2488

2488	Министерство транспорта Российской Федерации
	Федеральное агентство железнодорожного транспорта

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра «Строительные конструкции и материалы»

ИЗУЧЕНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ ПОРОДООБРАЗУЮЩИХ МИНЕРАЛОВ

Методические указания к выполнению лабораторной работы № 1 по дисциплине

«Инженерная геология» для студентов специальностей 270201 – «Мосты и транспортные тоннели»,

270204 – «Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство» очной и заочной форм обучения

Составитель: С.Е. Власова

Самара

2010

1

УДК 624.131.1

Изучение и определение свойств породообразующих минералов : методические указания к лабораторной работе № 1 по дисциплине «Инженерная геология» для студентов специальностей 270201 – «Мосты и транспортные тоннели», 270204 – «Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство» очной и заочной форм обучения / составитель : С. Е. Власова. – Самара : СамГУПС, 2010. – 38 с.

Утверждены на заседании кафедры «Строительные конструкции и материалы», 27 января 2010 г., протокол № 5.

Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Методические указания составлены в соответствии с программой курса «Инженерная геология». Данная лабораторная работа предназначена для закрепления теоретических знаний, полученных на лекциях студентами вуза.

Составитель: Власова Светлана Евгеньевна

Рецензенты: канд. техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Строительные конструкции и материалы» И. Е. Сеськин (СамГУПС); доцент кафедры «Путь и строительство железных дорог» Н. И. Васичкин (СамГУПС)

Редактор И. М. Егорова Компьютерная верстка Е. А. Самсонова

Подписано в печать 11.02.2010. Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 2,4. Тираж 200 экз. Заказ № 11.

♥ Самарский государственный университет путей сообщения, 2010

2

ВВЕДЕНИЕ

Освоение раздела «Минералы» является начальным этапом дисциплины «Инженерная геология», изучение которой предшествует освоению курса «Механика грунтов» и «Основания и фундаменты». Важная составляющая курса инженерной геологии – лабораторные занятия, на которых студенты знакомятся с начальными сведениями о свойствах минералов, их формах нахождения в природе, методах определения и классификации.

Таким образом, методические указания дополняют лекционный курс сведениями, помогающими студентам овладеть на практике определением минералов, что поможет в будущем инженеру-строителю самостоятельно решать задачи, связанные с оценкой геологических особенностей строительства, и использовать полученные знания для организации изыскательских, проектных и строительных работ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИЗУЧЕНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ ПОРОДООБРАЗУЮЩИХ МИНЕРАЛОВ

Цель работы: изучить и определить свойства главнейших породообразующих минералов макроскопическим методом; определить и описать минералы, предложенные преподавателем.

Необходимые принадлежности: лупа, компас или магнит, подручные средства (стальной стержень, стекло, монета), фарфоровая пластина (бисквит), 5%-ный раствор соляной кислоты, шкала твёрдости Мооса, коллекция породообразующих минералов, минералы-эталоны.

Минералами (от греч. minera – руда) называют природные тела, состоящие из одного химического элемента (сера S, алмаз С, золото Au и т. д.), либо из соединений ряда химических элементов (кварц SiO2, пирит FeS2; слюда KAl2[AlSi3O10](OHF)2 и т. д.).

В настоящее время в природе известно около 3 000 минералов, основную массу горных пород составляют около 100 минералов, их называют породообразующими.

Большинство минералов – твёрдые тела (кварц, малахит, поваренная соль). Однако известны жидкие (ртуть, вода) и газообразные (метан, сероводород).

Мы будем изучать только твёрдые минералы, которые по своему строению бывают

кристаллическими (98 %), скрытокристаллическими и аморфными.

Минералы образуются на поверхности Земли и в различных областях земной коры в результате физико-химических процессов, обусловленных сочетанием давления, температуры и концентрации вещества.

Минералы, образованные эндогенным путём, могут иметь разнообразный

генезис:

- магматогенный – возможность кристаллизоваться из магматических расплавов при разных температурах; разновидностью является пегматитовое минералообразование, при котором минералы выделяются на заключительных стадиях из

3

остаточных расплавов, обогащённых глинозёмом, кремнезёмом, щелочами и летучими компонентами;

- гидротермальный (от греч. hidor – вода, therme – тепло) – минералы выделяются из остывающих растворов, по температуре растворов процесс минералообразования подразделяется на высокотемпературный (более 400–300 ºС),

среднетемпературный (300–150 ºС) и низкотемпературный (150–50 ºС);

- пневматолитовый (от греч. pneumatos – дуновение, воздух; lithos – камень) –

минералы кристаллизуются из паров и газов, минуя жидкую фазу;

- метаморфический (от греч. metamorphosis – превращение) – минералы образуются в результате изменения ранее сформировавшихся минералов в результате воздействия повышенных температур и давления и при участии гидротермальных растворов. Разновидностью генезиса является метасоматическое минералообразование (от греч. meta – после, через и soma – тепло) в результате замещения ранее сформированных минералов путём миграции химических элементов; контактовометаморфическое происхождение – образование минералов в результате взаимодействия магматических расплавов и вмещающих пород; частные случаи: скарновое (от швед. skarn – грязь, отбросы) – образование минералов в результате контакта магматических расплавов и карбонатных пород; импактное (от англ. impact – удар) возникновение и преобразование минералов в результате бомбардировки метеоритами пород поверхности Земли и планет земной группы.

Экзогенное минералообразование связано с выпадением кристаллов из перенасыщенных растворов, с жизнедеятельностью различных организмов, с

окислением, гидратацией, гидролизом и прочими реакциями, изменяющими ранее сформированные минералы, попавшие в зону воздействия атмосферы, гидросферы и биосферы, то есть в зону выветривания.

Для того чтобы распознать минералы в полевых условиях или в условиях, приближённых к полевым, то есть не прибегая к специальным методам минералогического исследования и оборудованию, необходимо знать и уметь определить макроскопическим методом весь комплекс свойств, которые можно использовать как диагностические признаки. При этом не всегда можно однозначно сделать вывод о генезисе, так как многие минералы могут образовываться различными путями.

Рассмотрим наиболее важные из этих свойств.

1. СВОЙСТВА ПОРОДООБРАЗУЮЩИХ МИНЕРАЛОВ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ЦВЕТ – важная диагностическая характеристика, но её бывает недостаточно для идентификации минерала.

Минералы бывают бесцветными, прозрачными; обладают разнообразной окраской с различными оттенками, сменой окраски пятнами и полосами, что зависит, главным образом, от химического состава самого минерала, внутренней структуры, а также от механических примесей элементов-хромофоров: железа, меди, никеля, кобальта, хрома,

урана, титана, ванадия, марганца, алюминия, урана, молибдена и др., твёрдых включений, трещинок, пузырьков газа.

Однако для многих минералов окраска не является постоянным фактором.

4

Ряд минералов меняют свой цвет в зависимости от примесей и условий образования. Так, широко распространённый минерал кварц может быть: молочнобелый, розовый, дымчатый – раухтопаз, бесцветный – горный хрусталь, чёрный –

морион, фиолетовый – аметист и т. д.

Минералу лазуриту присутствие меди даёт синюю окраску, а малахиту – зелёную. Многие минералы получили своё название по цвету: родонит – розовому (греч. родон – роза), аурипигмент – золотисто-жёлтому (аурум – золото, пигмент – окраска) и т. д.

Например, ложная окраска, связанная с интерференцией световых волн при прохождении сквозь микроскопические параллельно ориентированные пластинки или трещины на поверхности минерала, называется иризацией (от греч. iridos – радуга). Вспыхивающие на чёрном фоне ярко-синие пятна на поверхности полевого шпата лабрадора, обусловлены этим явлением.

Изменять окраску минерала может возникающая на его поверхности в результате окисления разноцветная плёнка, так называемая побежалость (халькопирит с малиново-

жёлто-сине-зелёной плёнкой).

По окраске все минералы в целом подразделяются на тёмноцветные и светлоцветные.

ЦВЕТ ЧЕРТЫ – цвет минерала в тонком порошке.

Многие минералы имеют различный цвет в свежем сколе и в растёртом виде. Определяют цвет черты, проводя куском минерала по шероховатой поверхности белой фарфоровой пластины (бисквит) при условии, что твёрдость минерала меньше 6, так как твёрдость фарфора 5,5–6 (если наоборот, минерал оставляет царапину на фарфоре).

ПРОЗРАЧНОСТЬ – способность минералов пропускать свет без изменения направления при его распространении. По степени прозрачности минералы подразделяются на следующие:

-прозрачные (горный хрусталь, кальцит, топаз);

-полупрозрачные (халцедон, опал, гипс волокнистый);

-просвечивающие, т. е. пропускающие свет в очень тонких пластинках или по тонкому краю (слюда, полевые шпаты);

-непрозрачные (серпентин, рудные минералы).

БЛЕСК – важный диагностический признак, зависящий от интенсивности минерала отражать свет от своей поверхности. Минералы делятся на три группы по блеску:

-с металлическим блеском (галенит, сидерит, пирит);

-с полуметаллическим блеском, то есть имеют цвет потускневшего металла

(графит);

-с неметаллическим блеском:

алмазный (сера, алмаз); стеклянный (гипс пластинчатый, лабрадор, кварц, кальцит, флюорит);

жирный, смолистый возникает за счёт неровностей излома или грани, а также за счёт гигроскопичности – поглощения воды с образованием водяной плёнки на поверхности (кварц на изломе, нефелин);

восковый (кремень, опал);

перламутровый (слюда);

шелковистый (гипс-селенит, асбест); матовый (каолин, яшма, лимонит).

5

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

СПАЙНОСТЬ – диагностическое свойство минералов раскалываться или расщепляться по зеркально ровным плоскостям в одном (слюды), в двух (полевые шпаты), в трёх (по кубу каменной соли) и более направлениях.

Разрушение происходит по тем направлениям, по которым в кристаллической решётке существуют наиболее слабые связи. Если минерал имеет спиральное расположение частиц в решётке, то раскалываться он не будет, то есть спайность у него отсутствует.

По лёгкости раскалывания и характеру образуемых поверхностей спайность проявляется с разной степенью совершенства:

весьма совершенная – минералы легко делятся на пластины с параллельными поверхностями (слюда, графит, гипс пластинчатый);

совершенная – при ударе минерал раскалывается на обломки правильной формы

(кубы галита – каменной соли, ромбоэдры кальцита, галенит, флюорит, рис. 1);

средняя – осколки минерала ограничены как плоскостями спайности, так и неправильной поверхностью скола (полевые шпаты, роговая обманка);

несовершенная – образование большинства поверхностей с неровным изломом, частичное присутствие плоскостей спайности (пирит, сера, апатит, фосфорит);

весьма несовершенная, или отсутствие спайности – минерал раскалывается по случайным поверхностям и всегда даёт неровную поверхность (яшма, магнетит, лимонит).

Рис. 1. Совершенная спайность, различная ориентировка и количество плоскостей спайности: 1 – спайность в одном направлении, слюда; 2 – спайность в двух взаимно перпендикулярных направлениях, ортоклаз; 3 – спайность в двух неперпендикулярных направлениях, амфибол; 4 – спайность в трёх взаимно перпендикулярных направлениях, галит;

5 – спайность в трёх неперпендикулярных направлениях, кальцит; 6 – спайность в четырёх направлениях, параллельных граням октаэдра, алмаз;

7 – спайность в шести направлениях, сфалерит

Нередко в одном и том же минерале различно ориентированные плоскости спайности имеют различную степень совершенства (мусковит весьма совершенный в одном направлении и несовершенный в другом).

ИЗЛОМ – неровная поверхность минерала, образующаяся при отколе. По форме различают:

6

-раковистый (горный хрусталь, кварц-кристалл);

-занозистый– уминераловсволокнистымстроением (гипс-селенит, асбест, хлорит);

-землистый – имеет матовую шероховатую поверхность (каолин, лимонит);

-зернистый – встречается у крупнозернистых агрегатов, рудных минералов

(галенит, пирит, халькопирит, апатит);

-крючковатый (самородные металлы: медь, железо);

-рубленый (самородное серебро);

-ступенчатый, если число направлений совершенной спайности 2 и более;

-ровный, если минералы обладают совершенной спайностью в 1, 2 направлениях;

-неровный (яшма, халцедон, тальк, нефелин).

ТВЁРДОСТЬ – это степень сопротивления поверхности минерала внешнему механическому воздействию (царапание, истирание, удар, сплющивание...).

Один из важнейших диагностических признаков, зависит от внутреннего строения

минерала и отражает прочность связей между узлами решётки в кристаллах.

Абсолютнаятвёрдостьопределяетсяприпомощиспециальныхприборов– склерометров. Для оценки относительной твёрдости минерала используется шкала, предложенная в начале прошлого столетия австрийским минералогом Ф. Моосом (1772– 1839). В шкале в качестве эталонов используются 10 минералов с известной и

постоянной твёрдостью.

Для определения относительной твёрдости минерала по его свежей поверхности с нажимом проводят острым углом минерала-эталона. Если эталон оставляет царапину, значит, твёрдость изучаемого минерала меньше твёрдости эталона, если не оставляет – твёрдость минерала больше. В зависимости от этого выбирают эталон выше или ниже по шкале до тех пор, пока твёрдости минерала и эталона совпадут или окажутся близкими, то есть оба минерала не царапаются друг другом.

В практике нередко прибегают к определению твёрдости при помощи распространённых предметов. Так, твёрдость карандаша 1, ногтя 2, медной монеты

3,5 ... 4,0; стекла 5, стального перочинного ножа 6, напильника 7. Минералы с большей твёрдостью встречаются очень редко.

Очень удобно использовать стальную иглу, так как её твёрдость приходится на середину шкалы Мооса, сразу становится ясно, вниз или вверх по шкале следует брать эталон. Кроме того, игла очень тонкая и длинная, чтобы исследовать очень маленькие и расположенные в углублениях образца минеральные выделения.

		Таблица 1
		Заменители минералов-эталонов
Минерал-	Балл твёрдости
эталон	по шкале Мооса	Мягкий карандаш оставляет царапину, легко чертится ногтём
Тальк	1
Гипс	2	Царапается ногтём
Кальцит	3	Медная монета оставляет царапину
Флюорит	4	Царапается стальным ножом
Апатит	5	Стальной нож оставляет ясную царапину, а минерал на ноже
		оставляет не ясную царапину. Эталон стекло не царапает
Ортоклаз	6	Нож оставляет едва заметную царапину. Полевой шпат царапает
		стекло
Кварц	7	Ножом не чертится. Кварц царапает стекло
Топаз	8	Режет стекло
Корунд	9	Царапает кварц
Алмаз	10	То же

7

ПЛОТНОСТЬ – важнейший диагностический признак. Для различных минералов колеблется от 0,9 до 21 г/см3. Точное определение плотности возможно в лабораторных условиях путем взвешивания на гидростатических весах или другим методом.

По плотности все минералы делятся на три категории:

-тяжёлые более 4 г/см3 (рудные минералы: галенит, пирит, гематит, магнетит; нерудные – барит);

-средние до 4,0 г/см3 (кварц, полевые шпаты, слюды, кальцит);

-лёгкие до 2,5 г/см3(сера, гипс, галит, нефть, уголь).

Определяют плотность минералов путём примерного взвешивания на ладонях рук. Обычно минералы сравнивают по плотности с кварцем или полевым шпатом, плотность которых известна (2,7–2,8 г/см3). Сравниваемые образцы должны быть одинакового объёма.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРИЗНАКИ

(облегчают решение диагностических задач)

- двойное лучепреломление (исландский шпат). Если через него рассматривать предмет, то возникает его двойное изображение за счёт раздвоения световых лучей;

- вкусовой признак (галит NaCl – солёный, сильвин КСl с горько-солёным вкусом);

-гигроскопичность – способность поглощать воду (галит, сильвин);

-магнитность присуща окислам железа: магнетиту, пирротину, платине и

другим минералам, действующим на магнитную стрелку компаса;

-реакция со слабым 5–10%-ным раствором соляной кислоты с выделением углекислого газа в виде пузырьков характерно для карбонатов (известняк, мел; доломит

впорошке с подогретой кислотой, кальцит бурно вскипает; магнезит в порошке с подогретой кислотой; сидерит с подогретой кислотой даёт бурый налёт хлорного железа; на мергеле остаётся грязное пятно);

-запах появляется у некоторых фосфатов и сульфидов при трении их друг другом

(сера при горении, арсенопирит издаёт запах чеснока);

-мылкие на ощупь (тальк, хлорит);

-ковкость – свойство минерала под давлением расплющиваться в тонкую пластину (нефрит);

-хрупкость – свойство минерала крошиться под давлением или при ударе (алмаз,

нефелин, гипс, апатит);

-люминесценция: флюорисценция – излучение света под ультрафиолетовыми лучами (флюорит); термолюминесценция – излучение видимого света при нагревании до 400–450 ºС (кальцит);

-опалисценция – рассеивание света (опал);

-кавернозное строение и натёчные формы (лимонит, сталактит, сталагмит,

сталагнат).

2.КЛАССИФИКАЦИЯ МИНЕРАЛОВ

Воснову современной классификации минералов положены кристаллохимические принципы, учитывающие химический состав и кристаллическую структуру минералов. Внутренняя структура минералов определяется в настоящее время рентгенометрическим методом. Сходные по составу и структуре минеральные виды

8

объединяют в группы, подклассы и классы. Крупнейшим систематическим подразделением является тип.

Класс I. САМОРОДНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Химические элементы, встречающиеся в природе в виде отдельных элементов или, как в случае металлов, в виде сплавов с другими металлами, называются самородными.

На сегодняшний день в природе известно более 30 самородных элементов, которые образуют минералы, представленные металлами: золото Аи, серебро Ag,

платина Pt, медь Cu, платиноиды и др.; полуметаллами: мышьяк, сурьма, висмут; неметаллами: алмаз, сера, графит, природные газы (водород, кислород, гелий и др.).

Роль самородных элементов в строении литосферы невелика, они составляют

0,1 % массы земной коры и не являются породообразующими минералами.

Алмаз

(от греч. аdamas – непреодолимый, первоначально так называли сталь)

химическая формула – С ;

твёрдость – 10, самый твёрдый, хрупкий; блеск – алмазный;

прозрачность – прозрачный, иногда от мутного до непрозрачного; цвет – бесцветный, белый, серый, жёлтый, синий, чёрный; может содержать

примеси оксидов Si, Mg, Ca, Fe, Al, Ti, а также включения других минералов; цвет черты – получить затруднительно из-за высокой твёрдости; излом – раковистый;

спайность – совершенная в четырёх направлениях, параллельных граням октаэдра;

плотность (г/см3) – 3,5;

практическое значение – чистые прозрачные алмазы являются ценнейшими драгоценными камнями, из которых после обработки получают бриллианты. Не ювелирные разновидности используют как абразивный и режущий материал при бурении, шлифовании, резке стекла и металлов.

генезис – первичное, магматическое – образуется в трубках взрыва. Встречается в специфических ультраосновных породах – кимберлитах; вторичное – накопление в россыпях;

формы выделения – кристаллы октаэдрической, додекаэдрической формы, часто со штриховкой на гранях, двойники срастания;

диагностические признаки – очень высокая твёрдость, алмазный блеск;

месторождения – Якутия (первичные и вторичные); западное Предуралье, Архангельская область (вторичные).

Графит

(от греч. grapho – пишу)

химическая формула – С; твёрдость – 1;

блеск – полуметаллический;

9

цвет – тёмный стально-серый, мокрого асфальта, железо-чёрный; цвет черты – от серого до чёрного; излом – мелкозернистый;

спайность – весьма совершенная в одном направлении;

плотность (г/см3) – 2,2;

практическое значение – применяют для изготовления карандашей, плавильных тигелей, электроприборов и др.;

генезис – образуется в изверженных горных породах, при восстановительных процессах в условиях высоких температур, а также может являться продуктом метаморфизма каменных углей, иногда встречается в метеоритах;

формы выделения – чаще всего мелкие шестиугольные кристаллики, слагающие плотные чешуйчатые, пластинчатые или землистые массы. Известна аморфная форма углерода – шунгит, образующаяся при метаморфизме каменного угля;

породы, содержащие минерал – мраморы, гнейсы, гранатовые породы; роль в составе горных пород – придает породе слоистость, листоватость;

диагностические признаки – жирный на ощупь, пачкает руки, пишет на бумаге;

месторождения – Восточные Саяны (Ботогольское), Каракалпакия (Тас-Казган), в низовьях Енисея (Ногинское и Курейское).

Сера

(происхождение названия неясно)

химическая формула – S; твёрдость – 1,5;

блеск – жирный, алмазный, просвечивает; цвет – жёлтый; цвет черты – слабый, светло-жёлтый; излом – раковистый;

спайность – несовершенная;

плотность (г/см3) – 2;

практическое значение – используют в резиновой и химической промышленности, в медицине, в электротехнике;

генезис – образуется при распаде сернокислых соединений в присутствии органических веществ, выделяется в кратерах вулканов из возгоняющихся паров и сероводорода, может образовываться при разложении сульфидов, а также может иметь осадочное биохимическое происхождение – образовываться благодаря жизнедеятельности серных бактерий;

формы выделения – кристаллы дипирамидальной формы, часто усечённые и образующие красивые друзы и щётки. Часто находится в мелкокристаллических скоплениях, землистых массах, в виде натёков и налётов;

породы, содержащие минерал – входит в состав минералов, образующих класс «Сульфиды»;

роль в составе горных пород – является вредной примесью в составе горных пород;

месторождения – Поволжье, пневматолитовые месторождения на Курильских островах.

10