Классификации минералов

<1 234 5 6 7 >

В настоящее время установлено более 3 000 до 5 000 (по последним данным) минералов – минеральных видов. Все многообразие минералов делится на кристаллохимические классы – минералы, имеющие схожий химический состав и кристаллическую структуру. Наиболее важные кристаллохимические классы минералов приведены в табл. 4. Анализ таблицы, показывает, что в земной коре преобладают минералы класса силикаты и особенно каркасные силикаты группы полевых шпатов. На предыдущей работе мы обращали внимание на то, что полевые шпаты отличаются твердостью (6 по шкале Мооса) и совершенной спайностью в двух направлениях – это отличительные свойства, по которым они определяются визуально. Кроме того, группа полевых шпатов (ПШ) делится на виды в зависимости от их химического состава – наличия и количества катионов. По химическому составу выделяются подсемейства (подгруппы) Ca–Na–ПШ – плагиоклазы (табл. 5) и K–Na–ПШ – щелочные полевые шпаты. К последним относятся ортоклаз (прямо раскалывающийся), микроклин, санидин. Диагностику вида ПШ выполняет, прежде всего, под микроскопом по оптическим свойствам, которые зависят от их химического состава. Макроскопически – на глаз, мы будем определять лишь группу полевых шпатов и иногда подгруппу. Однако знать названия и химические формулы ПШ необходимо, поскольку в различных магматических горных породах преобладают разные их виды. В целом, полевые шпаты в отличии от кварца отличаются слабой атмосферостойкостью – в субтропическом климате их структура разрушается в результате гидролиза и образуются глинистые минералы: каолинит, монтмориллонит и другие.

Таблица 4

Основные кристаллохимические типы и классы минералов

Типы	Классы	Примеры минералов	Кол-во от видов, %	Содержание от массы в з. к., %
Простые	Самородные элементы	Медь, золото, серебро	3,3	0,10
Сера, графит, алмаз
Сернистые	Сульфиды и их аналоги	Галенит, сфалерит, халькопирит, пирит, арсенопирит, молибденит, киноварь, антимонит	13,0	1,15
Кислородные	Оксиды и гидроксиды	Кварц, касситерит, корунд, магнетит, ильменит, гематит, гетит (лимонит), периклаз, брусит, бемит	12,5	17,00
Силикаты и алюмосиликаты	Оливин, гранат, берилл	25,0	75,00
Пироксены, амфиболы
Слюды, хлориты, тальк, серпентин
Полевые шпаты, нефелин, кварц
Карбонаты	Кальцит, доломит, магнезит, малахит	4,5	1,70
Сульфаты	Ангидрит, барит, гипс	9,0	0,50
Фосфаты	Апатит	17,0	0,70
Вольфраматы	Вольфрамит, шеелит	1,0	0,15
Галоиды	Хлориты Фториды	Галит, сильвин, карналлит, флюорит	5,7	1,50

Таблица 5

Виды (название) плагиоклазов (Pl)

Содержание Na, %	Содержание Ca, %	Название минерала
90–100	0–10	Альбит	Кислые Pl
70–90	10–30	Олигоклаз
50–70	30–50	Андезит	Средние Pl
30–50	50–70	Лабрадор	Оснóвные Pl
10–30	90–70	Битовнит
0–10	100–90	Анортит

Минералы в земной коре распространены крайне неравномерно, лишь около 50 их видов встречаются достаточно часто, слагают горные породы на 50 …100 % и называются породообразующими минералами. Другие минералы встречаются, как правило, в подчиненном количестве (менее 1…5 %) и называются второстепенными минералами. Некоторые породообразующие и второстепенные - около 300 минералов, имеют практическое значение, удовлетворяют требованиям человека, промышленности, и называются уже рудными минералами. На практическом занятии в коллекциях представлены преимущественно породообразующие минералы, которые слагают часто встречающиеся горные породы.

Определяя породообразующие минералы, нужно обращать внимание на их генетическую классификацию – условия образования минералов: осадочные, магматические или метаморфические, т.к. минералы определенного генезиса будут слагать горные породы соответствующего происхождения. При этом следует запомнить так называемые типоморфные минералы, которые образуются только при определенных условиях, т.е. имеют конкретный генезис и встречаются в породах соответствующего происхождения. Например, хромит встречается только в магматических пород ультраосновного состава - дунитах; циркон - в магматических щелочных пород; гипс – в осадочных одноименных породах.

Преимущественно осадочное происхождение имеют глинистые минералы, галит, гипс, кальцит, лимонит и некоторые другие; эндогенное магматическое и метаморфическое – многие породообразующие силикаты; только магматическое – лабрадор, нефелин, оливин; только метаморфическое – графит, серпентинит, тальк, хлорит, серицит и другие. Кварц – вездесущий минерал, является породообразующим для магматических кислых пород – гранита – риолита, для осадочных – песка, песчаника, суглинков, супесей и даже глинистых пород; для метаморфических – кварцитов, гнейсов и многих других. При этом в метаморфических породах кварц находится в ассоциации с такими темными силикатами, с которыми он никогда не образуется при кристаллизации магмы и не входит в состав магматических пород.

Таким образом, при описании минералов в таблице 3 студентам следует обратить внимание на принадлежность их к определенным кристаллохимическим и генетическим классам, а также на практическое значение минералов: разобраться, для каких конкретно горных пород описываемый минерал будут породообразующим, а также в каких отраслях хозяйства он используется человеком.

Важнейшие характеристики горных пород и грунтов

Петрография– наука о горных породах, их составе, строении, происхождении и формах залегания. Горные породы представляют собой более высокий уровень организации вещества земной коры по сравнению с минералами. Они состоят из определенной ассоциации (набора) минералов – минеральных агрегатов (или естественных сростков), имеют конкретное строение и залегают в земной коре в виде самостоятельных (геологических) тел. Каждая горная порода образовалась в результате какого-либо геологического процесса, современного или древнего. Все характерные свойства горных пород зависят именно от условий их образования – генезиса, так как процессы формирования горных пород как бы фотографируются в их строении и минеральном составе.

При рассмотрении горных пород первым бросается в глаза цвет породы, который зависит от цвета породообразующих минералов. По цвету и спайности минералов надо постараться разглядеть в горной породе размер и форму индивидов, то есть определить структуру или строение горной породы.

Исходя из общего понимания термина «строение» как взаиморасположение составных частей чего-либо, в геологии данный термин используется как минимум в трех основных смыслах, характеризуя геологические объекты разных уровней:

1 – на уровне минералов – внутреннее кристаллическое (упорядоченное расположение ионов, атомов или молекул) или аморфное их строение;

2 – на уровне горных пород – характеристика горных пород и грунтов, описывающая особенности их структур и текстур;

3 – на более высоком уровне земной коры – особенности геологического строения различных участков земной коры или их геологические структуры.

Под структурой горной породы понимают совокупность признаков, выраженных в абсолютных и относительных размерах и формах минеральных индивидов, особенностях их срастания между собой. На первый взгляд следует оценить степень кристалличности горной породы, наличие в ней видимых на глаз зерна минералов или же их отсутствие. В породах полнокристаллической структуры вся их масса сложена видимыми на глаз минеральными индивидами (кристаллами). В зависимости от размера и формы минеральных индивидов структуры подразделяются на основные виды (табл. 8). Под термин зернистая структура понимают также иногда кристаллическую структуру с индивидами не ярко выраженной морфологии, но чаще данное понятие используется при описании осадочных пород.

В петрографии и литологии для каждых классов, групп и даже видов пород используются свои специфические термины структур, обозначающие особенности их строения и образования. Например, в специальной петрографической литературе полнокристаллическую структуру по форме индивидов подразделяют на идиоморфнокристаллическую, для которой характерны индивиды минералов относительно правильной кристаллографической формы, кристаллизовавшиеся из магмы при относительно благоприятных условиях; и ксеноморфнокристаллическую - индивиды неправильной произвольной формы - кристаллизовавшиеся из магмы при неблагоприятных меняющихся условиях.

В целом, для будущих строителей следует научиться отличать полнокристаллическую структуру от скрытокристаллической структуры, порфировидную – от порфировой (табл. 8), по которым мы определяем и отличаем интрузивные породы от эффузивных.

Общий вид строения горной породы, выраженный в форме, размерах, минеральном составе, структуре, способах сочетания ее минеральных агрегатов, называется текстурой. Выделяются следующие основные текстуры:

– плотные или массивные - минеральные агрегаты располагаются в породе очень плотно и относительно равномерно, без видимых неоднородностей;

– неоднородные плотные – полосчатые (характерные для магматических и особенно метаморфических пород) и слоистые (- для осадочных) – минеральные агрегаты располагаются в виде полос, которые отличаются цветом (соответственно минеральным составом) или размером индивидов (соответственно структурой);

– сланцеватые – породы состоят преимущественно из минералов чешуйчатой или вытянутой (амфиболы – роговая обманка) морфологии, которые ориентированы длинной стороной параллельно друг другу, раскалываются на тонкие плиточки – пластинки, и являются характерными только для метаморфических пород;

– пористые или пузырчатые – пузыри или поры на фоне плотных агрегатов видны невооруженным глазом, образуются при остывании лавы и кристаллизации эффузивных пород на земной поверхности; а тонкие поры невидимых на глаз размеров определяются по свойству пород впитывает воду (прилипает к языку) или по более легкому удельному весу и являются типичными для осадочных пород: мела, глин, опок и др.;

– прожилковые – в породах видны разно ориентированные полоски различной мощности (толщины), сложенные кристаллическими агрегатами обычно кварца или кальцита, которые кристаллизовались в образовавшихся ранее трещинах и пустотах.

Студентам важно научиться различать наиболее важные и распространенные структуры и текстуры пород различных генетических типов и понимать, что принятые в петрографии понятия «текстура» и «структура» близки понятию «морфология минерального агрегата» в минералогии

После определения строения в явнокристаллических горных породах следует определить важнейшие породообразующие минералы по физико-диагностическим свойствам и их примерно процентное отношение (рис. 2), т.е. минеральный состав породы. Кроме цвета, блеска необходимо проверить твердость, спайность и другие особые свойства у каждого минерального вида горной породы. Обычно в породах преобладают либо один породообразующий минерал, и они называются мономинеральными породами, либо два – три – полиминеральными породами. Учитывая соотношение минералов в породе, их химический состав и принадлежность к кристаллохимическому классу, делается вывод о химическом составе породы. В целом, в земной коре наиболее распространенными являются силикатные (в них преобладают минералы класса силикаты), кремнистые (- преобладает кварц и его разновидности), карбонатные (- преобладают минералы класса карбонаты), сульфатные (- преобладают минералы класса сульфаты), глинистые горные породы.

Другими важными характеристиками горных пород являются формы их залегания: первичные или вторичные, а также возраст пород. Мы не увидим их в горных породах, как видим строение и минеральный состав - цвет, но знать и учитывать формы залегания горных пород при проведении строительных работ (рис. 3) необходимо. Формы залегания можно увидеть только в земной коре, на полевой практике, в карьерах, при бурении или проходке канав. Они изучаются в таких разделах, как структурная геология, геологическое картирование и тектоника, вы рассмотрим кратко их на других практических работах и самостоятельно.

Таким образом, на практических занятиях студенты дают (определяют) названия (виды) горных пород на основе изучения важнейших их характеристик: структуры, текстуры, минерального состава, цвета и некоторых других особых свойства. При описании пород в таблицах следует обращать

Таблица 7

Характеристика важнейших магматических горных пород (МГП) и грунтов

Название и класс (интрузивная или эффузивная)	Группа (по содержанию SiО₂) и цвет	Минеральный состав – %-е соотношение породообразующих минералов	Строение	Формы залегания	Класс и разновидности грунтов по свойствам: прочности, способности к выветриванию, водопроницаемости, и т.д. согласно ГОСТ 25100-2011
Текстура	Структура
Гранит, интрузивная	кислая светлая	кварц (25–40), полевые шпаты (45–70), слюда+роговая обманка (3–10)	массивная	явно-разно- кристаллическая	Батолиты – дес.- сотни кв. км., штоки	Кл. скальные, прочные, прочность зависит от структуры и текстуры, степени выветрелости конкретной породы, водопроницаемость
Риолит Кварцевый порфир Диорит Андезит Андезитовый порфир Габбро Лабрадорит Базальт Диабаз Дунит Пироксенит

Выполнил Проверил

Таблица 8

Основные виды структур магматических пород

Структуры	Отличительные признаки	Влияние структуры на прочность породы - грунта
Полнокристаллическая по размеру кристаллов: 1 – крупнозернистая 2 – среднезернистая 3 – мелкозернистая 4 – афанитовая Равномерно- или неравномерно-кристаллическая	Хорошо видны кристаллы невооруженным глазом, так как породы кристаллизовались из магмы на глубине. По размеру кристаллов: - больше 5 мм - 2…5 мм - 2…0,2 мм - < 0,2 мм Кристаллы породообразующих минералов имеют близкие размеры или же разные размеры	Характеризуются большой прочностью и устойчивостью против выветривания. Наиболее прочные породы –с афанитовой и тонкозернистой структурами
Порфировидная	Отдельные наиболее крупные и хорошо образованные кристаллы расположены в полнокристаллической основной массе породы, которая может иметь разной размер индивидов вплоть до крупнокристаллической структуры	Породы с равномернозернистой основной массой характеризуются большей прочностью по сравнению с породами того же состава, но обладающие неравномерной зернистостью основной массы
Полустекловатая	В породе зерна на глаз не видны, под микроскопом - наряду с кристаллами наблюдается стекловатое вещество – с невидимыми зернами	Прочность меньше, чем у полнокристаллических. Она уменьшается по мере увеличения содержания стекла. В этом же направлении уменьшается сопротивление выветриванию
Стекловатая или афанитовая	Порода состоит из скрытозернистого или аморфного вещества и микроскопических кристаллов – микролитов
Порфировая	Отдельные крупные кристаллы расположены в полностью или частично раскристаллизованной или стекловатой основной массе	Прочность и сопротивление выветриванию уменьшаются по мере увеличения содержания стекловатой массы
Пегматитовая	Крупные и гигантские кристаллы – более 30…50 мм, одного минерала прорастают одинаково ориентированными кристаллами другого минерала, чаще кварца и полевых шпатов	Обусловливает высокую прочность породы, но меньшую по сравнению с мелкозернистыми породами

Рис. 2. Трафареты для визуального определения процентного содержания темных минералов – авгита, слюд и др.

Рис. 3. Формы залегания магматических интрузивных горных пород:

1 – силл; 2 – лакколит; 3 – лополит; 4 – факолит; 5 – дайка; 6 – некк; 7 – коническая интрузия; 8 – хонолит; 9 – батолит; 10 – шток

Таблица 9

Разделение горных пород как грунтов по характеру структурных связей

Группа пород	Тип структурных связей	Характерные свойства пород и грунтов	Примеры типичных пород
С жесткими связями между зернами (скальные^*)	Кристаллиза- ционные – возникли в момент застывания магмы или перекристал- лизации пород	Твердые необратимые связи – при разрушении естественным путем не восстанавливаются. Прочность очень высокая и высокая. Практически несжимаемы. Невлагоемкие. Водопроницаемость зависит от степени трещиноватости. Большей частью стойки к растворению, не размокают и не размываются	Гранит, базальт, кварцит, мрамор и др. - почти все магматические и метаморфические, некоторые осадочные породы
Цементационные	Связи необратимые - прочность и водостойкость зависят от состава цемента. При кремнеземном и кварцевом цементе прочность высокая: породы не размокают; при глинистом цементе прочность небольшая – порода размокает, при карбонатном – могут частично растворяться. Водопроницаемость зависит от степени трещиноватости.	Известняки, песчаники, конгломераты и другие сцементированные осадочные породы
Глинистые отвердевшие (полускаль- ные)	Цементационные (кристаллизационные)	Прочность относительно невысокая, связи необратимые. Водостойкость невысокая, в большинстве случаев размокают в воде, набухают	Аргиллиты, алевролиты, глинистые сланцы, мергели
Глинистые (дисперсные связные)	Водно- коллоидные	Прочность невысокая, при увлажнении уменьшается и иногда доходит до нуля. Связи обратимые – после разрушения могут восстанавливаться. В зависимости от степени влажности могут находиться в твердом, пластичном и текучем состояниях. Сильно сжимаемы. Сопротивление сдвигающим усилиям низкое. Сильно влагоемкие. Практически водоупорные. Размокают, набухают и дают усадку	Различные глины, суглинки, супеси
Обломочные несцементированные (дисперсные несвязные)	Отсутствуют	Прочность высокая и средняя, зависит от прочности материнских коренных пород и крупности обломков. Слабо сжимаемы, сопротивление сдвигу высокое. Хорошо водопроницаемы, фильтрационные свойства увеличиваются также с увеличением размера обломков пород.	Пески, гравий, галечник

^* Название грунтов согласно ГОСТ 25100-2011

внимание (заполнить колонки таблицы) на формы залегания, распространение в земной коре и на территории Челябинской области [10], возраст и оценку горных пород как грунтов, поскольку эти характеристики являются важными для оценки инженерно-геологических условий участков строительства.

Грунтами называют горные породы, в пределах которых строители планируют и осуществляют свою инженерную деятельность и соответственно оценивают их по важным для них физико-механическим инженерно-геологическим свойствам: прочность, сжимаемость, устойчивость к выветриванию и другим, по состоянию. Как видно из табл. 10 - выписка из классификации грунтов согласно ГОСТ 25100-2011, свойства грунтов зависят, во-первых, от свойств горных пород, от «прочности» связи между минеральными зернами и особенностей их генезиса (табл. 9), а, во-вторых, от внешних условий: влажности, температуры и прочих. Подробнее грунты изучаются в разделе «Основы грунтоведения» и более подробно в курсе «Механика грунтов». Мы будем использовать только классификационные показатели, по которым в целом необходимо оценивать горные породы как грунты.