Пособие к лабораторным занятиям по курсу ''Общая геология'' ''Важнейшие породообразующие и рудные минералы''. Часть 1. Общие сведения о минералах

Министерство образования Российской Федерации Ростовский государственный университет Геолого-географический факультет

ПОСОБИЕ к лабораторным занятиям по курсу «Общая геология» «Важнейшие породообразующие и рудные минералы» Часть 1 Общие сведения о минералах для студентов 1 курса биолого – почвенного факультета. Специальность: 013000 почвоведение.

г. Ростов – на- Дону 2002

Печатается по решению кафедры общей и исторической геологии, протокол №1 от 5 сентября 2002г. Авторы: Ю.Н.Костюк, Е.М.Пушкарский, А.Н.Леднев Ответственный за выпуск: зав. кафедрой общей и исторической геологии, доцент А.Г.Грановский

Содержание 1. Общие сведения 2. Строение минералов 3. Физические свойства минералов 3.1. Основные свойства 3.2. Особые свойства 4. Формы нахождения минералов в природе 5. Классификация минералов 6. Литература

1. Общие сведения

Минералами называются природные химические соединения или отдельные химические элементы однородные по физическим свойствам, химическому составу и внутреннему строению, образующие в совокупности горные породы. В настоящее время известно около 2500 природных минералов и более 4000 их разновидностей. Широко распространенных минералов насчитывается порядка 400 – 500, но только немногие из них – около 50 имеют значение в образовании горных пород. Они называются породообразующими минералами. С позиции практического использования выделяются рудные минералы1, имеющие экономическое значение как рудные полезные ископаемые. Рудные минералы гораздо менее распространены по сравнению с породообразующими и образуют в горных породах локальные скопления в виде рудных залежей (месторождений). Следует иметь в виду, что породообразующие минералы также могут иметь практическое значение как нерудные полезные ископаемые. Минералы и их разновидности имеют самостоятельные названия, которые даны по характерным физическим свойствам, химическому составу, форме географическим наименованиям. Многие минералы названы в честь ученых или сохраняют старинные минералогические названия. Минералы являются объектом изучения минералогии – одной из старейших геологических наук. В курсе общей геологии изучаются не все, а только важнейшие породообразующие и рудные минералы. 2. Строение минералов Подавляющее большинство минералов представляют собой кристаллические вещества и лишь немногие из них – аморфные (греч. «аморфос» - бесформенный) . Кристаллические вещества, в отличие от аморфных, имеют строго закономерное расположение слагающих их части и – атомов, ионов, молекул. Эта закономерность выражается геометрически в виде пространственной или кристаллической решетки, образующей структуру кристаллических веществ. Именно наличие кристаллической структуры определяет особые свойства кристаллических веществ, важнейшими из которых являются: 1). анизотропность ( неравносвойственность). В кристаллической решетке расстояния между частицами и характер связей между ними в разных (непараллельных) направлениях неодинаковы, что обуславливает и различие свойств;

1

Характерно, что термин «минерал» происходит от лат. minera - руда

2). способность самоограняться и образовывать кристаллы. Кристаллами называются геометрически правильные многогранники, ограниченные плоскими гранями и прямыми ребрами2. Этой специфической особенностью обладают только кристаллические вещества; 3). симметрия. Структура кристалла, т.е. расположение в нем отдельных частиц, является симметричной. Все кристаллы являются телами симметричными. Формы природных кристаллов разнообразны и зависят прежде всего от их внутреннего строения. О.Бравэ в 1855 г. теоретически доказал, что существует 14 типов простейших кристаллических решеток. В 1890 г. Е.С.Федоров установил, что для этих простейших решеток имеется 230 законов пространственного расположения слагающих их частиц. Множественность типов и законов предопределяет бесконечное разнообразие реальных кристаллических структур и соответственно форм кристаллов. Все разнообразие форм кристаллов минералов подразделяется по степени сложности в шесть крупных групп, называемых сингониями (греч. «син» - сходно и «гония» - угол ). Сингонии отражают степень симметричности кристаллов. Выделяют сингонии : кубическую, гексагональную ( с тригональной подсингонией) и тетрагональную, объединяющие наиболее симметричные кристаллы. Наименее симметричные кристаллы принадлежат к ромбической, моноклинной и триклинной сингониям. Для формирования кристаллической структуры минералов большое значение имеют условия их образования. В различных условиях одинаковые по химическому составу вещества могут образовывать различные кристаллические структуры и создавать таким образом разные минералы. Это явление получило название полиморфизма (греч. «полиморфоз» многоформенный, многообразный) и широко распространено в минералах. Наиболее характерным примером полиморфизма являются минералы алмаз и графит. В химическом отношении они одинаковы и состоят из чистого углерода (С). С точки зрения внутреннего строения они имеют различную кристаллическую структуру: в первом атомы углерода имеют плотную «упаковку» и скреплены сильными химическими связями, во втором атомы располагаются слоями, связи сложные и в целом слабые. В результате форма кристаллов и физические свойства этих двух минералов совершенно различны: алмаз кристаллизуется в кубической сингонии в виде изометричных кристаллов, является самым твердым из минералов, имеет плотность (3,5); графит кристаллизуется в гексагональной сингонии в виде шестиугольных пластинок, очень мягок, отличается небольшой плотностью

2

В природе хорошо ограненные кристаллы встречаются сравнительно редко. В большинстве случаев кристаллические вещества не имеют ясно ограненной формы.

(2,2). Все эти и другие резко отличные свойства есть следствие двух разных структур: чрезвычайно прочной у алмаза и менее прочной у графита. Явлением, в известной степени противоположным полиморфизму, является изоморфизм (греч. «изос» - равный, «морфэ» - форма). Под изоморфизмом понимают свойства химических элементов замещать друг друга и образовывать смешанные минералы одинаковые по кристаллической структуре и форме кристаллов. В качестве примера можно привести минералы форстерит Mg2[SiO4] и фаялит Fe2[SiO4]. Эти минералы однотипны по кристаллической структуре и форме кристаллов. Между собой они образуют твердые растворы переменного химического состава – так называемый изоморфный ряд минералов и являются его крайними членами. Между ними находится наиболее распространенный минерал изоморфного ряда оливин – (Mg,Fe)2 [SiO4], представляющий собой их изоморфную смесь, где магний частично замещен железом. Это нашло отражение в его химической формуле и названии самого ряда как изоморфного ряда оливинов. Изоморфизм, также как и полиморфизм широко распространен в природе. Многие минералы являются изоморфными смесями и образуют изоморфные ряды. Кристаллы и кристаллическое состояние минералов являются объектом изучения кристаллографии, тесно связанной с минералогией. Аморфные вещества, как отмечалось, не имеют закономерного внутреннего строения. Слагающие их частицы расположены беспорядочно. Поэтому свойства аморфных веществ зависят только от их химического состава. Они изотропны (равносвойственны), кристаллов не образуют и рассматриваются как специфические объекты минералогии. 3. Физические свойства минералов Физические свойства минералов зависят от их химического состава и внутреннего строения и имеют важное диагностическое значение. Существует много специальных методов определения минералов, применяемых в минералогии: кристаллографический, рентгенометрический, химический, микроскопический и др. В курсе Общей геологии для диагностики минералов используется макроскопический метод. Этот метод, обычно применяемый и в полевых условиях, основан на изучении внешних физических свойств минералов, видимых невооруженным глазом. Основными физическими свойствами минералов являются: цвет, цвет черты (цвет минерала в порошке), блеск, твердость, плотность, спайность, излом и некоторые другие. Ряду минералов присущи особые, только им характерные свойства: магнитность, реакция с соляной кислотой, вкус, запах и др. При макроскопическом определении минералов необходимо учитывать весь комплекс свойств. Следует также иметь в виду, что свойства наиболее отчетливо фиксируются в крупном кристалле или зерне минерала. В мелких

вкрапленниках и в мелкозернистых агрегатах точное определение ряда свойств затруднено или вообще невозможно. 3.1 Основные свойства Цвет минералов является одним из наиболее ярких и выразительных внешних признаков. Вместе с тем его использование при диагностике возможно лишь в совокупности с другими свойствами. Цвет или окраска минерала имеет сложную природу и определяется его химическим составом, особенностями внутренней структуры, наличием химических и механических примесей и др. В связи с этим один и тот же минерал может иметь различную окраску, а разные минералы могут быть окрашены в одинаковый цвет. Цвет минерала может осложняться интерференцией света в его поверхностных частях ( побежалость, иризация, опалесценция). Побежалость – пестрая или радужная окраска приповерхностного слоя минерала. Она объясняется интерференцией света в тонких пленках, образующихся ( например, за счет окисления) на поверхности минералов. Яркие синие, красные и фиолетовые отливы побежалости характерны для минерала халькопирита. Интерференция на тонких пленках гидроокислов железа вызывает красивую радужную побежалость кварца. Иризация – обнаруживается в полупрозрачных минералах, содержащих ориентированные включения посторонних минералов. Так, например, характерные цветные переливы, типичные для лабрадора – яркая желто-зеленая и синяя иризация – связываются с интерференцией на ориентированных пластинчатых включениях ильменита. Голубая иризация лунного камня - разновидность ортоклаза – связывается с включениями альбита в ортоклаз. Опалесценция – красивая игра цветов. Характерна для опала, имеющего аморфное строение. Интерференция возникает только у благородных разновидностей этого минерала (просвечивающие или полупросвечивающие опалы). Они имеют разные оттенки голубого цвета, реже красноватые. Практически цвет минерала определяется на глаз, сравнением его с цветом общеизвестных предметов (молочно-белый, соломенно-желтый, изумрудно-зеленый и т.д.) При этом цвет, как, впрочем, и многие другие физические свойства, следует определять на свежих поверхностях излома. Цвет черты или цвет минерала в порошке обычно определяют проведением им по шероховатой поверхности неглазурованной фарфоровой пластинке, называемой бисквитом. Цвет черты может совпадать с цветом самого минерала, но может и отличаться от него. Цвет черты в ряде случаев является более постоянным чем цвет самого минерала и служит таким образом более надежным диагностическим признаком.

Минералы, твердость которых больше твердости бисквита, оставляют на фарфоре царапину и черты не дают. Блеск является результатом отражения света от поверхности минерала. Он зависит от показателя преломления минерала и от характера показателя преломления минерала и от характера отражающей поверхности. Различают минералы с металлическим и неметаллическим блеском. Иногда выделяют ещё металловидный блеск. Металлический блеск, напоминающий блеск поверхности металла, имеют минералы, дающие в большинстве случаев черную черту. Металловидный (или полуметаллический) блеск характерен для минералов, поверхность которых имеет вид потускневшего металла. Неметаллический блеск свойственен подавляющей части всех известных минералов. Минералы с неметаллическим блеском дают светлоокрашенную черту (любую цветную или белую) или черты не дают совсем. Среди неметаллических блесков обычно различают: алмазныйсамый интенсивный, сильный, искрящийся; стеклянный – напоминает блеск поверхности стекла, самый распространенный; жирный – блеск, при котором поверхность минерала кажется как бы смазанный тонкой пленкой жира; восковый – близок к блеску восковой свечи; перламутровый – подобен блеску перламутровой поверхности раковины; шелковистый – сходен с блеском шелковых нитей; матовый – отсутствие блеска. Твердость является важным диагностическим признаком минералов. Под твердостью понимается способность минерала противостоять внешнему механическому воздействию ( царапанию, истиранию, вдавливанию и др.) В минералогической практике обычно определяется относительная твердость путем царапания эталонными минералами поверхности исследуемого минерала. С этой целью пользуются шкалой твердости или шкалой Мооса, названной по имени немецкого минералога Ф.Мооса. Эталонами шкалы твердости Мооса являются минералы с известной и постоянной твердостью, относительно которых и определяется твердость всех других минералов. За эталоны этой шкалы приняты следующие минералы, расположенные в порядке увеличения твердости: 6.Ортоклаз 1.Тальк 7.Кварц 2.Гипс 8.Топаз 3.Кальцит 9.Корунд 4.Флюорит 10.Алмаз 5.Апатит Необходимо отметить относительность шкалы Мооса : если тальк имеет твердость 1, а алмаз твердость 10, то это не означает что алмаз в 10 раз тверже талька. Твердость талька в абсолютных единицах, определенная на микрометре, равна 2,4 ,а алмаза – 10060. Для определения твердости любого исследуемого минерала на его поверхности выбирают ровную площадку и, нажимая, проводят по ней

острым углом эталонного минерала из шкалы твердости. При этом отмечают, какой из эталонных минералов дает черту и какой оставляет царапину. Если, например, апатит (твердость 5) оставляет царапину на исследуемом минерале, а флюорит ( твердость 4) не царапает его, а дает черту, то твердость исследуемого минерала определится как промежуточная между ними, т.е. примерно 4,5. Для определения твердости минералов можно также пользоваться некоторыми распространенными предметами, твердость которых близка к твердости минералов – эталонов. Так, графит мягкого карандаша имеет твердость 1; ноготь – 2-2,5; гвоздь –4; стекло – 5; стальной нож, игла – 6. Плотность (удельный вес) минералов колеблется в широких пределах: от значений примерно равных единице до 23.0 (г/см3). Плотность зависит от химического состава и структуры минералов. Подавляются масса минералов имеет плотность от 2,5 до 3,5. Точное определение плотности, возможно только в лабораторных условиях. На практике диагностика минералов по плотности обычно осуществляется простым взвешиванием на ладони и отнесением минерала к группе легких ( плотность до 3.0), средних (плотность от 3.0 до 4) или тяжелых (плотность более 4). Некоторые минералы легко узнаются по большой плотности (барит). Как правило, минералы, содержащие в своем составе тяжелые металлы, имеют высокую плотность. Примером зависимости плотности от внутренней структуры могут служить отмеченные выше минералы одного и того же состава алмаз и графит с плотностями соответственно 3.5 и 2.2, что свидетельствует о более плотной упаковке атомов углерода в алмазе. Спайность – способность минералов раскалываться по определенным направлениям с образованием ровных блестящих поверхностей, называемых плоскостями спайности. Спайность свойственна исключительно кристаллическим веществам и всегда соответствует направлениям наименьшего сцепления частиц в кристаллической структуре минерала. В зависимости от того, насколько легко образуются сколы по плоскостям и насколько они выдержаны, выделяют различные степени спайности: спайность весьма совершенная – минерал легко (например, ногтем) колется на тончайшие пластинки с зеркальной поверхностью (слюда, гипс); спайность совершенная – минерал при ударе раскалывается по плоскостям спайности с ровными поверхностями (кальцит, галенит); спайность средняя – при ударе минерал раскалывается как по плоскостям спайности, так и по неровному излому (ортоклаз); спайность несовершенная – на фоне неровного излома лишь изредка образуются сколы по спайности (апатит);

спайность

весьма несовершенная – практически нет

спайности и всегда образуется неровный излом (кварц); Макроскопически две последние степени обычно не различаются и в этом случае ограничиваются общим определением – несовершенная спайность. В минералах спайность может проявляться в одном, двух, трех, реже четырех и шести направлениях. Количество направлений спайности, как и сама спайность, является важным диагностическим признаком. Излом – вид поверхности, образующийся при раскалывании минералов, не по плоскостям имеющих спайности. По характеру этой поверхности излом в минералах может быть неровный – с неопределенно – неровной поверхностью (апатит); раковистый – напоминающий ребристую поверхность раковины (кварц, халцедон); ступенчатый(ортоклаз, галенит); занозистый(игольчатый); крючковатый и др. 3.2. Особые свойства

Магнитность

характерна для немногих железосодержащих минералов. Наиболее ярко выражена у минерала магнетит, что нашло отражение в его названии. Магнитность выявляется при помощи магнитной стрелки, которая отклоняется при поднесении к ней испытуемого образца. Реакция с соляной кислотой является характерным диагностическим признаком для ряда минералов класса карбонатов. Так, кальцит бурно вскипает при действии на него слабой (5-10%) соляной кислотой. Доломит вскипает с такой кислотой только в порошке. Магнезит при действии нагретой соляной кислоты. Вкус. На вкус определяются лишь некоторые растворимые в воде соли. Этим методом легко отличить, например, каменную соль от сильвина: последний имеет горько – соленый вкус. Запах. При горении и ударе, при трении некоторые минералы издают характерные запахи. Так, запах сернистого газа ощущается при горении серы и при резком ударе по пириту. При трении одного куска фосфорита о другой появляется запах, напоминающий запах сгоревшей спички или жженой кости. При смачивании водой каолин приобретает запах «печки». Штриховка граней кристаллов характерна для ряда минералов. У различных минералов штриховка имеет разную ориентировку, которая в некоторых случаях может служить важным диагностическим признаком. Так, например, характерным отличием топаза от кварца является его грубая вертикальная штриховка вдоль вытянутых граней в отличие от горизонтальной штриховки у кварца; для кубических кристаллов пирита характерна взаимно перпендикулярная штриховка соседних граней и др.

4. Формы нахождения минералов в природе Формы нахождения минералов в природе разнообразны и зависят от их химического состава, внутреннего строения и, главным образом, от условий образования. Многие из них, наряду с описанными выше физическими свойствами, служат важными диагностическими признаками при определении минералов. Кроме того, отражая условия образования, они позволяют судить о генезисе (происхождении) минералов. В природе минералы встречаются либо в виде отдельных кристаллов, либо в виде скоплений минеральных зерен, называемых минеральными агрегатами. Кристаллы, как отмечалось, встречаются сравнительно редко и возникают в благоприятных для роста условиях. Они образуются преимущественно в свободных полостях – в трещинах и пустотах горных пород, где могут свободно (нестесненно) расти. Форма кристаллов разнообразна и отражает как состав и внутреннюю структуру минерала, так и условия образования. В наиболее общем виде форма или внешний облик кристаллов характеризуется степенью изометричности и выражается в различном соотношении их длины, ширины и толщины. В зависимости от этого выделяется три группы кристаллов, обладающие характерным внешним обликом: 1). изометричные кристаллы – равномерно развитые во всех трех направлениях; 2). удлиненные (длина значительно преобладает над шириной). Среди них выделяют столбчатые, игольчатые, лучистые, волокнистые и другие разновидности; 3). уплощенные (толщина меньше ширины) – табличные, листовые, чешуйчатые и т.п. Как видно, определения внешнего облика кристаллов 3 нестрогие .Однако важна их образность, поскольку облик кристалла для многих минералов является его типичной особенностью. Так, например, минерал актинолит (лучистый камень) назван по лучистой форме его кристаллов (от греч. «актинос» - луч и «литос» - камень); минерал санидин – одна из разновидностей ортоклаза – своим названием отражает присущую ему таблитчатую форму кристаллов (от греч. дощечка) и т.д. Минеральные агрегаты весьма разнообразны и пользуются наибольшим распространением в природе. Форма агрегатов зависит главным образом от условий образования. Среди минеральных агрегатов наиболее широко развиты следующие:

Существует более строгий термин – габитус определяющий облик кристаллов, по доминирующим на нем граням и соотношению размеров кристалла в трех его измерениях (по осям X-Y-Z). 3

Зернистые агрегаты – скопления минеральных зерен, имеющих, в отличие от кристаллов, неправильную форму. Они образуются при одновременном выпадении из расплава или раствора массы кристаллов минералов и росте каждого из них в стеснённых условиях. Каждое зерно таким образом – это неогранившийся, неоформившийся кристалл, выросший в стеснённых условиях. Величина зерен зависит от условий кристаллизации и изменяется от крупных до землистых. К крупнозернистым относятся агрегаты с размером зерен более 5 мм в поперечнике. Среднезернистые агрегаты имеют размер зерен от 1 до 5 мм, мелкозернистые – меньше 1 мм. Тонкозернистые или скрытокристаллические и землистые агрегаты состоят из более мелких зерен, не различных на глаз. В зависимости от формы кристаллических зерен различают игольчатые, волокнистые, листовые, чешуйчатые и другие агрегаты. В целом, разнообразные зернистые агрегаты слагают все кристаллические горные породы. Землистые агрегаты представляют собой мягкие мучнистые, порошковатые образования. Характерны для рыхлых минералов и осадочных горных пород, почв и т.п. Обычно пачкают руки. Из прочих форм минеральных агрегатов отметим следующие: друзы, дендриты, конкреции, секреции, оолиты, натечные образования, выцветы. Эти агрегаты, представляющие собой скопления минеральных зерен и кристаллов минералов, настолько типичны и четко обособлены, что получили собственные названия. Друзы – скопления отдельных хорошо образованных кристаллов, имеющих общее основание. Образуются при свободном росте кристаллов в открытых полостях. Если в друзе кристаллы параллельны и соприкасаются друг с другом, такая кристаллическая форма называется щеткой. Друзы и щетки характерны для многих минералов, встречающихся в виде хороших кристаллов (кварц, кальций, пирит и др.). Дендриты – имеют ветвистое древовидное строение и похожи на отпечатки растений (от слова «дендрон» - ветвистый, древовидный). Образуются в результате быстрой кристаллизации минералов в тонких трещинах и порах породы. Особенно часто встречаются дендриты окпалов марганца и самородной меди. Секреции – образования округлой или неправильной формы. Возникают в результате постепенного заполнения минеральным веществом пустот в породе. Они имеют обычно концентрическое строение, отражающее последовательное отложение минерального вещества от стенок пустоты к центру. Мелкие пустоты обычно нацело заполняются минеральным веществом. Если минерального вещества не хватает для заполнения всей пустоты, в центре секреции остается свободное пространство, выполненное нередко друзами или щетками кристаллов. Наиболее известны секреции халцедона с друзами кварца. Мелкие секреции (до 10 мм в поперечнике) называются миндалинами, крупные – жеодами.

Конкреции – образования более или менее округлой формы. Возникают в результате стяжения минерального вещества вокруг какоголибо центра кристаллизации. При этом рост кристаллов идет, в отличие от секреции, от центра к периферии. В результате часто имеют радиальнолучистое или концентрическое (скорлуповатое) внутреннее строение. Встречаются обычно в рыхлых осадочных породах – глинах и песках. Примером могут служить конкреции фосфоритов, сидеритов и др. Размеры этих образований от миллиметров до десятков сантиметров. Оолиты- мелкие (до 5-10 мм) округлые образования обычно концентрического строения, близкие к конкрециям. Возникают при выпадении минерального вещества в подвижной водной среде (водных потоках, прибрежной полосе морей и озер). Сцементированные скопления оолитов образуют минеральные агрегаты оолитового строения и характерны для бокситов, железных и марганцевых руд (морского и озерного происхождения). Натечные образования – минеральные агрегаты, образующиеся в пустотах горных пород путем кристаллизации минерального вещества из просачивающихся подземных вод при медленном испарении последних. Имеют вид сосулек, почек, гроздей и др. и обычно концентрическое строение. Натеки, свисающие со сводов пустот, называются сталактитами, растущие вверх со дна пустот – сталагмитами. В натечных формах встречаются минералы: кальцит, лимонит, халцедон, опал, малахит и др. Наиболее известны сталактиты и сталагмиты кальцита, образующиеся в карстовых пещерах среди известняков. Иногда на поверхности горных пород и почв наблюдаются тонкие пленки минералов, называемые налетами, выцветами, корочками. Чаще всего это хорошо растворимые минералы, например, галит, гипс и др. Иногда минералы принимают несвойственную им форму создавая точную копию другого минерала. Также формы называются псевдоморфозами («псевдо»- чужой, «морфос»-форма). Характерным примером являются псевдоморфозы лимонита по пириту, представляющие собой кристаллы кубической формы полностью окисленного и перешедшего в лимонит пирита. Часто встречаются также псевдоморфозы гипса по каменной соли, халцедона по дереву и др., в которых органическое вещество целиком замещается минеральным, но при этом сохраняются все особенности первоначальной формы.

7. Литература Основная: 1. Лебедева Н.Б. Пособие к практическим занятиям по общей геологии. – М.: МГУ, 1972 2. Павлинов В.Н., Михайлов А.Е., Кизевальтер Д.С. и др. Пособие к лабораторным занятиям по общей геологии. – М.: Недра, 1988 Дополнительная: 1. Булах А.Г. Минералогия с основами кристаллографии: Учебник для ВУЗов. – М.: Недра,1989. 2. Миловский А.В., Кополов О.В. Минералогия. – М.: МГУ, 1982.