Горные породы и минералы

Горные  породы и минералы

Сегодня нам тяжело представить себе, что  всего лишь 300 лет тому назад люди практически ничего не знали о истории горных пород и минералов. Они смотрели на огромные валуны среди полей, и не могли понять, откуда они здесь появились. Они находили отражения растений и давних животных в горных породах, морские раковины высоко в горах, но эти находки ни о чем не говорили им. Время такого невежества закончилось с появлением теории Земли, разработанной англичанином Джеймсом Геттоном (1726-1797), которого со временем назвали «отцом геологии».

Он  первым предположил, что горные породы образовываются и изменяют свои свойства на протяжении очень продолжительного времени, но не смог создать классификацию  горных пород по их происхождению. Это  с блеском сделал выдающийся ученый Чарлз Лайель (1797-1875), который показал, что существует два основных вида горных пород: изверженные, вулканического происхождения и осадочные. Он также пришел к заключению, что между двумя этими типами существует промежуточный - метаморфические породы, которые возникли в результате влияния высоких температур и давления на вулканические и осадку породы. В наше время уже многое известно о законах распространения горных пород и минералов в природе, но и до сих пор ежегодно геологи открывают около 30 видов новых минералов. Минералы - твердые естественные образования, которые входят в состав горных пород Земли, Луны и некоторых других планет, а также метеоритов и астероидов.

Минералы, как правило, - довольно однородные кристаллические вещества с упорядоченной внутренней структурой и определенным составом, который может быть выражен соответствующей химической формулой. Они не являются смесью мелких минеральных частиц. Минералами считаются химические элементы или их соединения, которые образовались в результате естественных процессов. Из числа минералов исключаются такие важнейшие виды минерального сырья органического происхождения, как уголь и нефть. Основной источник образования минералов находится глубоко в недрах Земли. Здесь в результате высокой температуры и давления образовывается основная масса минералов, которые создают глубинные кристаллические породы. Этими породами создано 95 % земной коры. Существует классификация горных пород и минералов по происхождению.

Изверженные породы. Изверженные, или магматические, породы образовываются при охлаждении и кристаллизации расплавленной магмы. Процентное содержимое разных минералов и тип породы, которая образовалась, зависят от соотношения элементов, которые содержались в магме во время ее затвердения. Каждый тип изверженной горной породы обычно состоит из ограниченного набора минералов, которые называются главными породосоздающими.  В дополнение к ним могут быть присутствующими в меньшем количестве второстепенные минералы. Например, главными минералами в граните могут быть калиевый полевой шпат (60 %), кварц (30 %), слюда (10 %). Как второстепенные минералы могут присутствовать циркон, сфен, апатит, магнетит и ильменит. Изверженные породы обычно классифицируют в зависимости вот вида и количества каждого из полевых шпатов, которые содержатся в них. Дальше изверженные породы классифицируют по их структуре, которая отображает условия затвердения породы. Осадочные породы.

Когда коренные породы выветриваются или  размываются, обломочный или раскрытый  материал оказывается включенным в состав осадочных пород. В результате химического выветривания минералов, которое происходит на границе литосферы и атмосферы, формируются новые минералы, например, глинистые - из полевого шпата. Некоторые элементы высвобождаются при растворении минералов. Метаморфические породы. Региональный метаморфизм. С изверженными и осадочными породами, похороненными на большой глубине, под действием температуры и давления происходят преобразования, которые называются метаморфическими, во время которых изменяются первоначальные свойства горных пород, а исходные минералы перекристаллизируются или полностью трансформируются. В результате минералы обычно располагаются вдоль параллельных плоскостей, предоставляя породам сланцеватый вид. Контактовый метаморфизм. При подъеме магмы в верхние пласты земной коры в породах, в которые она проникла, обычно происходят изменения, так называемый контактовый метаморфизм. Эти изменения состоят в перекристаллизации первоначальных или образовании новых минералов. Степень метаморфизма зависит как от типа магмы, так и от типа породы, которую она пронизывает.

Самые интенсивные изменения происходят, когда гранитная магма проникает  в известняки: термическое влияние  является причиной их перекристаллизации и образования мрамора. В результате химического взаимодействия с известняками растворы, которые отделяются от магмы, образовывается большая группа минералов. В некоторых случаях при контактовом метаморфизме добавляются рудные минералы, что делает породы ценными источниками получения меди, свинца, цинка и вольфрама. Метасоматоз. В результате регионального и контактового метаморфизма не происходит важного изменения химического состава исходных пород, а изменяются лишь их минеральный состав и внешний вид.

Когда растворами привносятся одни элементы и выносятся другие, происходит значительное изменение химического состава пород. Такие снова образованные породы называются метасоматичными. Хотя главные характеристики минералов (химический состав и внутренняя кристаллическая структура) определяются на основе химических анализов и рентгеноструктурного метода, косвенно они отображаются в свойствах, которые легко наблюдаются или измеряются. Для диагностики большинства минералов определяется их блеск, цвет, спайность, твердость, плотность. Блеск - качественная характеристика отраженного минералом света. Некоторые непрозрачные минералы сильно отражают свет и имеют металлический блеск. Это характерно для рудных минералов, например, галенита (минерал свинца), халькопирита и борнита (минералы меди), аргентита и акантита (минералы серебра).

Большинство минералов поглощают или пропускают значительную часть падающего на них света и имеют неметаллический  блеск. Некоторые минералы имеют  блеск, переходный вот металлического до неметаллического, который называется полуметаллическим. Минералы с неметаллическим блеском обычно светлого цвета, некоторые из них прозрачные. Часто бывают прозрачными кварц, гипс и светлая слюда. Другие минералы (например, молочно-белый кварц), которые пропускают свет, но сквозь которые нельзя четко различить предметы, называют просвечивающимися. Если свет проходит сквозь минерал, хотя бы в самых тонких краях зерен, то он, как правило, нерудный. Если же свет не проходит, то он - рудный. Бывают, впрочем, и исключения: например, сфалерит (минерал цинка) или киноварь (минерал ртути) нередко прозрачные или просвечивающиеся.

Минералы  различаются качественными характеристиками неметаллического блеска. Глина имеет  тусклый землистый блеск. Кварц  на гранях кристаллов или на поверхностях излома - стеклянный, тальк, который разделяется на тонкие листочки по плоскостям спайности, - перламутровый.

Яркий, как у алмаза, блеск называется алмазным. Когда свет падает на минерал  с неметаллическим блеском, то он частично отражается от поверхности  минерала, а частично преломляется. Каждое вещество характеризуется определенным показателем преломления. Поскольку этот показатель может быть измерен с высокой точностью, он является довольно полезным диагностическим признаком минералов. Характер блеска зависит от показателя преломления, а оба они - от химического состава и кристаллической структуры минерала. Некоторые блески (жирный, восковый, матовый, шелковистый и др.) зависят от состояния поверхности минерала или от строения минерального агрегата. Смоляной блеск характерен для многих аморфных веществ (в том числе минералов, которые содержат радиоактивные элементы уран или торий).

Цвет - простой и удобный диагностический  признак. В качестве примеров можно  привести латунно-желтый пирит, свинцово-серый  галенит и серебристо-белый арсенопирит. Для других рудных минералов с металлическим или полуметаллическим блеском характерный цвет может быть замаскирован игрой света в тонкой поверхностной пленке. Это свойственно большинству минералов меди, особенно борниту. Однако другие медные минералы окрашены в хорошо всем знакомые цвета: малахит - в зеленый, лазурит - в синий. Некоторые неметаллические минералы безошибочно узнаются по цвету, обусловленном главным химическим элементом (желтым - серой и черным или темно-серым - графитом и др.).

Много неметаллических минералов состоят из элементов, которые не обеспечивают им специфической окраски, но известны их окрашенные разновидности, цвет которых обусловлен присутствием примесей химических элементов в малых количествах. Такие элементы называют хромофорами. Например, густо-фиолетовый аметист обязан своей окраской незначительной примеси железа в кварце, а густой зеленый цвет изумруда связан с небольшим содержимым хрома в бериллии. Окраска по обыкновению бесцветных минералов может появиться вследствие дефектов кристаллической структуры. Тогда минералы окрашиваются в дополнительные цвета. Рубины, сапфиры и александриты обязаны своей окраской именно таким дефектам.

Бесцветные  минералы могут быть окрашены механическими  включениями. Так, тонкое рассеянное вкрапление гематита предоставляет кварцу красный цвет, хлориту - зеленый. Молочный кварц замутнен газово-жидкими включениями. Хотя цвет минералов - одно из свойств, которые легче всего определяются, но при диагностике минералов его нужно использовать с осторожностью, так как он зависит от многих факторов. Несмотря на разницу окраски многих минералов, цвет порошка минерала довольно постоянный, а потому является важным диагностическим признаком. По обыкновению цвет порошка минерала устанавливают по черточке, которую оставляет минерал, если им провести по неглазированной фарфоровой пластинке. Например, минерал флюорит бывает окрашен в разные цвета, но черточка от него всегда белая. Спайность. Характерным свойством минералов является их вид при раскалывании.

Например, кварц и турмалин, поверхность  излома которых напоминает скол стекла, имеют раковистый излом. У других минералов излом может быть описан как шершавый, неровный или занозистый. Для многих минералов характеристикой является не излом, а спайность. Это означает, что они раскалываются по плоскостям, непосредственно связанным с их кристаллической структурой. Минералы могут иметь два, три, четыре или шесть направлений спайности, по которым они одинаково легко раскалываются, или несколько направлений спайности разной степени. У некоторых минералов спайность вообще отсутствуют. Поскольку спайность как проявление внутренней структуры минералов является их неизменяемым свойством, она служит важным диагностическим признаком. Твердость минерала зависит от кристаллической структуры: чем крепче связаны между собой атомы в структуре минерала, тем тяжелее его царапать.

Тальк и графит - мягкие пластинчатые минералы, построенные из пластов атомов, связанных  между собой очень слабыми  силами. Они жирные при прикосновении: если потереть их о кожу руки происходит соскальзывание отдельных тончайших пластов. Самый твердый минерал - алмаз, в котором атомы углерода так крепко связаны, что его можно поцарапать только другим алмазом. В начале XIX ст. австрийский минералог Ф. Моос расположил 10 минералов в порядке роста их твердости.

С этого времени они используются как эталоны относительной твердости  минералов. Чтобы определить твердость  минерала, необходимо выявить самый  твердый минерал из тех, которые  он может царапать. Твердость исследуемого минерала будет большей твердости исцарапанного им минерала, но меньшей твердости следующего по шкале Мооса минерала. Силы связи могут изменяться в зависимости от кристаллографического направления, а поскольку твердость является грубой оценкой этих сил, она может различаться в разных направлениях. Эта разница обычно небольшая, исключением является кианит, у которого твердость 5 в направлении, параллельному длине кристалла, и 7 - в поперечном направлении. В минералогической практике используется также измерение абсолютной твердости (т.н. микротвердости) с помощью прибора склерометра, которая выражается в кг/мм квадратных. Плотность. Плотность — это отношение массы вещества к массе такого же объема воды при 4°С. Так, если масса минерала составляет 4 г, а масса того же объема воды - 1 г, то плотность минерала равняется 4. В минералогии принято выражать плотность в г/см кубический. Плотность - важный диагностический признак минералов, и ее нетрудно измерить.

Сначала образец помещается в воздушную среду, а потом - в воду. Поскольку на образец, погруженный в воду, действует выталкивающая сила, направленная вверх, его вес там меньше, чем в воздухе. Потеря веса равняется весу вытесненной воды. Таким образом, плотность определяется отношением массы образца в воздухе к потере его веса в воде. Минералы имеют большое хозяйственное значение. Минералы, которые используются в хозяйственной деятельности человека, называют минеральными ресурсами. Они делятся на три группы: твердые, жидкие и газы.

Минералы и горные породы используются или в своем первичном виде, т.е. такими, какими их находят в природе (каменная соль, слюда, мрамор), или добывают из их полезные химические элементы (железо из руды). На планете ежегодно добывается столько минералов, что они могли бы образовать высокую гору. Поисками, разведкой и изучением минеральных ресурсов занимается наука геология. Наука о естественных химических соединениях, однородных по химическим составам и физическим свойствам, называется минералогией. Процессы, которые создают минералы и горные породы, которые изменяют их состав и условия залегания, изучает динамическая геология.