1. Мінерали і гірські породи

Мінералами (лат. “мінера" – породжуючий метал, тобто руду) називаються природні хімічні сполуки або самородні елементи, які утворюються внаслідок різних фізико-хімічних процесів у земній корі або на її поверхні.

Вважають, що в земній корі знаходяться більше 3000 мінералів та їх різновидів, але порівняно небагато з них мають широке розповсюдження в природі. Ці мінерали, а їх усього близько 50 складають численні гірські породи, а тому їх і називають породоутворюючими. інші мінерали називаються рідкісними. Більшість мінералів – тверді (кварц, кальцит, алмаз та ін.), але є і рідкі (ртуть).

Найбільшу частину як по кількості мінералів так і за вагою в земній корі складають силікати, тобто клас, мінерали якого утворені найбільш поширеними в земній корі елементами. Численність мінералів того чи іншого класу не завжди знаходиться в прямій залежності від їх поширеності. Так, наприклад, фосфати, що утворюють велику кількість мінеральних видів (17%), складають лише незначну частину (0,7%) ваги земної кори.

У будівельній практиці людина зустрічається з агрегатами мінералів – гірськими породами, а їх будівельні властивості і характер поведінки при взаємодії з інженерними спорудами залежать перш за все від мінерального складу та будови як самих мінералів, так і їх сполук – гірських порід. Ось чому важливо знати склад, будову та властивості мінералів.

Тверді мінерали можуть мати кристалічну та некристалічну будову При кристалічній будові елементарні частинки (атоми, молекули, іони) розташовуються в точно визначеному порядку – у вузлах кристалічної решітки. Кристали мають форму правильних багатогранників: куба, призми, піраміди, октаедра, тетраедра тощо; листка, луски, волокна, пластинки. Правильна геометрична форма кристалів є важливою зовнішньою ознакою кристалічної будови мінералів. Наприклад, мінерал пірит часто зустрічається у вигляді кристалів кубічної форми, кварц – пірамідальної або призматичної. Мінерали, кристалічна будова яких виявляється тільки під мікроскопом, називають прихованокристалічними.

Властивості та особливості кристалічного мінералу залежать не тільки від властивостей елементарних частинок, з яких він складається, а й від характеру їх розміщення. Наприклад, атоми вуглецю в алмазі розміщуються суворо на однакових відстанях один від одного в кутах тетрагональної кристалічної решітки. Кожний атом алмазу пов'язаний з чотирма іншими сильним ковалентним зв’язком, який забезпечує винятково високу твердість (10), а компактна тетрагональна кристалічна решітка забезпечує високу питому вагу (35 кН/м³). У графіті атоми вуглецю розташовуються шарами, які складаються з гексагональних кілець. Кожний атом у шарі ковалентно пов'язаний з трьома іншими, а зв'язок між шарами слабкий (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 – Кристалічні решітки алмазу (зліва) і графіту (справа)

Залежно від генезису і хіміч­ного складу мінерали утворюють у земній корі природні скупчення, які називаються мінеральними агрегатами. Найбільш типовими є такі агрегати: друза, конкреція, жеода, ооліти, дендрити, сталактити і сталагміти (рис. 1.2).

Друза – зросток кристалів, які одним кінцем прикріплені до спільної основи; тут не всі кристали розвиваються вільно, тому не всі мають однаково розвинуті грані.

Конкреція – здебільшого округла форма скупчення міне­ральної речовини. Кристали нарощуються у вигляді радіальне розташованих променів, як це бачимо у фосфоритів, кременю, мар­казиту та інших мінералів, що утворюються серед осадових від­кладів. Форми конкрецій – заокруглені, приплюснуті, видовжені, з відростками й без них. неправильно заокруглені, а розміри – від найдрібніших. ледве помітних, до великих мас, вага яких вимі­рюється кілограмами.

Жеода – порожнина в гірських породах, почасти заповнена мінеральною речовиною; на стінках цієї порожнини іноді утво­рюються, наприклад, кристали гірського кришталю у вигляді друзи або кальциту та інших мінералів. Ці мінерали на стінках жеоди утворюються внаслідок проникнення в порожнину мінеральних розчинів.

Ооліти – шкаралупчастої будови заокруглені форми мінераль­ної речовини, яка випадає з водних розчинів. Середній їх розмір – від просяної зернини до горошини. Оолітову будову часто мають вапняки (оолітовий вапняк), бурий залізняк, марганцеві руди.

Дендрити – скупчення кри­сталів у формі фігури, що нагадує гілки дерева. Такі фігури утворюються при швидкій кристалі­зації мінералів при проникненні розчинів у тонкі волосяні тріщинки у породах, коли окремі криста­лики наростають один на одного; прикладом можуть бути дендрити піролюзиту; вони мають вигляд чор­них гілочок і спостерігаються у вап­няках на стінках тріщин.

У природі мінерали зустрічаються або по­одиноко, або цілими комплексами. Скупчення мінералів у приро­ді – явище цілком закономірне. Знаючи умови утворення мінералів, за відомим міне­ралом можна знайти й інші компоненти даної асоціації.

а – друза кварцу; б – жеода кальциту; в – секреція агату; г – конкреція фосфориту;

д – ооліти бокситу; е – дендрит самородної міді; є – натічна форма малахіту (нирка)

Рисунок 1.2 – Природні форми мінералів

Класифікація мінералів. Уся різноманітність мінералів підрозділяється на групи, які поєднують за спільними ознаками. У науковій мінералогії загальноприйнято класифікувати мінерали перш за все за хімічним складом. Класифікація найбільш розповсюджених породоутворюючих мінералів за цією ознакою наведена в табл. 1.1.

Таблиця 1.1 – Хімічна класифікація мінералів

Клас	Мінерали
Силікати	Олівін, мусковіт, біотит, тальк, альбіт, лабрадор, ортоклаз, мікроклін, каолініт, плагіоклаз, монтморілоніт, нефелін, хлорит
Карбонати	Кальцит, доломіт галіт, малахіт, сидерит, магнезит, арагоніт
Сульфати	Гіпс, ангідрит, баріт, мірабіліт.
Сульфіди	Пірит, сфалерит, галеніт, халькопірит, кіновар, аурипігмент
Окиси та гідроокиси	Кварц, опал, халцедон, корунд, лімоніт, гематит, магнетіт, боксит, рубін, сапфір
Фосфати	Апатит, фосфорит, вівіаніт
Галоїди	Галіт, сильвін, карналіт, флюорит
Самородні елементи	Алмаз, графіт, сірка, срібло, золото, платина, мідь, миш'як, вісмут

Розрізняють первинні мінерали і вторинні. Первинні утворились водночас з гірською породою, а вторинні – в процесі формування та подальшої історії гірської породи. Первинними мінерали можуть бути для одних гірських порід і ті ж самі мінерали – вторинними для інших. Наприклад, такий мінерал, як каолініт, виявляється первинним у глині і вторинним у граніті.

Практичне значення мінералів дуже велике. В усіх галузях народного господарства використовуються різні корисні копалини. Велике значення має добування та переробка руд чорних, кольорових металів, а також неметалічних корисних копалин, таких, як азбест, слюда, графіт тощо. Усі металічні та неметалічні корисні копалини складаються з мінералів.

Гірськими породами називаються мінеральні агрегати різного складу і будови, які сформувались у результаті геологічних процесів і які утворюють самостійні геологічні тіла (пласти, шари, жили тощо). За походженням (генезисом – від грецького "генезос" – походження), гірські породи поділяють на три великі групи: магматичні, осадові, метаморфічні. Всього відомо близько 1000 видів гірських порід. Кожна гірська порода виникла внаслідок певних геологічних процесів. Внаслідок безперервних геологічних процесів усі породи змінюю­ться і одні замінюються іншими (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 – Схема утворення гірських порід

За походженням усі гірські породи поділяються на три групи: магматичні, осадові і метаморфічні. Ці групи відрізняються умовами залягання в земній корі, хімічним і мі­нералогічним складом, структурою та наявністю корисних копалин. Встановлено, що май­же 75% земної поверхні вкрито осадовими породами і лише 25% – магматичними й метаморфічними.

За мінеральним складом розрізняють мономінеральні гірські породи (гіпс, доломіт, вапняк та ін.), які складаються з одного мінералу, та полімінеральні (граніт, діорит та ін.), що складаються з багатьох мінералів. Більшість гірських порід – полімінеральні. Мінерали в складі породи мають неоднакове значення. Одні з них характерні для породи і обов'язково беруть участь в складі, інші – випадкові. Перші називаються породотворними мінералами, другі – акцесорними (випадковими).

Гірські породи вивчають з різних точок зору: в першу чергу як середовище корисних копалин – руд, вугілля, нафти, газу, солей та підземних вод; в інженерній геології – як основи фундаментів, середовище і матеріал для будівництва різних споруд, в агрономії – як родючі ґрунтоутворюючі породи.

Практичне завдання:

1. Дати визначення понять "мінерал", "породотвірний мінерал", "гірська порода", навести генетичну класифікацію гірських порід та умови їх утворення.

2. Описати два породотвірних мінерали і дві гірські породи, що наведені у відповідному варіанті (табл. 1.2).

Таблиця 1.2

Варіант	Зміст завдання	Варіант	Зміст завдання
1	доломіт, граніт, кварц, галька	16	Антимоніт, піролюзит, леси, діабаз
2	лімоніт, вапняк-черепашник, альбіт, базальт	17	флюорит, ортофір, кізельгур, роговик
3	гіпс, глина, ортоклаз, діорит	18	Лепідоліт, кіновар, кварцит, порфірит
4	пірит, вапняк оолітовий, рогова обманка, пісок	19	Гідраргіліт, родохрозит, гнейс, перидотит
5	ангідрит, гнейс, біотит, піщаник	20	Серпентин, мусковіт, туфи, еклоґіт
6	Берил, малахіт, амфіболіт, вулканічний попіл	21	Халькоцит, графіт, піроксеніт, буре вугілля
7	авгіт, порфірит, олівін, лес	22	Борніт, гетит, дуніт, радіолярит
8	глауконіт, гравій, хлорит, кварцит	23	Манганіт, вольфраміт, порфірит, нафта
9	монтморилоніт, суглинок, мікроклін, габро	24	Псиломелан, арсенопірит, андезит, опока
10	кальцит, конгломерат, лабрадор, сланці	25	Колумбіт, сфалерит, пемза, доломіт
11	лесовидний суглинок, сієніт, галіт, магнезит	26	Танталіт, гранат, кварцові порфіри, гідрослюда
12	сланці, піщаники, польові шпати, гіпс	27	Хроміт, сіра, вапнякові туфи, філіти
13	Ільменіт, карналіт, трепел, андезит	28	Азурит, егірин, торф, сланці
14	Флогопіт, галеніт, аргіліт, трахіт	29	каолініт, мергель, тальк, мармур
15	Апатит, галуазит, кальцифір, ліпарит	30	Діопсид, корунд, кременистий сланець

Завдання слід виконувати в табличній формі (таблиці А.1 і А2). Графи таблиці А.1 відбивають основні характеристики породотвірних мінералів. Приклад опису мінералів наведений в додатку А (таблиця А.1).

Опис гірських порід виконують аналогічно опису мінералів, тобто в табличній формі (таблиця А.2). У графі 3 цього додатка необхідно в першу чергу вказати групу гірських порід (магматична, осадова чи метаморфічна), а потім підгрупу (для магматичних порід – глибинна чи виливна, для осадових – уламкова, хімічна чи органічна, для метаморфічних – сланцювата чи масивна).

У графі 5 слід зробити класифікацію магматичних гірських порід за процентним вмістом в них діоксиду кремнію (SiО₂); в осадових і метаморфічних породах за хімічним складом виділяють карбонатні, кременисті, залізисті та інші різновиди.

При описі мінералогічного складу порід (графа 7) перевагу варто віддавати основним породотворним мінералам. Конкретний мінералогічний склад грубоуламкових осадових порід частіше визначити важко, в цьому випадку необхідно зазначити, що порода складається з уламків різного мінералогічного складу.

У графі 9 при визначенні текстур осадових уламкових порід вказують також ступінь їх зцементованості. При визначенні стійкості порід до вивітрювання (графа 12) слід писати: стійкий, середньостійкий, малостійкий чи нестійкий.

У таблиця А.2 наведений приклад опису гірських порід.