Глава3 минеральный и петрографический состав земной коры

Земная кора сложена горными породами. Минералы входят в состав горных пород, хотя иногда создают и свои отдельные скопления. Прежде чем дать характеристику минералам и гор­ным породам, следует заметить, что в строительном производстве одновременно используют минеральные образования как природ­ного, так и искусственного происхождения. Поэтому после опи­сания минералов даются некоторые сведения по искусственным минералам, а после горных пород — по техническим каменным материалам. Минералы изучает наука минералогия,а горные по­роды —петрография.

Минералы

В настоящее время следует различать два вида минералов: 1) природного происхождения, рождение которых связано с про­цессами в земной коре; 2) искусственного происхождения, кото­рые возникли в процессе техногенной деятельности человека (в том числе и целенаправленной).

1. Природные минералы. Под этими минералами понимают минеральные образования, сформировавшиеся в результате геохи­мических процессов, протекающих в земной коре. Каждый мине­рал имеет определенный химический состав, структуру и свои физические свойства.

Иногда в земной коре минералы встречаются в виде самосто­ятельных скоплений, создавая ценные месторождения полезных ископаемых, но чаще входят в состав горных пород. Минералы определяют физико-механические свойства горных пород, по­этому с этой точки зрения представляют наибольший интерес для инженеров-строителей.

В земной коре содержится более 7000 минералов и их разно­видностей. Большинство из них встречаются редко и лишь не­многим более 100 минералов встречаются часто и в достаточно больших количествах, входят в состав тех или иных горных по­род. Такие минералы называют породообразующими.

Каждый минерал имеет определенное внутреннее строение и присущие только ему внешние признаки и характеризуется свои­ми свойствами (рис. 5). Все это обусловливается условиями тех геологических процессов, в которых рождаются минералы. Каж­дый минерал может существовать в природе лишь в определен­ных термодинамических условиях. При изменении этих условий минеральное тело видоизменяется или разрушается.

Происхождение минералов.Условия, в которых образуются ми­нералы в природе, отличаются большим разнообразием и слож­ностью. Различают три основных процесса минералообразования: эндогенный, экзогенный и метаморфический.

Эндогенный процесссвязан с внутренними силами Земли и проявляется в ее недрах. Минералы формируются из маг­мы — силикатного огненно-жидкого расплава. Таким путем образуются, например, кварц и различные силикаты. Эндогенные ми­нералы обычно плотные, с большой твердостью, стойкие к воде, кислотам, щелочам.

Экзогенный процесссвойственен поверхности земной коры. При этом процессе минералы формируются на суше и в море. В первом случае их создание связано с процессом выветривания, т. е. разрушительным воздействием воды, кислорода, колебаний температуры на эндогенные минералы. Таким образом образуют­ся глинистые минералы (гидрослюда, каолинит и др.), различные железистые соединения (сульфиды, оксиды и др.). Во втором случае минералы формируются в процессе выпадения химиче­ских осадков из водных растворов (галит, сильвин и др.). В экзо­генном процессе ряд минералов образуется также за счет жизне­деятельности различных организмов (опал и др.).

Экзогенные минералы разнообразны по свойствам. В боль­шинстве случаев они имеют низкую твердость, активно взаимо­действуют с водой или растворяются в ней.

Метаморфический процесс.Под воздействием высоких темпе­ратур и давлений, а также магматических газов и воды на неко­торой глубине в земной коре происходит преобразование мине­ралов, ранее образовавшихся в экзогенных процессах. Минералы изменяют свое первоначальное состояние, перекристаллизовыва- ются, приобретают плотность, прочность. Так образуются многие минералы-силикаты (роговая обманка, актинолит и др.).

Структура.Минералы обладают кристаллической структурой или бывают аморфными. Большинство минералов имеет кристал­лическое строение, в котором атомы расположены в строго опре­деленном порядке, создавая пространственную решетку. Благодаряэтому многие минералы внешне имеют вид правильных много­гранников (кристаллов). При­мером может служить кварц (рис. 6).

Рис. 6. Кристалл горного хрусталя (кварца)

Со строением и характером пространственной решетки свя­заны свойства кристаллических тел. Прежде всего минералы обладают однородностью строе­ния, состава и свойств, так как в каждой своей части, вплоть до размеров элементарной ячей­ки, они обладают одинаковым кристаллическим строением и химическим составом. Свойства минералов могут быть одинако­выми по всем направлениям (изотропные свойства) или раз­ными по различным направле­ниям (анизотропные свойства) (рис. 7).

Аморфные минералы не име­ют кристаллической структуры, по своим свойствам изотропны, и для них характерна неправильная внешняя форма.

Химический состав.Каждый минерал характеризуется опреде­ленным химическим составом. В отдельных случаях можно встретить минералы сходного химического состава, но они обяза­тельно имеют различное внутреннее строение, а следовательно, и различную внешнюю форму.

Химический состав кристаллических минералов выражается кристаллохимической формулой, которая одновременно показы­вает количественные соотношения элементов и характер их вза­имной связи в пространственной решетке. Примерами таких формул минералов являются: каолинит — ав­гит —. Химическая формула аморфных минералов отражает только 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, после нагревания гипса CaS0₄• 2Н₂0 остаетсяCaS0₄, называемый ангидритом. Химически связанная вода в виде (ОН) входит в пространственную решетку, например, глинистых минералов, и ее удаление приводит к разрушению минерала.

Физические свойства.Каждый минерал имеет определенные физические свойства. Главнейшими из них являются: внешняя форма, оптические характеристики (цвет, прозрачность, блеск), показатели твердости, спайность, излом, плотность.

Внешняя формаминералов разнообразна. В природных условиях они чаще всего приобретают неправильные очертания. Хорошо ограненные кристаллы встречаются сравнительно редко (рис. 8). Для многих минералов характерны также формы землистого обли­ка, агрегатных скоплений и др.

Цветдля очень многих минералов строго постоянен. Их условно разделяют на светлые (кварц, полевые шпаты, гипс, ка­льцит и др.) и темные (роговая обманка, авгит и др.).

Прозрачность— способность минералов пропускать свет. Вы­деляют три группы минералов: прозрачные (кварц, мусковит и др.), полупрозрачные (гипс, халцедон и др.) и непрозрачные (пи­рит, графит и др.).

Блеск— способность поверхности минералов отражать в раз­личной степени свет. Блеск может быть металлическим и неме­таллическим, который в свою очередь может быть стеклянным (силикаты), жирным (тальк), шелковистым (асбест) и т. д.

Твердость —способность минералов противостоять внешним механическим воздействиям. Каждому минералу присуща опреде­ленная твердость, которая ориентировочно оценивается по 10-балльной шкале твердости Мооса (табл. 3).

Рис. 8. Различные формы кристаллов минералов: а —минералы со спайностью;б—формы срастания минералов

Спайность— способность минералов раскалываться или рас­щепляться по определенным направлениям с образованием плос­костей раскола. Это свойство обусловлено внутренним строением кристаллов и не зависит от их внешней формы.

Излом характеризует поверхность разрыва и раскалывания минералов. Различают излом по спайности (кальцит), ракови­стый (кварц), землистый (каолинит) и др.

Плотностьминералов различна и колеблется в пределах от

0. 6 до 19 г/см³. Наиболее распространенные значения находятся в пределах от 2,5 до 3 г/см³.

Минералы могут обладать рядом других физических свойств: хрупкостью, плавкостью, магнитностью, вкусом, запахом и т. д. Для отдельных минералов эти свойства могут быть характерными признаками, например галит (поваренная соль) — соленый, сера имеет запах при горении и т. д.

Классификация минералов.Основана в основном на их хими­ческом составе. Все минералы разделяют на 10 классов (табл. 4).

Ниже дается краткая характеристика основных классов мине­ралов, которые имеют наибольшее распространение в земной ко­ре (рис. 9, 10, 11, 12, 13, 14).

Силикаты —наиболее многочисленный класс, включающий до 800 минералов, являющихся основной составной частью большин­ства магматических и метаморфических пород. Среди силикатов выделяют группы минералов, характеризующиеся некоторой об­щностью состава и строения,— полевые шпаты, пироксены, амфи­болы, слюды, а также оливин, тальк, хлориты и глинистые мине­ралы. Все они по своему составу алюмосиликаты (рис. 15).

Оксиды и гидроксиды.Эти два класса объединяют около 200 минералов, на их долю приходится до 17 % всей массы земной коры. Наибольшее распространение имеют кварц, опал и лимо­нит.

Карбонаты. Кним относятся более 80 минералов. Наиболее распространены кальцит, магнезит, доломит. Происхождение в основном экзогенное и связано с водными растворами. В кон­такте с водой они немного снижают свою механическую проч­ность, хотя и слабо, но растворяются в воде, разрушаются в кис­лотах.

Сульфаты.Этот класс объединяет до 260 минералов, проис­хождение которых связано с водными растворами. Характеризу­ются небольшой твердостью, светлой окраской. Сравнительно хо­рошо растворяются в воде. Наибольшее распространение имеют гипс и ангидрит. При соприкосновении с водой ангидрит перехо­дит в гипс, увеличиваясь в объеме до 33 %.

Сульфидынасчитывают до 200 минералов. Типичный предста­витель пирит. Сульфиды в зоне выветривания разрушаются, по­этому их примесь снижает качество строительных материалов.

Галоидысодержат около 100 минералов. Происхождение свя­зано в основном с водными растворами. Наибольшее распростра­нение имеет галит. Может быть составной частью осадочных по­род, легко растворяется в воде.

Минералы классов фосфатов, вольфраматовисамородных эле­ментоввстречаются гораздо реже, чем другие.

Радиоактивность минералов.Различные радиоактивные хими­ческие элементы (²³⁸U,²³²Th,Raи др.) содержат 97 природных

а

минералов. В минералах техногенных материалов могут присутст­вовать также искусственно созданные радиоактивные химические элементы — технеций, прометий, нептуний и др. Минералы и материалы с содержанием радиоактивных элементов дают излуче­ние, интенсивность которого зависит от типа и количества этих элементов. Покажем это на примерах.

1. Минералы: эшинит содержит ²³²Thдо 30%, малое излуче­ние; пирохлор —²³⁸Uдо17%,большое излучение.

2. Минералы с различным содержанием ²³⁸U: уранит — до 30 %, малое излучение; торбернит — до 60 %, большое излучение; карбонит — до 64 %, большое излучение.

Радиоактивные минералы наиболее часто присутствуют в гра­нитах и глинах, которые могут иметь довольно высокую «фоно­вую» радиоактивность, в то время как известняки и кварцевый песок обычно имеют низкую радиоактивность.

2. Искусственные минералы. В результате производственной деятельности человеком создано более 150 искусственных мине­ралов. В настоящее время промышленность получает два вида искусственных минералов: аналоги и техногенные. Аналоги —это повторение природных минералов (алмаз, корунд, горный хрус­таль и др.).Техногенные —это вновь созданные минералы с напе­ред заданными свойствами (например, алит — вяжущие свойства, муллит — огнеупорность и т. д.). Такие минералы входят в состав различных строительных материалов: в цемент — алит, белит; в огнеупоры — муллит 3Al₂0₃-2Si02, периклазMgO; абразивы — карборундSiC.