Учебно-методическое пособие по дисциплинам для с

Минерал – химический элемент или химическое соединение, обычно кристаллическое, которое образуется в результате геологических процессов.

В настоящее время известно более 4000 минералов и каждый год открывается несколько десятков новых минералов. Точная диагностика минералов производится с использованием химического и спектрального анализов, лазерного и рентгеноспектрального микроанализов, рентгеноструктурного и ряда других методов.

Некоторые минералы имеют постоянный состав – содержат незначительное количество структурных химических примесей: кварц (менее 0,01% примеси Al, Fe, Na и др.), галит (менее 0,1% примесей), пирит (менее 0,5-1% примесей Со, Ni и др.). Большинство же минералов имеет переменный состав – в них содержитс значительно большее количество примесей (см. раздел «Изоморфизм»).
Вода в минералах

1. Химически связанная вода:

а) кристаллизационная – молекулы воды содержатся в минерале в строго определенном количестве (гипс Са2SO4.2Н2О);. удаление молекул воды (например, при нагревании) приводит к разрушению минерала с образованием безводного соединения или соединения с меньшим содержанием воды;

б) цеолитная – в минералах с большими (0,5-1 нм) «полостями» в кристаллической структуре (в этих полостях могут размещаться молекулы воды); вода может содержаться в различных количествах и постепенно удаляться при нагревании без разрушения минерала, а затем вновь поглощаться;

в) адсорбционная – удаляется при нагревании до 110С (например, межплоскостная вода монтмориллонита, в результате адсорбции или потери которой кристаллическая решетка минерала разбухает или сжимается).

2. Вода флюидных включений (захваченная из минералообразующих растворов при росте или при последующих преобразованиях кристалла).
В основу классификации минералов положены их химический состав и кристаллическая структура.
ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА

Золото, платина, алмаз, графит, сера.

Золото. Пробность (проба) золота – содержание чистого Au, в ‰ (в десятых долях процента). Наиболее распространенная примесь в золоте – серебро. Чем выше пробность, тем золото имеет более желтый оттенок окраски. Характерным признаком золота является его ковкость – стальная игла оставляет на золоте блестящую царапину.

Старейшее в России коренное месторождение золота – Березовское (к востоку от Екатеринбурга, открыто в 1745 г.); за время эксплуатации на нем добыто около 130 тонн золота. На этом месторождении золото преимущественно невидимое на глаз – оно находится главным образом в приуроченных к кварцевым жилам сульфидах (чаще всего в пирите) в виде зерен размерами в сотые доли миллиметра. На обогатительной фабрике из руды получают обогащенный сульфидами концентрат, из которого золото извлекается химическим путем. В настоящее время эксплуатация ведется на глубине 314 – 512 метров, а промышленное оруденение прослежено до глубины 1,1 – 1,2 км.

Всего в мире в 2000 г. добыто 2544 т золота. Самое крупное в мире месторождение золота – Витватерсранд (Южная Африка).

В России в настоящее время золото добывается преимущественно из россыпей (промывкой рыхлых отложений, главным образом песков).

Алмаз. Является одним из самых дорогих драгоценных камней, а также используется в технических целях - для изготовления буровых коронок, сверл, абразивных материалов и т. п. Технические алмазы составляют 75-80 % от общей добычи алмазов. На технические цели обычно идут непригодные для ювелирного дела алмазы, а также искусственные алмазы, которые в достаточно больших количествах производят во многих странах.

К настоящему времени в мире добыто более 500 т алмазов, из них около трети – за последние 25 лет. 10 % кристалов алмазов имеют форму правильных многогранников, а остальные представляют собой кристаллы несовершенной формы и обломки.

Наиболее крупные месторождения алмазов находятся в Южной Африке. В России начало открытию кореннных месторождений алмазов было положено в 1940 г., когда геолог В. С. Соболев установил, что территория Западной Якутии сходна по геологическому строению с Южно-Африканской платформой и сделал вывод, что алмазы следует искать именно здесь.

Планомерное изучение территории Западной Якутии на алмазы началось с 1945 г. При этом обычные методы поисков долгое время не приводили к обнаружению месторождений алмазов. В 1953 г. молодой геолог Л. Попугаева в ходе проведения поисковых работ нашла кристаллики красного минерала - граната на дне у берега одного из ручьев. Во время камеральной обработки их случайно увидел минералог, профессор Ленинградского университета А. А. Кухаренко. Он сразу определил, что это пироп - разновидность гранатов, являющаяся в Южной Африке спутником алмазов. То есть по нему нужно искать алмазы и в Якутии.

В 1954 г. Л. Попугаева промывала пески в ручьях, ориентируясь на пироп. В одном из ручьев этот минерал привел ее к косе, где была найдена галька зеленоватой породы с кристаллами пиропа, а затем выше по склону, на водоразделе – содержащие алмазы коренные выходы подобной породы. Так было обнаружено первое местонахождение алмазов (алмазная трубка). После этого поиски алмазов по пиропу (минералогический метод поисков) стали общепринятыми и таким путем были обнаружены десятки алмазных трубок. Из геофизических методов при поисках алмазов начали использовать методы магниторазведки.
СЕРНИСТЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Пирит, арсенопирит, пирротин, халькопирит, галенит, сфалерит, антимонит, молибденит, киноварь.
ОКСИДЫ И ГИДРОКСИДЫ

Магнетит, гематит, хромит, пиролюзит, рутил, корунд, гетит, опал.

Лимониты или бурые железняки – мелкозернистые до скрытокристаллических (иногда порошковатые, землистые) смеси гетита и других гидроксидов железа с гидроксидами Al, Mn, кремнеземом, глинистыми минералами.
ГАЛОИДЫ

Галит, сильвин, флюорит.
СОЛИ КИСЛОРОДНЫХ КИСЛОТ

А) карбонаты: кальцит, доломит, магнезит, сидерит, малахит.

Б) фосфаты: апатит.

В) сульфаты: гипс, ангидрит, барит.

Г) вольфраматы: вольфрамит, шеелит.

Галоиды, сульфаты, карбонаты легко растворимы и определяют солевой состав подземных вод.
СИЛИКАТЫ

Силикаты - наиболее многочисленный класс минералов - на их долю приходится до 30% всех известных минералов. Силикаты слагают до 75 % объема земн коры. Главные катионы в силикатах – K1+, Na1+, Ca2+, Mg2+, Fe2+.

Рентгеноструктурным анализом (Брэгг, 1937) показано, что основой кристаллической структуры силикатов является кремнекислородный тетраэдр [SiO4]4-. Силикаты, в которых часть Si4+ в кремнекислородных тетраэдрах замещена на Al3+, – алюмосиликаты.

Островные силикаты – с изолированными кремнекислородными тетраэдрами в кристаллической структуре: оливин, гранаты, топаз, циркон, титанит, кианит, эпидот. Вместе с ними будем рассматривать также берилл, турмалин.

Рис. 14. Кристаллы граната (ромбододекаэдр), циркона (m - тетрагональная призма, s - тетрагональная дипирамида), берилла (m - гексагональная призма, c - пинакоид).
Оливин (Мg,Fе)2[SiO4] встречается в виде изометричных зерен с несовершенной спайностью. В свежем виде имеет зеле­ный цвет и стеклянный блеск. Легко подвергается серпентинизации, приобретая матовый блеск и черную окраску. При выветривании буре­ет (на поверхности образца возникает характерная бурая корка вы­ветривания).

Цепочечные силикаты: пироксены, амфиболы (актинолит, роговая обманка).




Рис. 15. Одинарная кремнекислородная цепочка [Si2O6]4- (а, пироксены) и сдвоенная кремнекислородная цепочка [Si4O11]6- (б, амфиболы). А – разреженная модель, Б – модель из кремнекислородных тетраэдров

П
ироксены и амфиболы внешне сходны друг с другом и нередко трудно различимы, особенно при мелких размерах зерен. Для отличия пироксенов и амфиболов (роговой обманки) могут быть использованы следующие признаки:

1) те и другие минералы имеют спайность по двум направлени­ям, но угол спайности у пироксенов - около 90°, а у амфиболов - около 120°;

2) облик кристаллов пироксенов часто короткопризматический (кроме эгирина NаFе[Si2О6], который образует длиннопризматические кристаллы), а амфиболов - длиннопризматический (рис.2);


Рис.16. Форма кристаллов

пироксенов (а – авгит, б – диопсид) и амфиболов (в – роговая обманка)

3) окраска роговой обманки черная, пироксенов - как черная, так с серыми и зелеными оттенками.
Слоистые силикаты: тальк, слюды (мусковит, биотит, серицит), хлорит, серпентин (хризотил-асбест), глинистые минералы (каолинит, гидрослюды, монтмориллонит).





Г
Рис. 17. Кремнекислородный лист [Si4O10]4- : а – разреженная модель;

б – в тетраэдрах
линистые минералы

Кристаллическая структура глинистых минералов образована пакетами, состоящими из тетраэдрических и октаэдрических слоев. Тетраэдрические слои сложены кремнекислородными тетраэдрами (в центре тетраэдра – атом кремния, в вершинах – атомы кислорода). Октаэдрические слои сложены алюмокислородными октаэдрами (в центре октаэдра – алюминий, в вершинах – атомы кислорода и гидроксильные группы). В зависимости от числа слоев в пакетах глинистые минералы разделяются на двуслойные (пакет состоит из одного тетраэдрического и одного октаэдрического слоев) и трехслойные (пакет состоит из двух тетраэдрических слоев и одного располагающегося между ними октаэдрического слоя).




К
Рис.18. Тетраэдрический (а) и октаэдрический (б) слои

в кристаллической структуре слоистых силикатов

аолинит Al4[Si4O10](OH)8 – двуслойный глинистый минерал. Расстояние между пакетами 0,7 нм. Изоморфные замещения практически отсутствуют.

Смежные пакеты соединяются друг с другом посредством водородных связей, возникающих между атомами кислорода поверхности одного пакета и гидроксильными группами поверхности смежного пакета. Это делает структуру каолинита прочной: он слабо гидратируется, слабо способен к ионному обмену и не набухает в воде. Частицы каолинита могут сорбировать на своей поверхности молекулы воды и ионы лишь за счет разрыва на этих поверхностях химических связей.

Монтмориллонит – трехслойный глинистый минерал. Расстояние между пакетами 1,2–1,8 нм.

Смежные поверхности расположенных рядом друг с другом пакетов сложены атомами кислорода, поэтому между пакетами, в отличие от каолинита, водородная связь отсутствует. Пакеты связаны между собой лишь значительно более слабой ван-дер-ваальсовой (молекулярной) связью. Молекулы воды могут свободно проникать между пакетами и раздвигать их, снижая тем самым и без того крайне слабое молекулярное взаимодействие между ними. В зависимости от количества воды, находящейся между пакетами, изменяется расстояние между последними, с чем связано увеличение объема (внутрикристаллическое набухание) монтмориллонита в присутствии воды.

В тетраэдрических слоях Si4+ может изоморфно замещаться на Al3+, в октаэдрическом слое Al3+ - на Mg2+ и Fe2+. В результате этого гетеровалентного

Рис.19. Кристаллическая структура монтмориллонита
изоморфизма возникает дефицит положительного заряда и пакеты приобретают отрицательный заряд. Этот заряд компенсируется гидратированными обменными катионами (Na1+, Ca2+), адсорбированными между пакетами и краевыми участками глинистых частиц (80% обменных катионов находится между пакетами и 20% -по краям частичек монтмориллонита). Этим объясняется высокая поглотительная способность монтмориллонита.

Ионы Na1+ обладают способностью удерживать большее количество воды, чем ионы Са2+, поэтому натриевые монтмориллонитовые глины более текучи и пластичны, чем кальциевые.
Гидрослюды – трехслойные глинистые минералы. Расстояние между пакетами 1 нм.

Часть кремния в тетраэдрических слоях изоморфно замещается алюминием. Дефицит положительного заряда скомпенсирован вхождением между пакетами К1+, а также Са2+, Na1+, Н1+. Так как, в отличие от монтмориллонита, основные изоморфные замещения происходят в тетраэдрических слоях, избыточный отрицательный заряд располагается близко к поверхности пакета. Поэтому соседние пакеты прочно связываются катионами К1+ за счет ионно-электростати-ческих сил, так что молекулы воды не могут проникать между пакетами и вызывать внутрикристаллическое набухание. Ионный обмен в связи с этим также резко ограничен.


Рис.20. Кристаллическая структура

мусковита
Основными активными поверхностями частичек гидрослюд являются их боковые края в местах разорванных связей, а также внешние базальные грани. В отличие от каолинита, внешние базальные грани гидрослюд из-за гетеровалентного изоморфизма несут нескомпенсированный отрицательный заряд. Поэтому по гидрофильности и активности в обменных и адсорбционных реакциях гидрослюды занимают промежуточное положение между каолинитом и монтмориллонитом.
Каркасные силикаты – кремнекислородные тетраэдры в кристаллической решетке соединены друг с другом общими вершинными атомами кислорода, образуя трехмерную структуру (каркас) с достаточно большими пустотами. Кварц, халцедон. Полевые шпаты - калиевые (ортоклаз, микроклин) и плагиоклазы (альбит, анортит), нефелин.

Кварц SiO2 распознается по отсутствию спайности, стеклян­ному блеску, раковистому излому, высокой твердости (его зерна легко царапают стекло), изометричной форме зерен; в породах встречается как бесцветный, так серый и черный кварц. В вулка­нических и жильных породах высокотемпературный кварц образует вкрапленники в форме гексагональной дипирамиды (на сколах могут давать сечения квад­ратной формы) или в виде изометричных округлых выделений.

Низкотемпературный кварц относится к тригональной сингонии. Его кристаллы образованы главным образом гранями гексагональной призмы и ромбоэдра.

Прозрачные кристаллы кварца - горный хрусталь. При облучении прозрачный кварц (содержащий в небольшом количестве изоморфную примесь алюминия) приобретает дымчатую до черной (морион) окраску. Эта окраска обусловлена образованием под действием облучения дефектов в кристаллической структуре кварца за счет смещения отдельных слабо связанных электронов из их исходного положения (рис.17). Нагревание до 200С переводит слабосвязанный электрон в первоначальное положение, что сопровождается исчезновением дымчатой окраски.

Аметист – кварц фиолетового цвета (из-за изоморфной примеси Fe3+).


Рис. 21. Схема идеальной кристаллической структуры кварца (а) и реальной

структуры дымчатого кварца (б) [3]
Препараты, приготовленные из прозрачных кристаллов кварца, имеют широкое применение в радиоэлектронной технике. Около 85% потребностей промышленности покрывается за счет искусственных кристаллов кварца (в мире ежегодно выращивается более тысячи тонн таких кристаллов). Они в десятки раз дешевле пригодных для использования природных кристаллов горного хрусталя. Тем не менее в наиболее ответственных изделиях (для дальней космической связи и т.п.) нередко используется природный кварц, как более качественный (его кристаллическая решетка содержит меньше дефектов) по сравнению с искусственным.

Искусственные кристаллы кварца выращиваются в герметичных стальных емкостях, заполненных раствором Na2CO3. В нижнюю часть емкости загружается шихта (обычный молочно-белый кварц), а в верхней части емкости подвешиваются тонкие пластинки, вырезанные из природных кристаллов кварца. Температура поднимается до 250-450С (в нижней части емкости несколько выше, чем в верхней), давление - до десятков и сотен МПа. При этом шихта начинает растворяться, а толщина подвешенных пластинок за счет нарастающего кварца начинает увеличиваться - образуются кристаллы искусственного кварца. Кристаллы растут со скоростью в десятые доли мм в сутки в течение пяти месяцев. Добавление в раствор определенных реагентов позволяет выращивать окрашенные разновидности кварца.

Значительно более широко, чем кристаллы кварца, распространен жильный кварц (образует кварцевые жилы). Нередко за счет присутствия огромного количества мельчайших (в тысячные доли миллиметра) флюидных включений он имеет молочно-белую окраску. Одной из разновидностей жильного кварца является гранулированный кварц (состоит из мелких прозрачных кварцевых зерен), который используется для получения кварцевого стекла - дефицитного конструктивного материала, имеющего широкое применение, в том числе при оснащении космической техники, в самолетостроении и т.д.
Полевые шпаты (плагиоклазы и калиево-натриевые полевые шпаты). На долю полевых шпатов приходится около 40-45% массы литосферы.

Обладают твердостью 6 (свежие) и спайностью по двум направлениям под углом около 90°. Цвет белый, серый, розовый, редко светло-зеленый. В неизмененных вулка­нических породах они прозрачны и напоминают кварц, отличаясь от него удлиненной формой зерен и наличием спайности. Отличить пла­гиоклаз от калинатрового полевого шпата макроскопически можно не всегда, в этом случае следует пользоваться общим названием "полевой шпат".

Плагиоклазы - минералы переменного состава, представляют со­бой изоморфные смеси альбита Nа[AlSi308] и анортита Са[А12Si208]; процентное содержание анортита в плагиоклазе называется номером плагиоклаза.

Номер плагиоклаза

0 - 10 альбит кислый плагиоклаз

10 - 30 олигоклаз "

30 - 50 андезин средний плагиоклаз

50 - 70 лабрадор основной плагиоклаз

70 - 90 битовнит "

90 - 100 анортит "

На плоскостях спайности плагиоклазов, в отличие от калиево-натриевых полевых шпатов, иногда видна полисинтетическая двойниковая штриховка. Основные и средние плагиоклазы могут быть подвержены соссюритизации, приводящей к стиранию спайности и приобретению минералом матового излома и характерной зеленоватой (реже бело­ватой или розоватой) окраски. Некоторым основным плагиоклазам свойственна темно-серая окраска и синеватый отлив на плоскостях спайности. При отсутствии указанных особенностей плагиоклаз внеш­не не отличим от калинатрового полевого шпата.

По окраске белые и серые свежие калиево-натриевые (щелочные) полевые шпаты (К,Na)[АlSi308] (ортоклаз, микроклин) сходны с плагиоклазами. При вторичных изменениях калиево-натриевые полевые шпаты приобретают крас­новатую или желтоватую окраску, чем отличаются от измененных зе­леноватых плагиоклазов. Красноватая окраска может быть свойствен­на и кислому плагиоклазу - альбиту, но для последнего, в отличие от калиево-натриевого полевого шпата, характерна полисинтетическая двойниковая штриховка на плоскостях спайности.

Нефелин Nа3К[А1SiO4] отсутствием спайности и окраской иногда сходен в свежем изломе с кварцем. Отличается несколько бо­лее низкой твердостью и жирным блеском, кроме серой может иметь зеленоватую или красно-бурую окраску. Ограненные зерна нефелина имеют форму гексагональных призм и на поверхности скола породы (например, уртита) дают сечения прямоугольной или правильной шестиугольной формы. Нефелин легко подвергается вторичным изменениям и выщелачиванию: места выхода зерен нефелина иногда фиксируются на выветрелой поверхнос­ти породы ямками выщелачивания.
Цеолиты

Представляют собой водные алюмосиликаты главным образом натрия и кальция. В их кристаллической структуре каркас из алюмокремнекислородных тетраэдров пронизан широкими бесконечными каналами, связывающими большие полости. Суммарный объем полостей и соединяющих их каналов составляет около половины объема кристалла.

Полости и каналы в кристаллической структуре содержат молекулы воды, которые свободно перемещаются вдоль каналов и удерживаются лишь очень слабыми силами. Они могут удаляться и поглощаться без разрушения кристаллической структуры. Поэтому цеолиты могут использоваться для осушения газов и жидкостей.

Из-за замещения Si4+ на Al3+ каркас [(Si,Al)О4]- тетраэдров имеет отрицательный заряд, компенсируемый присутствием на стенках полостей ионов Na1+, K1+, Ca2+, Mg2+. Катионы цеолитов могут легко замещаться другими катионами (катионообменные свойства). Например, Nа1+ может выходить из кристаллической структуры цеолитов, замещаясь Са2+, поглощаемым из окружающей среды (на этом основано использование натриевых цеолитов для смягчения жестких вод).
Цветные камни Урала (Аринштейн и др.,1986)

Некоторые цветные камни:

ювелирные (драгоценные) 1 и 2 порядка – рубин, изумруд, алмаз, сапфир, александрит

ювелирные (драгоценные) 3 порядка – аквамарин, топаз, турмалин

ювелирные (драгоценные) 4 порядка – лунный и солнечный камень, бирюза, аметист, цитрин

ювелирно-поделочные 1 порядка – лазурит, нефрит, малахит, бесцветный и дымчатый горный хрусталь

ювелирно-поделочные 2 порядка – агат, амазонит, родонит

п
Рис. 22. Схема разложения белого света в бриллианте (Булах, 1999)

оделочные – яшма, обсидиан, лиственит.

Среди других самоцветных районов мира Урал представляет уникальное минералогическое явление как по количеству, так и по разнообразию цветных камней. Здесь имеются почти все известные в мире цветные камни, образующие около тысячи проявлений и месторождений.

Мурзинско-Адуйская самоцветная полоса тянется на 150 км при ширине 20-30 км от широты Нижнего Тагила до широты Екатеринбурга. В пегматитовых жилах здесь встречаются аквамарин, топаз, турмалин, цитрин, в кварцевых жилах – аметисты, в полевошпатовых – рубин, сапфир.