс минералов. В составе горных пород минералы распределяются неодинаково, например полевые шпаты составляют до 60% объема магматических пород, около 30% - метаморфических и до 12% - осадочных пород, большее место занимает кварц (12% объема земной коры),  меньшее - карбонаты(1,7%), сульфаты (0,1%) и др. 

Рассмотрим породообразующие минералы.

Силикаты - наиболее многочисленный класс, включающий до 800 минералов. Среди силикатов выделяют подгруппы минералов, характеризующиеся некоторой общностью состава и строения - полевые штаты, пироксены, амфиболы, слюды, а также оливин, тальк, хлориты и глинистые минералы.

Полевые шпаты - эндогенные минералы, в зависимости от химического состава их делят на группы плагиоклазов и ортоклаза. Плагиоклазы представляют собой непрерывный ряд минералов, состоящих из различных количеств альбита Na(AlSi₃O₈) и анортита Ca(Al₂Si₂0₈). В зависимости от содержания альбита и анортита плагиоклазы имеют различные наименования:

       

            Содержание альбита, %                Содержание анортита, %                      Плагиоклазы 

                           100 – 90                                           0 – 10                                            альбит

                             90 – 70                                          10 – 30                                           олигоклаз

                             70 – 50                                          30 – 50                                           андезин

                             50 – 30                                          50 – 70                                           лабрадор

                             30 – 10                                          70 – 90                                           битовнит

                             10 – 00                                          90 – 100                                         анортит

    

Плагиоклазы имеют белый, серовато-белый, серый и темно-серый цвет, иногда с зеленоватым, синеватым, реже красноватым оттенком; блеск стеклянный; твердость 6 - 6,5; спайность совершенная; уд. вес изменяется от 2,61 (альбит) до 2,76 (анортит). При ударе молотком плагиоклазы раскалываются с образованием косого угла между плоскостями спайности.

В группе ортоклаза наиболее распространенными являются ортоклаз и микроклин с одинаковой химической формулой К(AISi₃O₈). В отличие от плагиоклазов ортоклаз раскалывается на прямоугольные куски, так как его плоскости спайности перпендикулярны; в микроклине угол между этими плоскостями немного меньше прямого.

Ортоклазы имеют розовый, мясо-красный, желтый или серо-розовый цвет, реже белый или серый. Блеск стеклянный, спайность совершенная, уд. вес 2,5 - 2,6 г/см³.

Микроклин, за исключением  положения плоскостей спайности  по своим характеристикам аналогичен ортоклазу.

Полевые шпаты входят в  состав гранитов, сиенитов, гнейсов и многих других пород, часто в очень больших количествах (их применяют в стекольной и керамической промышленности, лабрадор - ценный поделочный и облицовочный материал).

Пироксены обладают сложным химическим составом. Наиболее распространенным из них является авгит Ca(Mg, Fe, Al) X ((Si, Al₂)₂O₆), для которого характерен цвет зеленовато-черный, буровато-черный, реже темно-зеленый или бурый; блеск стеклянный, твердость 5 - 6, спайность совершенная, уд. вес 3,2 - 3,6. Авгит - главнейшая составная часть габбро, пироксенитов и др. Присутствие авгита обусловливает хрупкость породы, затрудняет ее полировку.

Амфиболы представляют широко распространенную группу минералов, входящую в состав магматических и метаморфических пород. Наибольшее значение среди них имеют роговая обманка и ак-тинолит. Кристаллы этих минералов обычно удлиненные, призматические, часто игольчатые.

Роговая обманка имеет сложный химический состав Ca₂Na(Mg,Fe)₄(Al,Fe)((Si,Al)₄O₁₁)₂(OH)₂, цвет зеленый или бурый, равных оттенков, преимущественно темных; черта белая с зеленоватым оттенком, блеск стеклянный, твердость 5,5 - 6, спайность совершенная, уд. вес 3,1 - 3,3.

Актинолит Ca₂('Mg, Fe²⁺)5[Si4OnMOH]₂ по своим физическим свойствам аналогичен роговой обманке. Облик кристаллов волокнистый, цвет зеленый, иногда встречается в виде асбеста.

Слюды представляют собой ряд породообразующих минералов, которые имеют совершенную спайность и способны расщепляться на тончайшие упругие пластинки, стеклянный блеск, твердость 2 - 3, уд. вес 2,7 - 3,1. По своему происхождению они являются эндогенными или метаморфическими минералами. Наиболее распространенными являются белая слюда мусковит KAl₂ (AlSi₃O₁₀)(OH)₂, черная слюда биотит К(Mg, Fe)₃X (Si₃AlO₁₀)(OH, F)₂.

Слюды входят в состав магматических, метаморфических и осадочных пород, при физическом выветривании расслаиваются и снижают механическую прочность пород, ускоряя процесс их разрушения. Имеют большое народнохозяйственное значение (применяются в электротехнике, для термо- и звукоизоляции и т. д.).

Оливин оливково-зеленый минерал (Mg, Fe)₂SiO₄. Кристаллы имеют стеклянный и жирный блеск, несовершенную спайность, раковистый излом, твердость 6,5 - 7, уд. вес 3,2 - 4,35. Оливин входит в состав магматических пород - диабаза, базальта, почти полностью слагает дунит и перидотит. Кристаллы оливина применяют как драгоценные камни. Оливиновые породы идут на изготовление 
огнеупоров. 

Тальк - Mg₃(Si₄O₁₀)(OH)₂ является продуктом метаморфизма, хорошо сопротивляется выветриванию, цвет белый, бледно-зеленый, светло-желтый. Черта белая, блеск жирный, твердость 1, спайность совершенная, уд. вес 2,7 - 2,8. Встречается в виде плотных листоватых масс, в составе тальковых сланцев, среди известняков. Применяется как кислото-огнеупорный материал, в качестве электроизоляции, используется в керамической промышленности и т. д.

Хлорит - Mg4Al₂(Si₂Al₂O₁₀)(OH)₈ - имеет форму листоватых или чешуйчатых неупругих агрегатов, сплошных масс. Цвет от светло- до темно-зеленого, блеск перламутровый, спайность весьма совершенная, твердость 2 - 2,5, уд. вес 2,6 - 2,85. Происхождение хлорита метаморфическое, входит в состав хлоритовых сланцев, нередко наблюдается в магматических породах.

Глинистые минералы. В эту группу входит большое число минералов, образованных в экзогенных условиях, т. е. на поверхности земли в процессе выветривания алюмосиликатных минералов эндогенного происхождения. В связи с этим их часто называют вторичными минералами. Породообразующее значение имеют три минерала - каолинит, гидрослюда и монтмориллонит. Все они алюмосиликаты.

Глинистые минералы обладают комплексом специфических особенностей. Каждый глинистый минерал представляет собой кристаллическое тело размером менее 1 мк и обладает высокой поверхностной энергией, что обусловливает активное взаимодействие с водой. Форма кристаллов хорошо различима лишь в электронном микроскопе. Преобладают частицы пластинчато-слоистого строения. Каждому глинистому минералу свойственна высокая поверхностная энергия. Кроме того, такие минералы, как монтмориллонит, имеют подвижные кристаллические решетки, состоящие из отдельных пакетов. Межпакетные пространства способны поглощать и отдавать воду в значительных количествах. Минерал при этом увеличивается или уменьшается в своем объеме.

Глинистые минералы являются главной составной частью многих пород осадочного происхождения (глины, суглинки и т. д.). Присутствуют в магматических и метаморфических породах, затронутых процессом выветривания.

Каолинит - Al₄(Si₄O₁₀)(OH)₈ встречается в виде землистых масс. Цвет белый, серовато-белый с различными оттенками. На ощупь жирный, твердость 1, уд. вес 2,58 - 2,6. С водой образует пластичное тесто, набухает слабо. Широко применяется для изготовления огнеупорных изделий, в керамической промышленности.

Монтмориллонит — AlMg₂(OH)₂(Si₄О₁₀) nH₂0. Окраска светло-зеленая, белая и в большой степени зависит от примесей. Образует довольно плотные землистые массы с матовым блеском. Твердость 1, уд. вес 2,5. Этот минерал за счет поглощения воды способен увеличивать свой объем в 20 раз. При ее удалении объем снова резко уменьшается. Применение монтмориллонита связано с его высокой поглотительной способностью (смягчение жестких вод, очистка нефтепродуктов и т. д.).

Гидрослюды - это группа минералов, которые по существу являются промежуточными образованиями между слюдами и глинистыми минералами типа монтмориллонита. Для них характерны светлые землистые массы матового блеска. Твердость 1 - 2, уд. вес 2,6, обладают средней набухаемостью. Из всех глинистых образований гидрослюды являются наиболее широко распространенными породообразующими минералами. Используются как сырье для огнеупоров.

Окислы  и гидроокислы. Эти классы объединяют около 200 минералов, на их долю приходится до 17% всей массы земной коры. Наиболее распространенными являются кварц, опал и лимонит.

Кварц - SiO₄ - является распространенным минералом земной коры, по происхождению различен - эндогенный, экзогенный. Окраска бесцветная, молочно-белая, серая и т. д. Спайность отсутствует, излом раковистый, блеск стеклянный, на изломе - жирный, твердость 7; уд. вес 2,6. В физическом и химическом отношении кварц является весьма устойчивым минералом. Входит в состав многих пород, используется для получения стекла, как поделочный камень и т. д.

Опал - SiO₂-nH₂O - полупрозрачный аморфный минерал, содержащий от 3 до 9% воды, бесцветный, белый, желтый и т. д. Блеск перламутровый, излом раковистый, твердость 5,5 - 6,5, уд. вес 1,9—2,5. В природных условиях путем выпадения из водных растворов образует аморфные натеки, слоистые и пористые агрегаты. Распространенный минерал осадочных пород. Входит в состав диатомита, трепела, опоки и других пород. Используется в цементной промышленности для изготовления легкого кирпича, в качестве шлифовального материала и т. д.

Лимонит (бурый железняк) - 2Fe₂O₃ пН₂О - экзогенный минеральный агрегат, состоящий из ряда минералов, принадлежащих к гидроокислам железа. Это обусловливает большие колебания в его физических свойствах. Цвет желтый, бурый, почти черный, черта светло-бурая до красной. Твердость 4 - 5,5, рыхлых разностей - 1, уд. вес 3,6 - 4. Лимонит широко распространен на поверхности земли, встречается в виде землистого облика самостоятельных скоплений, а также в виде примесей в осадочных породах, что нередко придает породам характерную бурую или красновато-бурую окраску.

Карбонаты. К ним относится более 80 минералов. Наиболее распространены кальцит, магнезит и доломит. Происхождение карбонатов в основном экзогенное и связано с водными растворами.

Кальцит - СаСОз представляет собой бесцветный или молочно-белый минерал с различными оттенками. Легко раскалывается по плоскостям совершенной спайности, блеск стеклянный, твердость 3, уд. вес 2,6—2,8, растворяется в соляной .кислоте, неустойчив к воде. Он принадлежит к числу самых распространенных минералов на земной поверхности, входит в состав многих пород (известняки, мрамор и др.), применяется для производства извести.

Магнезит - MgCO₃ в отличие от кальцита имеет меньшее распространение и не растворяется в холодной НСL. Цвет белый, серый, блеск стеклянный, спайность совершенная, твердость 4 - 4,5, уд. вес 2,9—3,1. Встречается чаще всего среди метаморфических пород. Широко используется для изготовления огнеупорных кирпичей, цемента, стойкой штукатурки и т. д.