Троицкий. Общая геология. лекция. тема 3

МИНЕРАЛЫ И ПРИНЦИПЫ ИХ КЛАССИФИКАЦИИ

Кристалическая структура, химический состав и физические свойства минералов.Ознакомление с методами их изучения и выделения.Классификация минералов:самородные элементы, окислы и гидроокислы, сульфиды, сульфаты, карбонаты, фосфаты, галлоиды, силикаты (островные, цепоченые, каркасные, листовые).Кристалическая структура, химический состав и физические свойства минералов, ознакомление с методами их изучения.

Рис.3.1 Периодическая система элементов

По данным современной геохимии, в земной коре установлено 93 химических элемента. Большинство из них являются сложными, то есть представлены смесью различных изотопов. Лишь 22 химических элемента (например, натрий, марганец, фтор, фосфор, золото) не имеют изотопов и поэтому называются простыми.Распределены химические элементы в земной коре крайне неравномерно.

1

Рис.3.2.Весовые кларки наиболее распространенных химических элементов земной коры

Приведенные данные показывают, что главными элементами-строителями земной коры являются О, Si, Al, Fe, Ca, Na, К, Mg, составляющие более 98 % ее веса. Ведущее место среди них принадлежит кислороду, на долю которого приходится почти половина массы земной коры и около 92 % ее объема.

Минералами называются природные химические соединения или отдельные элементы, однородные по составу и внутреннему строению, образующиеся в результате различных физико-химических процессов, происходящих в земной коре и на ее поверхности.Детальное изучение состава, свойств, строения, условий образования минералов является предметом минералогии.

Рис.3.3.Средний химический состав земной коры

. В настоящее время установлено около 3500 минеральных видов. Однако лишь несколько десятков минералов (около 70) пользуются широким распространением. Они входят в состав горных пород и руд и называются породообразующими. Абсолютное большинство минералов являются твердыми кристаллическими телами, и только незначительное их число встречается в земной коре в твердом аморфном (опал, лимонит), жидком (вода, ртуть) или газообразном (углекислый газ, сероводород) состоянии.

Образование минералов в условиях земной коры может происходить несколькими способами, отличающимися друг от друга главным образом характером

2

среды минералообразования. Путем кристаллизации природных силикатных расплавов — магм —при понижении их температуры ниже точки затвердевания; именно таким способом образуются породообразующие минералы глубинных магматических пород. Посредством отложения минерального вещества из водных растворов, истинных или коллоидных. Такие растворы могут быть

ными, как, например, растворы соляных озер. В результате реакционного заимодействия между растворамии горными породами, а также благодаря диффузионным процессам, протекающим в твердом состоянии.Наконец, известны случаи кристаллизации минералов из газовой фазы; так образуются, например, из вулканических газов кристаллы самородной серы.

Рис. 3.4.Три состояния вещества Земли

Каждый минерал устойчив в определенных термодинамических условиях, при изменении которых он разрушается и переходит в новое, устойчивое в создавшихся условиях состояние.Твердые кристаллические минералы обладают закономерным внутренним строением, выражающимся в наличии у них кристаллических решеток — однородных бесконечных векториальных построек, в которых атомы, ионы и их группы занимают строго определенные, геометрически закономерные места в пространстве, называемые узлами решеток. Все основные свойства минералов, как и любых кристаллических тел, определяются их внутренним строением и химическим составом.

3

Рис. 3.5.Структура атома (слева) и изотопы углерода(справа)

Рис. 3.6.Основные катионы и анионы и их радиус в ангстремах

Важнейшими факторами, от которых зависит внутреннее строение, или кристаллическая структура минералов, являются структурные единицы кристаллических решеток, их размеры, характер связей друг с другом, координация.

Структурными единицами, из которых строятся решетки минералов, могут быть ионы, атомы, реже молекулы, при этом большинство минералов — это ионные постройки.

Строя минералы, структурные единицы соединяются друг с другом при помощи различного вида химических связей. Главными их типами являются ионная, ковалентная, металлическая и молекулярная. В мире минералов наиболее

4

распространен ионный тип связи, а также переходные виды связи между ионным и ковалентным типами.

Все кристаллические вещества в отличие от аморфных обладают закономерным внутренним строением, выражающимся в наличии у них кристаллических решеток . Места расположения материальных точек называют узлами кристаллической решетки. Совокупность узлов, лежащих на одной прямой и периодически повторяющихся через равные промежутки, формирует ряд, а совокупность рядов, расположенных в одной плоскости, — плоскую сетку кристаллической решетки.

Рис. 3.7.Ковалентные связи элементов на примере галита (слева) и атомов углерода в алмазе(справа)

Все кристаллические вещества обладают рядом свойств, являющихся следствием их закономерного внутреннего строения.

Первое из них -анизотропность, или неравно свойственность в различных направлениях (в отличие от аморфных тел, которые всегда изотропны).

Второе – однородность.Она выражается в том, что любые сколь угодно малые частицы одного и того же кристаллического вещества обладают одинаковыми свойствами (по параллельным направлениям).

Но самым характерным свойством кристаллических веществ является их способность самоограняться, то есть принимать в условиях свободного роста форму правильных многогранников - кристаллов.Поверхность кристаллов ограничена плоскостями - гранями, которые пересекаются по прямым линиям - ребрам. Точки пересечения ребер образуют вершины.

5

Во внешней форме кристаллов находят отражение закономерности строения кристаллических решеток, и поэтому каждое кристаллическое вещество, в том числе и каждый минерал, имеет свои, характерные для него формы кристаллов.Зависимость между внутренним строением и внешней формой кристаллов выражена в одном из основных законов кристаллографии — законе постоянства углов, согласно которому углы между соответственными гранями (и ребрами) во всех кристаллах одного и того же вещества постоянны.

Рис. 3.8.Кристаллические решетки некоторых минералов: а - меди; б - алмаза; в - графита; г - флюорита; д -галита; е - цинковой обманки

Характернейшей особенностью кристаллов является их симметрия.По отношению к кристаллам симметрия — это закономерная повторяемость в пространстве одинаковых граней, ребер и углов фигуры, которая может совмещаться сама с собой в результате одного или нескольких отражений. Для описания симметрии пользуются воображаемыми образами — точками, прямыми, плоскостями, называемыми элементами симметрии.

Плоскость симметрии (Р) - это воображаемая плоскость, которая делит фигуру на две симметрично равные части, расположенные друг относительно друга как предмет и его зеркальное отражение.Ось симметрии (L) - прямая линия, при вращении вокруг которой повторяются равные части фигуры, то есть она самосовмещается. Число совмещений при повороте на 360° определяет порядок оси симметрии (я). В кристаллографии известны оси 2, 3, 4 и 6-го порядков.Центр симметрии (С) — точка внутри кристалла, в которой пересекаются и делятся пополам

6

все линии, соединяющие соответственные точки на его поверхности. В кристалле может быть только один центр симметрии, а в низкосимметричных фигурах он отсутствует вовсе.

Расположение элементов симметрии в кубе (гексаэдре) показано на рис.3.9.

Рис.3.9.Расположение элементов симметрии в кубе (гексаэдре)

Кристаллографические категории и сингонии

Совокупность всех элементов симметрии данного кристалла называется его видом симметрии. В кристаллографии возможно всего 32 вида симметрии.

7

Рис.3.10.Наиболее распространенные формы кристаллов различных сингоний:1-3 — триклинная сингония; 4-5 — моноклинная сингония; 6-9 —

ромбическаясингония; 10-13 — тригональная сингония; 14-16 — гексагональная сингония;17-20 — тетрагональная сингония; 21-25 — кубическая сингония

Рис.3.11.Формы кристаллов различных сингоний:а-куб(галит,пирит),б- додекаэдр(гранат,галит),с-октаэдр(алмаз),д-пирамидальная призма(кварц)

8

Рис.3.12.Вид и поперечное сечение кристаллов кварца

Важная особенность кристаллических веществ заключается в развитии в них явлений полиморфизма и изоморфизма.

Полиморфизмом называется свойство соединений и простых веществ в зависимости от внешних условий кристаллизоваться в различных структурных типах. Разности данного кристаллического вещества, устойчивые в определенных физикохимических условиях, называются его полиморфными модификациями.Поскольку природные условия минералообразования очень многообразны, полиморфизм достаточно широко распространен среди минералов. Классическим примером являются полиморфные модификации углерода — алмаз и графит.

Алмаз обычно возникает в условиях высоких давлений и имеет прочную кубическую решетку; при низких же давлениях углерод кристаллизуется в виде графита, обладающего слоистой гексагональной решеткой И, как следствие, оба эти минерала, имеющие один и тот же состав, обладают совершенно различными свойствами.

Другими примерами могут служить полиморфные модификации FeS2

— пирит (кубический) и марказит (ромбический); СаСО3 — кальцит (тригональный) и арагонит (ромбический) и др.

Структурные единицы, образующие кристаллы минералов, в определенных условиях могут замещаться другими, близкими к ним по кристаллохимическим характеристикам (размерам, заряду, состоянию химической связи, координации) единицами. Это явление называется изоморфизмом.Под изоморфизмом понимается явление взаимного замещения атомов, ионов или их групп в кристаллических решетках минералов без изменения их строения. Образующиеся при этом вещества имеют переменный состав и называются изоморфными смесями или твердыми растворами.

Среди минералов примером полного изоморфизма является группа плагиоклазов, представляющая собой непрерывный изоморфный ряд, крайними

9

членами которого являются натриевая составляющая — альбит Na[AlSi3O ] и кальциевая — анортит Ca[Al2Si20J. Случаи неполного изоморфизма гораздо более многочисленны, например в кальците (СаСО,) только до 22 % кальция может замещаться магнием. Изоморфные примеси содержат очень многие минералы, поэтому их химические формулы достаточно сложны. В формулах минералов компоненты, изоморфно замещающие друг друга, пишутся через запятую.

Кроме явно кристаллического, твердые минералы могут иметь скрытокристаллическое строение, которое обнаруживается только при рентгеноструктурных исследованиях. Такие минералы обычно возникают вследствие дегидратации и перекристаллизации природных коллоидов. Примерами их могут служить лимонит, халцедон, опал, каолинит.

Аморфные минералы, то есть не имеющие упорядоченного внутреннего строения, достаточно редки, к ним принадлежат некоторые кварцевые стекла.

В условиях земной коры образование минералов может происходить несколькими способами, различающимися характером среды минералообразования.

истинных или коллоидных. Такие растворы могут быть горячими или холодноводными. Так образуются очень многие рудные минералы. От

ного потенциала среды.Путем реакционного взаимодействия между растворами и горными породами.

При этом один и тот же минерал в разных условиях может давать выделения различной формы.Монокристаллыединичные сравнительно хорошо ограненные кристаллы минералов, образуются в условиях свободного роста (в трещинах, пустотах) и в принципе могут быть продуктами почти всех минералообразующих процессов. Но, поскольку такие условия создаются не часто, природные монокристаллы сравнительно редки.

10