Раздел 1. Минералы и горные породы

1.1. Минералы.

Студенты специальности АД должны четко себе представлять, что дорожное строительство и вся хозяйственная деятельность человечества связана с верхней частью земной коры. Земная кора сложена горными породами, которые являются естественными образованиями, возникшими в определенных условиях, и представляющих собой закономерные агрегаты, или скопления минералов. Минералы – это химические соединения или отдельные химические элементы, возникающие в результате естественных физико-химических процессов, протекающих в земной коре. Наука, занимающаяся изучением минералов, называется минералогией, а наука о горных породах – петрографией.

Элементарные сведения о минералах.

Минералы могут быть твердые, жидкие, газообразные. Твердые минералы делятся на аморфные и кристаллические. Большинство минералов в природе встречается в виде кристаллов. Каждый минерал имеет свою определенную кристаллографическую форму, обусловленную расположением в нем ионов или атомов в строго определенном, характерном для данного вещества порядке, кристаллической решетке.

Кристаллическая решетка минерала устанавливается при помощи рентгеноструктурного анализа. Так, для галита (поваренной соли) кристаллическая решетка имеет форму куба.

Кристаллы – это твердые тела, которые благодаря кристаллической решетке приобретают форму многогранников. Кристаллы образуются в земной коре в результате природных физико-химических процессов и могут быть получены в лабораторных условиях. Наука, изучающая кристаллы называется кристаллографией.

Аморфные минералы не имеют кристаллической решетки. Они изотропны, то есть, обладают свойствами, одинаковыми во всех направлениях. Свойства кристаллических веществ (прозрачность, угол преломления, твердость и т. д.) не одинаковы в различных направлениях, то есть для них характерно явление анизотропии.

Кристаллы ограничиваются плоскостями, называемыми гранями. Линии пересечения граней называются ребрами, а точки пересечения ребер – вершинами.

Кристаллы в большей или меньшей степени могут характеризоваться симметричностью. Степени симметричности характеризуются количеством элементов симметрии. Они следующие: центр симметрии (или центр инверсии) – это точка, отстоящая на равном расстоянии от противоположных частей кристалла; ось симметрии – воображаемая ось, при повороте вокруг которой на определенный угол кристалл занимает то же положение, что и до поворота; плоскость симметрии – поверхность зеркального отражения, или воображаемая плоскость, которая делит кристалл на две зеркально-равные части.

По форме кристаллов и характеристике их элементов симметрии выделяют шесть кристаллографических систем или сингоний (табл. 1.1). Форма кристалла является одним из важнейших диагностических признаков.

Благодаря кристаллической решетке минералы формируются в виде кристаллов не только разной формы, но и неодинаковой величины. Так, кристаллы полевого шпата могут превышать в длину 10-15 м, кристаллы кварца достигают 1 м и более, а в других случаях кристаллы тех же минералов можно разглядеть только под микроскопом.

Минералы подразделяются на породообразующие и акцессорные. Первые встречаются в горных породах часто и составляют при этом основную часть пород. Например, кварц и полевой шпат в граните. Вторые встречаются в породах значительно реже и по содержанию являются второстепенными, составляя в породе менее 8 %.

При диагностике (определении) минералов в полевых условиях используются их важнейшие физические свойства.

Минералы встречаются в природе либо в виде скоплений минеральных зерен, называемых минеральными агрегатами, либо, реже, в виде отдельных кристаллов или закономерных их сростков. Характер агрегатов зависит главным образом от условий их образования.

Морфология. Кристаллы минералов могут быть изометричными, то есть могут быть развиты примерно одинаково во всех трех направлениях пространства (пирит, магнетит); могут быть вытянуты в одном направлении, образуя призматические, столбчатые, шестоватые, игольчатые формы (роговая обманка, аквамарин, турмалин); вытянуты в двух направлениях (слюда, гематит) и образовывать переходные формы.

В природе минералы обычно встречаются в виде агрегатов, среди которых распространены следующие:

1. Зернистые агрегаты – скопления минеральных зерен, имеющих, в отличие от кристаллов, более или менее неправильную форму. Такие агрегаты образуются при одновременном выпадении из расплава или раствора массы кристаллов минералов. Одновременный рост каждого из этих первоначально очень маленьких зародышевых кристалликов приводит к тому, что кристаллические зерна не могут полностью образовывать свойственный им многогранник и принимают форму того свободного пространства, которое было в их распоряжении. Зернистые агрегаты встречаются в природе очень часто. Если агрегат состоит из зерен какого-либо одного минерала, он называется мономинеральным, если агрегат включает зерна нескольких различных минералов – он носит название полиминерального. В зависимости от условий, в которых происходило образование агрегата, изменяется величина слагающих его зерен. Агрегаты с размером зерен более 5 мм в поперечнике называются крупнозернистыми. К среднезернистым относятся агрегаты с размерами зерен от 1 до 5 мм, к мелкозернистым, тонкозернистым и землистым – агрегаты, состоящие из более мелких зерен.

Таблица 1.1. Кристаллографические системы

Наименование системы.	Характеристика осей.	Число плоскостей симметрии.	Характерные минералы.
Кубическая.	Три равные оси, расположенные под прямым углом.	9	Гранат, пирит, галит, флюорит.
Гексагональная.^х)	4 оси: 3 равные горизонтальные, расположенные равномерно под углом 120° одна к др., и одна вертикальная.	7	Кварц, кальцит, апатит.
Тетрагональная.	Три оси под прямым углом: 2 горизонтальные равные.	5	Циркон, касситерит, везувиан.
Ромбическая.	Три оси разной величины расположены под прямым углом.	3	Оливин, топаз, барит.
Моноклинная.	Три оси разной величины. Одна горизонтальная ось – под прямым углом к вертикальной. Третья – наклонная.	1	Гипс, ортоклаз, слюда, авгит, (пироксен)
Триклинная.	Три оси разной величины образуют углы не равные 90°.	нет	Плагиоклазы (альбит, анортит и др.).

x) Гексагональную систему делят на две подсистемы: собственно гексагональную и тригональную.

2. Друзы – сростки более или менее правильных кристаллов, приросших одним концом к породе. Образуются при росте кристаллов в относительно свободном пространстве – в открытых трещинах, пустотах, пещерах. Если в друзе кристаллы параллельны и соприкасаются друг с другом, такая форма носит название кристаллической щетки.

3. Двойники – закономерные сростки двух и более кристаллов. Например, минерал гипс часто образует двойники – “ласточкин хвост”, а плагиоклазы – сложные полисинтетические двойники, след от которых виден на плоскостях спайности в виде параллельной двойниковой полосчатости или штриховки.

4. Дендриты представляют собой плоские, в виде пленки, сростки кристаллов, напоминающие ветвящиеся тонкие ростки мха. Они образуются в результате быстрой кристаллизации минералов обычно в тонких трещинах. Дендриты марганца (псиломелана) иногда ошибочно принимают за отпечатки растений.

5. Секреции возникают при заполнении минералами пустот в породе. Они имеют обычно концентрическое строение: порции минерального вещества последовательно осаждаются на стенке полости, постепенно заполняя ее от периферии к центру. Если вся полость оказывается заполненной минеральным веществом, то центральная часть секреции часто имеет радиально-лучистое строение. Если минерального вещества не хватает для заполнения всей пустоты, в центре секреции сохраняется полость. Мелкие секреции (до 10 мм в поперечнике) называются миндалинами, крупные – жеодами.

6. Конкреции представляют собой агрегаты более или менее округлой формы и являются результатом отложения минерального вещества вокруг какого-либо центра кристаллизации. Строение конкреций часто бывает радиально-лучистым, а также концентрическим (скорлуповатым).

7. Оолиты – мелкие (до 10 мм в поперечнике) округлые образования концентрического строения, близкие к конкрециям. Они возникают при выпадении минерального вещества в движущейся воде. Иногда оолиты имеют органогенное происхождение.

8. Натечные образования – минеральные агрегаты, образующиеся в пустотах путем выпадения кристаллических зерен из растворов при медленном испарении последних. Имеют различную форму (почковидную, гроздевидную, сосульковидную) и обычно концентрическое строение. Натеки, свисающие со сводов пустот, называются сталактитами, а поднимающиеся к ним навстречу со дна пустот – сталагмитами.

Встречаются также небольшие налеты, примазки, выцветы, покрывающие тонкой пленкой стенки трещин в породах.

Цвет минерала обычно не является определяющим признаком и может быть использован, главным образом, в совокупности с другими свойствами. Окраска минерала зависит от разных причин. Она обуславливается химическим составом минерала, особенностями его структуры, наличием незначительных примесей, сильно изменяющих окраску, но не влияющих на другие свойства минерала. В связи с этим, один и тот же минерал может иметь различную окраску, например известен кварц бесцветный, розовый, фиолетовый, бурый, серый, черный и др. С другой стороны, различные минералы могут быть окрашены в одинаковый цвет.

Описывая минерал, следует стремиться к возможно более точному и ясному определению цвета, сравнивая его с цветом общеизвестных предметов, например молочно-белый, лимонно-желтый и т. д.

Цвет минерала в порошке или цвет черты может совпадать с цветом его в куске (магнетит в куске и в порошке черный), но может от него отличаться (пирит золотисто-желтый в куске и черный в порошке). Для непрозрачных и сильноокрашенных слабо прозрачных минералов цвет порошка служит важным диагностическим признаком. У прозрачных и большинства просвечивающих минералов порошок бесцветный или слабоокрашенный.

Для определения цвета порошка минерала обычно проводят им по шероховатой поверхности неглазированной фарфоровой пластинки, называемой бисквитом, на которой остается черта, определяющая цвет порошка минерала.

Блеск является результатом отражения света от поверхности минерала и, следовательно, зависит то его показателя преломления, способности поглощать свет и от характера отражающей поверхности.

По блеску минералы делятся на две группы. В первую входят минералы с металлическим блеском, поверхность которых в отраженном свете напоминает блеск поверхности металла. Таким блеском обладают непрозрачные минералы, такие, как самородные металлы, многие сульфиды, окиси железа. Сильный металлический блеск иногда затрудняет определение цвета минерала.

Ко второй, более обширной, группе относятся минералы с неметаллическим блеском. Различают следующие виды блеска:

металловидный (полуметаллический), напоминает блеск потускневшей поверхности металла. К таким минералам относится графит;

алмазный – самый интенсивный блеск, свойственный немногим прозрачным или просвечивающим минералам (алмаз, сфалерит и др.);

стеклянный – напоминает блеск поверхности стекла, характерен для ровных поверхностей большинства прозрачных или просвечивающих минералов (горный хрусталь, кальцит, галит и др.);

жирный – блеск, при котором поверхность минерала кажется как бы смазанной тонкой пленкой жира. Он обусловлен некоторым рассеиванием отраженных от неровной поверхности лучей; встречается на изломе самородной серы, кварца, нефелина и др.;

перламутровый – минерал блестит как перламутровая поверхность раковины; возникает вследствие отражения света от плоскостей спайности и тонких внутренних трещинок, наблюдается у слюды, гипса и др.;

шелковистый – напоминает блеск шелковых ниток; присущ минеральным агрегатам, обладающим волокнистым строением с параллельной ориентировкой волокон, как например, селенит и асбест;

некоторые скрытокристаллические и аморфные агрегаты, например иногда кремень, имеют восковой блеск. У землистых минеральных агрегатов с мелкопористой поверхностью блеск бывает матовым.

Прозрачность. По этому признаку выделяют минералы:

непрозрачные, то есть не пропускающие световых лучей даже в очень тонкий пластинках; обладают металлическим и металловидным блеском и дают черную или темноокрашенную черту. К ним относятся самородные металлы, многие сульфиды, окислы железа и др.;

прозрачные, пропускающие свет подобно обычному стеклу (горный хрусталь, чистый кальцит и др.);

полупрозрачные, пропускающие свет, подобно матовому стеклу (халцедон, гипс, иногда опал и др.);

просвечивающие только в тонкой пластинке (по тонкому краю). К ним относятся многие минералы: полевые шпаты, многие карбонаты, кремень и др.

Тонкозернистые агрегаты обычно кажутся непрозрачными, так как луч света в них многократно преломляется от различно ориентированных зерен.

Излом. Раскалывая различные минералы, можно заметить, что образующаяся при этом поверхность различна.

Иногда она может быть гладкой, вогнутой или выпуклой, с концентрической ребристостью, напоминающей поверхность раковины. Отсюда и название такого излома - раковистый. Он наблюдается у кварца, кремня и др. при малых размерах искривленных поверхностей выделяют мелкораковистый излом (сера и др.).

В других случаях минерал раскалывается по неровной поверхности, образуя неровный излом (некоторые поверхности полевых шпатов и др.).

Иногда в образце излом отдельных минеральных зерен не виден и тогда дается характеристика излома агрегата. У длинностолбчатых или волокнистых агрегатов на поперечном изломе образуются занозистые или игольчатые поверхности (асбест, роговая обманка). Излом зернистых агрегатов – зернистый, тонкозернистых – землистый.

Спайность – одна из разновидностей излома. Спайностью называется способность минералов раскалываться по плоскостям. Это свойство проявляется в направлениях, параллельных тем, в которых в кристаллической решетке существуют наименьшие силы сцепления между частицами.

В зависимости от того, насколько резко выражена спайность, выделяют следующие её степени:

весьма совершенная спайность – способность минерала очень легко расщепляться на отдельные пластинки с гладкими блестящими параллельными поверхностями – плоскостями спайности. Наиболее типичный пример – слюды;

совершенная спайность выражается в том, что легко, при ударе молотком, раскалывается по ровным плоскостям. Такой спайностью обладает кальцит и др.;

средняя спайность выделяется а тех случаях, когда минерал при ударе одинаково часто раскалывается по плоскостям спайности и с образованием неровных изломов. Такая спайность наблюдается иногда у полевых шпатов.;

несовершенная спайность выражается в появлении на общем фоне неровного излома редких участков сколов по плоскостям спайности. У минералов с несовершенной спайностью при макроскопическом изучении изломов плоскостей спайности заметить почти не удается. К ним относятся, например, апатит.;

весьма несовершенная спайность представляет собой практически отсутствие спайности. Излом минералов, обладающих весьма несовершенной спайностью, всегда или неровный, или ,часто, раковистый. Весьма несовершенную спайность имеет один из наиболее распространенных минералов – кварц. При макроскопическом изучении различать несовершенную спайность и весьма несовершенную спайность не удается и в этом случае ограничиваются общим определением - несовершенная спайность.

Твердость. Важным свойством, используемым при определении минералов, является их твердость, т. е. способность противостоять внешнему механическому воздействию. Определяют твердость минералов путем их шлифования, вдавливания и царапанья. Обычно в минералогии определяется относительная твердость путем царапания одним минералом другого. Для определения этой твердости пользуются шкалой твердости Мооса, в которую входит 10 минералов-эталонов, относительно которых определяется твердость всех других минералов. В этой шкале твердости минералы располагаются в порядке увеличения твердости, так что первый минерал обладает самой низкой твердостью, принятой за 1, а последний самой высокой, принятой за 10 (табл. 1.2)

Каждый минерал из шкалы твердости царапает вышестоящие, менее твердые минералы, а последующие, более твердые, оставляют царапину на нем. Для определения твердости любого исследуемого минерала на его поверхности выбирают гладкую площадку и, нажимая, проводят по ней острым углом минерала из шкалы твердости. Если на исследуемом минерале остается царапина, то его твердость будет меньшей, чем у царапавшего минерала; если царапина отсутствует, то твердость первого больше. Это испытание проводят до тех пор, пока исследуемый минерал не встанет в интервале между двумя минералами из шкалы твердости, т.е. твердость его не определится как промежуточная между ними или как равная одному из них. Если образцов шкалы Мооса под руками нет, можно воспользоваться менее точным, но также достаточно надежным способом определения твердости минералов по следующей шкале:

Графит и мягкий карандаш………………………… 1

Ноготь……………………………………………….. 2-3

1-5 копеечная монета……………………………….. 2,5

10-20 копеечная монета…………………………….. 3,5

Железный гвоздь……………………………………. 4

Стекло………………………………………………... 5

Стальной нож, игла…………………………………. 6

Кварц, кремень или напильник…………………….. 7

Таблица 1.2. Шкала твердости.

Название минерала.	Формула.	Твердость.
Тальк…………………………	Mg3(OH)2[Sl4O10]	1
Гипс………………………….	CaSO4·2H2O	2
Кальцит……………………...	CaCO3	3
Флюорит……………………..	CaF2	4
Апатит……………………….	Ca3[PO4]3(F, OH, Cl)	5
Ортоклаз…………………….	K[AlSi3O8]	6
Кварц………………………...	SiO2	7
Топаз…………………………	Al2(F, OH)2[SiO4]	8
Корунд………………………	Al2O3	9
Алмаз………………………..	C	10

х) Твердость талька, определенная на микротвердометре, равна 2,4 кг/мм², а алмаза 10600 кг/ мм².

Минералы с твердостью меньше 3 и выше 7 встречаются очень редко. В полевой практике принято делить все минералы по твердости на четыре группы:

мягкие – с твердостью до 3 – царапаются ногтем;

средней твердости – с твердостью от 3 до 5 – не царапаются ногтем и не оставляют царапины на стекле;

твердые – с твердостью 5-7 – не царапаются стеклом и не оставляют царапины на кварце, кремне, горном хрустале;

очень твердые минералы – с твердостью выше 7 – оставляют царапину на горном хрустале.

Удельный вес. Для точного определения удельного веса необходимо иметь мерный сосуд, жидкость (воду) и лабораторные весы. Такое определение производится, как правило, в лабораторных условиях. При описании физических свойств для определения удельного веса наиболее широко распространенных породообразующих минералов достаточно бывает установить относительный удельный вес (приближенно), что и достигается путем “взвешивания” минерала на ладони. Этот способ позволяет распределить минералы на три группы: легкие, с удельным весом до 2,5 (гипс, нефелин, сера, галит, нефть, каменный уголь, графит, опал); средние, с удельным весом от 2,5 до 4 (кальцит, кварц, полевые шпаты, слюда, доломит, сидерит, флюорит, корунд, сфалерит, лимонит, магнезит, ангидрит, фосфор, роговая обманка, хлорит); тяжелые, с удельным весом выше 4 (барит, рудные минералы железа, меди и свинца). Затруднения в определении удельного веса возникают в том случае, если исследуемый минерал представлен порошком или небольшим образцом, или же находится в форме вкраплений в породе. В этом случае нужно иметь в виду, что почти все прозрачные и молочно-белые минералы имеют удельный вес меньше 3, а минералы с металлическим блеском и железосодержащие являются тяжелыми. Большинство породообразующих минералов с иными признаками характеризуются среднем удельным весом.

Магнитность – свойство, присущее некоторым железосодержащим минералам, выражающееся в том, что минерал отклоняет магнитную стрелку, а мелкие частицы его притягиваются магнитом (магнитным железняком, магнетитом, магнитным колчеданом, пирротином и т. д.).

Побежалость – особенность отдельных минералов покрываться с поверхности тонкой радужной пленкой. При этом цвет пленки всегда отличается от цвета минерала. Побежалость выражается очень сложным сочетанием сине-голубого, красноватого и фиолетового цветов. Она присуща только некоторым минералам, содержащим медь и железо, таким, как халькозин (медный блеск), железный блеск (гематит), халькопирит.

Вкус. Отдельные минералы легко растворяются в воде и при опробовании вызывают различные вкусовые ощущения. Так, галит вызывает соленый вкус, сильвин – горько-соленый, карналлит – горький, медный купорос – вяжущий, селитра – жгучий и т. д.

Вскипание от действия соляной кислоты проявляется у отдельных минералов из группы карбонатов. Реакцию на вскипание проводят обычно разбавленным (5-10%) раствором соляной кислоты. Некоторые минералы начинают разлагаться в кусках при действии холодной соляной кислоты (кальцит, сидерит), другие – реагируют с соляной кислотой лишь в порошке (доломит), третьи – вступают в реакцию только с согретой соляной кислотой (магнезит). Вскипание определяется капанием из пипетки на минерал 5-10% раствора соляной кислоты.