2.1 УП МИНЕРАЛЫ
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра строительного про изводства, оснований и фундаментов
Игашева С.П., Соседков Э.С.
ГЕОЛОГИЯ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ «Минералы и их свойства»
для студентов строительных специальностей очной и заочных форм обучения
Тюмень, 2011
УДК
ББК
Игашева С.П., Соседков Э.С. Геология: учебное пособие к лабораторным и практическим работам дисциплины «Геология» для студентов строительных специальностей очной и заочных форм обучения - перераб. и доп. – Т юмень: РИЦ ГОУ ВПО ТюмГАСУ, 2011. – 52 с.
Учебное пособие разработано на основании рабочих программ ГОУ ВПО ТюмГАСУ дисциплины «Геология» для студентов строительных специальностей очной и заочных форм обучения. Учебное пособие содержит теоретический материал по теме «Минералы и их свойства», методические указания к практической работе «Описание свойств минералов» и к двум лабораторным работам: «Макроскопическое определение свойств минералов» и «Изучение минералов по образцам учебной коллекции», контрольные вопросы.
Рецензент: Е.М. Максимов, профессор, доктор г.-м.н.
Рецензент: Ю.В. Кравцов, ведущий научный сотрудник
ООО «Тюменгипрогаз», к.г.-м. н.
Тираж 300 экз.
ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет» Игашева С.П., Соседков Э.С.
Редакционно-издательский центр ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурностроительный университет»
2
Содержание
Введение………………………………………………………………...........................5
1 Практическая работа Описание свойств минералов
1.1Теоретическая часть Основы минералогии.…………………….......………..6
1.1.1Генезис минералов…………………………………………………………..6
1.1.2Химический состав и свойства…………………………………………….7
1.1.3Морфологические признаки……………………………..………………..8
1.1.4Физические свойства………………………………………………..……..9
1.1.5Особые свойства…………………………………………………………..12
1.1.6Применение минералов……………………………………………………12
1.1.7Контрольные вопросы…………………………………………………….13
1.2Практическая часть Описание свойств минералов.…………………..….14
1.2.1Задание………………………………………………………………………14
1.2.2Пример оформления практической работы………………………………..15
1.2.3Характеристика минералов…………………….......………………………16
I САМОРОДНЫЕ
1.Сéра………………………………………………………………16
2.Графúт……………………………………………………………17
II СУЛЬФИДЫ
3.Пирúт…………………………………………………………….18
4.Галенúт……………………………………………………………18
III ГАЛОИДЫ
5.Галúт……………………………………………………………..19
6.Флюорúт…………………………………………………………20
IV ОКИСЛЫ и ГИДРООКИСЛЫ
7.Кварц……………………………………………………………..21
8.Халцедóн…………………………………………………………22
9.Опал………………………………………………………………22
10.Корýнд…………………………………………………………..23
11.Магнетúт………………………………………………………..23
12.Гематúт……………………………………………....................24
13.Лимонúт………………………………………………………...25
V КАРБОНАТЫ
14.Кальцúт…………………………………………………………25
15.Доломúт…………………………………………………………26
16.Магнезúт………………………………………………………..27
VI ФОСФАТЫ
17.Апатúт…………………………………………………………..27
VII СУЛЬФАТЫ
18.Гипс……………………………………………………………..28
3
19.Ангидрúт………………………………………………………..29
20.Барúт…………………………………………………………….30
VIII СИЛИКАТЫ
Подкласс островных силикатов
21.Оливúн…………………………………………………………..30
22.Топáз…………………………………………………………….31
Подкласс листовых силикатов
23.Серпентúн……………………………………………………….31
24.Хризотúл-асбéст………………………………….....................32
25.Мусковúт………………………………………………………..32
26.Биотúт……………………………………………………………33
27.Тальк…………………………………………………………….33
28.Каолинúт………………………………………………………..34
29.Монтмориллонúт………………………………………………34
Подкласс цепочечных силикатов
30.Авгúт…………………………………………………………….35
31.Энстатúт…………………………………………………………36
32.Роговáя обманка…………………………………………………36
33.Актинолúт……………………………………………………….36
Подкласс каркасных силикатов
34.Ортоклáз………………………………………………………….37
35.Микроклúн..…………………………………………………….37
36.Альбúт……………………………………………………………38
37.Лабрадóр…………………………………………………………39
38.Анортúт………………………………………………………….39
39.Нефелúн…………………………………………………………39
2 Лабораторная работа № 1 Макроскопическое определение свойств минералов
2.1Теоретическая часть Методы определения свойств минералов………....41
2.2Практическая часть Определение сво йств минералов
по образцам учеб ной коллекции........................... |
46 |
3 Лабораторная работа № 2 Изучение минералов по образцам учебной коллекции
3.1Теоретическая часть Исследование образцов учебной коллекции………47
3.2Практическая часть Ключ к определению основных
породообразующих и рудных минералов ……….47
3.3 Контрольные вопросы………………………………………….......................... |
50 |
Список литературы……….…………………………………………………...................51 4
Введение
Настоящее учебное пособие содержит теоретический материал по теме «Минералы и их свойства», методические указания к практической работе «Описание свойств минералов» и к двум лабораторным работам: «Макроскопическое определение свойств минералов» и «Изучение минералов по образцам учебной коллек-
ции», контрольные вопросы.
Пособие разработано на основании рабочих программ ГОУ ВПО ТюмГАСУ дисциплины «Геология» для студентов строительных специальностей: ПГС, ГСХ, ПСК, ЭУН, АД, ВиВ, ТГВ, ООС очной, заочной и заочной в сокращѐнные сроки форм обучения.
Цель пособия заключается в том, чтобы в предельно краткой и максимально доступной форме ознакомить студентов с внешними свойствами минералов и с характеристикой основных породообразующих и рудных минералов по образцамучебной коллекции.
Настоящее учебное пособие ставит своей задачей
восполнение пробела в информации по теме «Минералогия» в учебной литературе для указанных выше специальностей;
оказание практической помощи студентам при самостоятельном выполнении работ и порядке их оформления.
Учебное пособие соответствует программе ГОС ВПО и может быть использовано студентами очной, заочной и заочной в сокращѐнные сроки форм обучения всех строительных специальностей (ПГС, ПСК, ЭУН, ГСХ, АД, ВиВ, ТГВ, ООС) как во время аудиторных занятий, так и для самостоятельной работы.
Важнейшим дополнением к данному пособию являются презентации «МИНЕР АЛЫ» и «МИНЕР АЛЫ учебная коллекция», которые подробно иллюстрируют приведѐнный в пособии текст.
5
1 Практическая работа Описание свойств минералов
1.1 Теоретическая часть Оснóвы минералóгии
МИНЕР АЛÓГИЯ – наука, изучающая состав, строение, свойства, условия образования и изменения минералов.
МИНЕР АЛ (от лат. minera – руда; mineral – камень, рождающий металл) –
это простое вещество или химическое соединение, образованное в ходе природных физико-химических реакций и находящееся в кристаллическом состоянии. Исключение составляют аморфные (опал), жидкие (вода) и газообразные минералы.
В настоящее время известно около 2000 самостоятельных минеральных видов (вместе с разновидностями около 10 000), ежегодно открывают несколько новых минералов.
Для определения минералов существует множество методов, требующих специальных знаний, приборов, лабораторий (кристаллографический, рентгеноструктурный, химический, оптический и т.д.). Но известен и более доступный - макроскопический метод исследования минералов путѐм наблюдения легко различимых(внешних) признаков. Определение минерала будет более качественным и достоверным, если оценено наибольшее число внешних признаков, и наблюдения выполнены с максимальной точностью.
Название минералу присваивается первооткрывателем. Оно может отражать свойства минерала (графит от «графо» - пишу); его химический состав (кальцит – СаСО3); место первой находки (лабрадор от полуострова в Северной Америке); имена знаменитых людей (доломит назван в честь французского минералога Деодата Доломье) и т.д. Некоторые минералы имеют старинные названия, первоначальный смысл которых утерян (тальк).
Всегда важно знать происхождение названия минерала, т.к. это помогает отличить и запомнить его. Кроме общепринятого научного названия большинство минералов имеют синонимы, которые помогают в их изучении (галит – каменная соль,
магнетит – магнитный железняк).
1.1.1 Генéзис минералов
Генéзис минералов (происхождение) отражает способ и место образования минерального вещества:
а) природные минералы формируются в земной коре в результате физикохимических процессов :
6
эндогéнные (глубинные) образуются в недрах Земли. Они, обычно, обладают высокой твѐрдостью и плотностью, стойкостью к растворению водой, щелочами и кислотами (кварц);
экзогéнные (поверхностные) формируются на суше или в водной среде за счѐт выветривания каких-либо минералов (глинистые), в процессе выпадения осадка из водных растворов (галит) или за счѐт жизнедеятельности организмов (опал). Они разнообразны по свойствам, но большинство имеет малую твѐрдость, активно взаимодействует с водой;
метаморфúческие (преобразόванные) – изменившие первоначальное состояние за счѐт действия изменившихся температур, давления и притока химических веществ. Исходные минералы перекристаллизовываются без переплавления, приобретают новые свойства (серпентин);
б) искусственные минералы созданы в результате производственной деятельности человека. Они выгодно отличаются от природных отсутствием примесей, но требуют применения специальной аппаратуры. Процесс их создания длительный и трудоѐмкий:
анáлоги – повторяют природные минералы, ресурсы которых ограничены или добыча которых сложнее и дороже, чем синтез (алмаз, горный хрусталь);
техногенные – вновь созданные минералы с заранее заданными свойствами. Самостоятельно не встречаются (алит, муллит, периклаз, карборунд).
Генезис минералов находит отражение в их свойствах и внешнем виде. Информация о генезисе позволяет спрогнозировать поведение минерального вещества в приро д- ных и городских условиях.
1.1.2 Химический состав и сво йства
Химический состав минералов выражается химическими формулами, индивидуальными для каждого минерального вида и позволяет классифицировать минералы:
I. САМОРОДНЫЕ минералы являются простыми веществами и состоят из одного химического элемента (сера S, графит C). Этот класс насчитывает около 50 минералов и составляет 0,1% объема земной коры. Представители этого класса являются ценными ископаемыми.
II. СУЛЬФИДЫ (сернистые соединения) - около 20 природных минералов (пирит FeS2 , галенит PbS), составляющих 0,15% объема земной коры. Они не являются породообразующими и снижают качество строительных материалов.
III. ГАЛОИДЫ (соли галоидно-водородных кислот) - около 100 природных минералов (галит NaCl, флюорит CaF2). Галоиды - вредные примеси в грунтах и строительных материалах.
IV. ОКИСЛЫ и ГИДРООКИСЛЫ – соединения элементов с кислородом и гидроксилом. Этот класс насчитывает около 200 природных минералов, широко рас-
7
пространенных, особенно в поверхностных условиях (кварц SiO2 , магнетит Fe2O3). Они составляют 17% от объема земной коры.
V. КАРБОНАТЫ (соли угольной кислоты) составляют 2% от объема земной коры. Этот класс включает около 80 природных минералов (кальцит CaCO3 , доломит CaMg[CO3]2), которые имеют большое значение для народного хозяйства как естественные строительные материалы и как сырьѐ для производства искусственных строительных материалов.
VI. ФОСФАТЫ (соли фосфорных кислот) – это более 300 минералов (апатит Ca5(F, Cl, OH) [PO4]3), большинство из которых – редкие.
VII. СУЛЬФАТЫ (соли серной кислоты) составляют 0,1% от объема земной коры. В этот класс входят около 260 минералов (гипс Ca[CO4]2H2O, ангидрит CaSO4). Большинство из них имеют малый удельный вес, небольшую твѐрдость, светлоокрашены, некоторые содержат воду. Сульфаты – ценное сырьѐ для производства стройматериалов.
VIII. СИЛИКАТЫ (соли кремниевых кислот) – сложные химические соедине-
ния, составляющие 90% всего объема земной коры. Класс насчитывает около 800 ми-
нералов (лабрaдор (Na,Ca)[AlSi3O8], роговая обманка (Ca, Na)2(Fe2+, Fe3+, Mg, Al, Mn, Ti)3 [Si3Al4O2]2Fe[OH, F]2), многие из них применяются в строительстве.
Минералы с различным химическим составом проявляют разные химические свойства:
растворимость в воде ухудшает свойства грунтов и делает невозможным их применение в качестве естественного строительного камня (галит, гипс);
взаимодействие с НСl (10%) свидетельствует о химической активности и способности выщелачиваться подземными водами (кальцит – бурно вскипает;
доломит – вскипает в порошке; магнезит вскипает в порошке с подогретой кислотой; гипс – растворяется без внешних проявлений).
Плотность (удельный вес) минералов – их важнейший диагностический признак. Она зависит от атомного веса химических элементов, входящих в состав минерала, поэтому является достаточно стабильной характеристикой. Приѐмы точного определения плотности основаны на гидростатическом взвешивании в тяжѐлых жидкостях, результаты исчисляются в г/см³, т/м³. Приближѐнное определение плотности производится сравнительным взвешиванием на руке.
1.1.3 Морфологические признаки
Морфологические признаки определяются структýрой (строением) минерального вещества.
Минералы встречаются в природе во всех агрегатных состояниях: жидкие (вода), газообразные (природные газы), но большинство минералов – твѐрдые тела.
Иногда минеральное вещество представляет собой скопление мол екул, атомов или ионов, расположенных беспорядочно. Такие минералы амóрфны и внешне на-
8
поминают стекло или пластмассу (опал, аморфный магнезит). В каждой точке образца они проявляют одинаковые свойства.
В большинстве случаев частицы располагаются в строгом порядке и образуют кристаллические решѐтки. Такие вещества более устойчивы на поверхности Земли, их свойства однородны только по параллельным направлениям (кварц).
Внешняя форма минеральных проявлений :
а) кристаллы выглядят как более или менее симметричные замкнутые многогранники, которые растут и самоограняются – принимают какую-либо форму. Каждому минеральному веществу присущи несколько конкретных форм кристаллов. Каждый такой многогранник имеет определѐнное число элементов симметрии (центр симметрии, оси симметрии, плоскости симметрии). Кристаллы растут с разной скоростью по разным направлениям, поэтому по внешнему виду (гáбитусу) они могут быть
изометричные – равномерно развитые по трѐм направлениям – длине, ширине и высоте (пирит, галит);
удлинѐнные – преобладает одно направление, - стóлбчатые, игóльчатые, во-
локнистые (гипс-селенит, асбест);
уплощѐнные – хорошо развиты длина и ширина кристалла, а третье направление развито значительно слабее, - таблúтчатые, пластинчатые, листовáтые, чешýйчатые (слюды, полевые шпаты).
Все возможные комбинации кристаллических форм – 32 гáбитуса, - сгруппированы по степени симметричности в 7 сингόний. Их изучает кристаллогрáфия.
б) для формы кристалла важны условия его развития: температура, давление, поступление химических веществ. Идеальными считаются условия, когда параметры окружающей среды неизменны в течение длительного времени. В этом случае все грани растут пропорционально. Но в природе чаще получаются неправильные искажѐнные формы – зѐрна. По аналогии с кристаллами среди них выделяют изомет-
ричные, удлинѐнные и уплощѐнные;
в) кристаллы и зѐрна минералов редко бывают одиночными, чаще они образуют закономерные или случайные срόстки – агрегáты (зернистые, землистые, волокни-
стые, натѐчные, друзы, щѐтки, дендриты, оолиты, псевдоморфозы и т.д.).
1.1.4 Физические свойства Окраска минерала зависит от цвета химических элементов, входящих в его
состав, от примесей, и может быть случайной (см. описание кварца и лабрадора).
Цвет черты – цвет тонкого порошка минерала, полученного при царапании краем образца по керамической плитке. Это т признак минерального вещества является более надѐжным, т.к. более постоянный, чем окраска самого минерала. Цвет черты может совпадать с окраской (магнетит чѐрный и черта у него чѐрная), а мо-
жет не совпадать (пирит латунно-жѐлтый, а черта у него зеленовато-чѐрная).
9
Блеск – способность поверхности минерала отражать свет. Блески определяют на свежем сколе и делят на две большие группы, которые имеют подразделения:
металлические:
собственно металлический – поверхность минерала блестит, как полированное металлическое изделие (пирит на свежем сколе);
полуметаллический – напоминает потускневшую поверхность металли-
ческого изделия (графит);
неметаллические:
стеклянный (кальцит);
алмазный (галенит на свежем сколе);
жирный (кварц молочный);
перламутровый (слюды);
шелковистый (хризотил-асбест).
Поверхность, не отражающая свет, характеризуется как матовая (глинистые) и др.
Прозрачность определяется наблюдением какого-либо предмета через тонкую пластинку минерала:
сквозь прозрачный минерал предмет виден во всех деталях (пластинчатый гипс – «марьино стекло»);
полупрозрачный минерал позволяет увидеть лишь его контур (флюорит); просвечивают в тонких сколах минералы, пропускающие свет, но не позволяющие наблюдать предметы (халцедон);
непрозрачные минералы не пропускают свет даже в очень тонких пластинках
(роговая обманка).
Твѐрдость – степень сопротивления минерального вещества внешнему механическому воздействию:
абсолютная твѐрдость может быть измерена в лабораторных условиях с помощью прибора склерометра путѐм вдавливания в образец алмазной пирамидки. Полученную величину выражают в кг/см2; в полевых условиях проще и удобнее определять относительную твѐр-
дость, используя шкалу Моóса (названа в честь автора - Карла Фридриха Кристиана Мооса, 1773-1839 гг.). Она состоит из 10 минералов-эталонов, твѐрдость которых известна и постоянна. Эти минералы широко распространены и хорошо изучены. Эталоны расположены в шкале так, что каждый последующий оставляет царапину на всех предыдущих, а его царапают все последующие. Ещѐ более удобным дополнением к шкале Мооса является шкала Разумовского, где минералы заменены распространѐнными предметами со сходной твѐрдостью (таблица 1):
10