Общие сведения

Земная кора - это верхняя каменная оболочка Земли, сложенная магматическими, метаморфическими и осадочными породами и имеющая мощность от 7 до 80 км. Она представляет собой наиболее активный слой твердой Земли - сферу деятельности магматических и тектонических процессов. Нижняя граница земной коры как бы зеркально повторяет поверхность Земли. Под материками она глубже опускается в мантию, под океанами приближается к поверхности Земли.

Важнейшей особенностью строения земной коры является отчетливо выраженная неоднородность, проявляющаяся как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении.

Геофизическими исследованиями в строении земной коры выделены три слоя, сложенные различными по составу, свойствам и происхождению горными породами: осадочный, гранитно-метаморфический и базальтовый, причем под океанами кора имеет значительно меньшую мощность и состоит из трех слоев – осадочного, базальтового и расслоенного габброидного.

Слагающие земную кору горные породы состоят из определенного сочетания минералов, в состав которых входят различные химические элементы. Изучая такую иерархию: химические элементы минералы  горные породы, можно судить о строении земной коры в различных структурных зонах.

Процентное содержание химических элементов в земной коре называется кларком (например, кларк железа, кларк олова и др.). В составе земной коры распространены следующие восемь химических элементов (в вес %), составляющих в сумме свыше 98% :

O - 46,50 Ca - 5,79

Si - 25,70 Mg - 3,23

Al - 7,65 Na - 1,81

Fe - 6,24 K - 1,34

Из других элементов в земной коре содержится (в вес %): Ti-0,52; C-0,46; H-0,16; Mn-0,12; S-0,11. На все остальные элементы попадает около 0,37%.

Минералами называются природные химические соединения или отдельные химические элементы, возникшие в результате физико-химических процессов, протекающих в земной коре и на ее поверхности. В земной коре минералы находятся преимущественно в кристаллическом состоянии и лишь незначительная часть - аморфные. Свойства кристаллических веществ обуславливаются как их химическим составом, так и внутренним, т.е. кристаллическим строением. Кристаллическое строение минералов выражено в их геометрически правильной многогранной форме - кристаллах. Формы природных кристаллов многообразны. Форма кристаллов зависит от закономерного расположения в пространстве атомов, ионов, молекул. Такое упорядоченное расположение в пространстве атомов, ионов, молекул образует структуру кристаллов или их кристаллическую (пространственную) решетку.

Кристаллическое строение веществ и закономерности образования кристаллов изучает кристаллография.

В кристаллах различают элементы огранения и симметрии. Элементами огранения кристаллов являются: грани - плоскости многогранника, ребра - линии пересечения граней, вершины - точки пересечения ребер. Две пересекающиеся плоскости образуют двугранные углы.

Кристаллы обладают симметрией, которая заключается в закономерной повторяемости их отдельных элементов в пространстве. Элементами симметрии является плоскость симметрии (Р), ось симметрии (L), центр инверсии (С). Оси симметрии могут быть 2,3,4, и 6 порядка и обозначаются соответственно L²,L³,L⁴,L⁶ (рис.1).

Рис.1. Элементы симметрии кристаллов

А – плоскость симметрии; б – ось симметрии; в – центр инверсии

Все многообразие кристаллов группируется условно по степени сложности в семь крупных групп или систем, называемых сингониями. Различают следующие сингонии: 1) кубическую; 2) тетрагональную; 3) гексагональную; 4) тригональную; 5) ромбическую; 6) моноклинную; 6) триклинную. Сингонии, в свою очередь, делятся на три категории: низшую, среднюю и высшую (рис.2).

Для формирования кристаллической структуры минералов большое значение имеют физико-химические и термодинамические условия. В различных условиях из одного и того же вещества могут образовываться различные формы кристаллов. Так, кварц при высокой температуре кристаллизуется в гексагональную сингонию, при более низкой - в тригональную. В качестве еще одного примера можно привести графит и алмаз, состоя -

Рис.2 Формы кристаллов различных сингоний: низших - 1-3-триклинной; 4-5-моноклинной; 6-9-ромбической; средних - 10-13-тригональной; 14-16-гексагональной; 17-20-тетрагональной; высшая - 21-25-кубической

щие из чистого углерода. Графит - самый мягкий (твердость 1) минерал, образует таблитчатые кристаллы гексагональной сингонии, а алмаз - самый твердый минерал (твердость 10), относится к кубической сингонии.

Способность твердых веществ образовывать при одном химическом составе различные по строению кристаллические решетки и формы кристаллов называется полиморфизмом (греч.”полиморфоз”- много-форменный, многообразный).

Кристаллы с характерным закономерным расположением частиц являются телами анизотропными (неравносвойственными), в них почти все физические свойства (теплопроводность, электропроводность, твердость, силы сцепления и др.) одинаковы в параллельных направлениях, но различны в непараллельных. В отличие от этого, в кристаллах кубической сингонии и в аморфных твердых телах, все физические свойства во всех направлениях одинаковы. Такие минералы называются изотропными (равносвойственными).

По условиям происхождения минералы подразделяются на две крупные группы: 1) эндогенные (греч. “эндо”-внутри) минералы, связанные с процессами, происходящими внутри земной коры и верхней мантии, - магматизмом и метаморфизмом, и 2) экзогенные (греч.”экзо”- снаружи) или гипергенные (греч.”гипер”- над, сверху), минералы образующиеся в верхней части земной коры и на ее поверхности в связи с экзогенными процессами - выветриванием и осаждением из водных растворов.

Формы нахождения минералов в природе разнообразны и зависят главным образом от условий образования и встречаются как в виде одиночных кристаллов или их сростков, так и в виде скоплений, называемых минеральными агрегатами. Эти агрегаты состоят из компонентов, обладающих внутренним кристаллическим строением. Среди минералов выделяются три группы, обладающие характерным обликом или габитусом, кристаллов: 1) изометрические, одинаково развитые по всем трем направлениям, - магнетит, пирит, гранат; 2) удлиненные в одном направлении - призматические, столбчатые, игольчатые и лучистые - кварц, турмалин; 3) вытянутые в двух направлениях - таблитчатые, пластинчатые, листоватые и чешуйчатые - слюды и др.

Некоторые минералы образуют закономерно сросшиеся кристаллы, которые называются двойниками, тройниками и т.п.

Среди обособленных минеральных скоплений наиболее часто встречаются друзы (рис. 3 а), представляющие сростки кристаллов, имеющих общее основание (стенки пустот, пещер или трещин). Секреции - результат постепенного заполнения ограниченных пустот минеральным веществом, отлагающимся на их стенках (рис 3.б). Они имеют обычно концентрическое строение. Мелкие секреции называются миндалинами, крупные – жеодами.

Конкреции представляют собой стяжения шарообразной или неправильной округлой формы, возникшие путем осаждения минерального вещества вокруг какого-либо центра кристаллизации (рис. 3 в,д) Они имеют концентрическое или радиально-лучистое строение. Мелкие округлые образования размерами до 1-2 мм часто концентрического строения называются оолитами (рис. 3 г) Их возникновение связано с выпадением минерального вещества в подвижной водной среде.

Рис. 3. Формы нахождения минералов в природе: а – друза; б – секреция; в – конкреция; г – оолиты; д – разрез конкреции с ясно выраженным радиально-лучистым строением; е –1 – секреция или жеода: отложение минерального вещества из раствора идет от периферии к центру полости; 2- конкреция или стяжение: отложение минерального вещества происходит по направлению от центра к периферии; ж – дендриты; з – сталактиты.

Если кристаллизация вещества из растворов происходит медленно или раскристаллизации подвергаются коллоиды, то при этом формируются натечные формы, имеющие вид сосулек, почек, гвоздей, прожилков, жил или гнезд. Натеки, свисающие в виде сосулек сверху, называются сталактитами (рис. 3 з), а нарастающие им навстречу снизу - сталагмитами.

В результате быстрой кристаллизации минералов в тонких трещинах и порах породы могут развиваться минеральные пленки, напоминающие причудливые по форме ветки растений – дендриты (рис. 3.ж).

Иногда минералы принимают несвойственную им кристал-лографическую форму, создавая точную копию другого минерала или органического образования. Такие формы называются псевдоморфозами.

Классификация минералов основывается на их химическом составе и кристаллической структуре вещества. По химическому и кристалли-ческому строению все известные минералы разделяются на несколько классов. Важнейшими являются следующие: самородные элементы, сульфиды, оксиды и гидроксиды, галогенниды, карбонаты, сульфаты, фосфаты, силикаты. Из общего числа минералов около 34% при-ходится на силикаты, около 25% - на оксиды и гидроксиды, около 20% - на сульфиды; на долю всех остальных минералов приходится около 21%.

Понятие о парагенезисе минералов. Еще древние рудокопы под-метили, что ряд минералов в рудных месторождениях всегда встречаются совместно. Постепенно накопился большой фактический материал о многих природных закономерных группировках минералов. Для такого “совместного нахождения минералов” был введен термин парагенезис или парагенез (греч.”пара”- возле, подле; “генез”-происхождение, образование). Вместе с тем установлено, что в одном и том же образце руды могут встречаться минералы, различные по времени и условиям образования, т.е. один парагенезис как бы накладывается на другой. Для каждого процесса минералообразования характерны свои ассоциации минералов.

В качестве примеров парагенезиса можно привести следующие: кварц и золото; группу минералов полиметаллических месторождений сфалерит, галенит, халькопирит и серебряные руды. Знание парагенезиса минералов облегчает задачу поисков полезных ископаемых по их спутникам. Хорошим примером может быть спутник алмаза пироп (железисто-глиноземистый гранат), который помог открытию коренных месторождений алмазов в Якутии.

Горные породы, слагающие земную кору, в большинстве своем представляют агрегат многих минералов, реже состоят из зерен одного минерала. Породы, состоящие из многих минералов, называются полиминеральными (греч.”поли”- много), из одного минерала мономинеральными (греч.”моно”- один). Минеральный состав, строение и формы залегания горной породы отражают условия ее образования.

Строение породы определяется структурой и текстурой. Под структурой понимается особенность внутреннего строения горной породы, связанная со степенью ее кристалличности, абсолютными и относительными размерами зерен разных минералов, составляющих горную породу, их формой и способом сочетания, под текстурой - взаимное расположение в пространстве подобных или отличных друг от друга минеральных агрегатов.

По происхождению горные породы подразделяются на три группы: 1) магматические, образующиеся в результате внедрения (интрузии) в земную кору или извержения на поверхность магмы - природного огненно-жидкого силикатного расплава; излившаяся на поверхность магма называется лавой; 2) осадочные горные породы, образующиеся путем механического или химического осаждения продуктов разрушения (экзогенными процессами) ранее существовавших горных пород, а также благодаря жизнедеятельности и отмиранию животных и растительных организмов; 3) метаморфические породы, образовавшиеся из любых горных пород при воздействии на них высоких температур и давления, а также различных газообразных и жидких растворов (флюидов), проникающих из глубин.

Для того, чтобы научиться определять минералы и горные породы, необходимо выполнить предложенный в данном учебном пособии комплекс лабораторных работ.