Природные и искусственные минералы. Первичные и вторичные минералы.
Минерал (от cp.-век. лат. minera - руда) - это природное тело с определённым химическим составом и кристаллической структурой, образующееся в результате природных физико-химических процессов, протекающих на поверхности и в глубинах Земли, Луны и других планет, и обладающее определёнными физическими, механическими и химическими свойствами; обычно представляет собой составную часть горных пород, руд и метеоритов. Минерал - это обычно природное химическое соединение элементов, или самородный элемент, образовавшийся в определенных физико-химических условиях среды.
Изучением минералов занимается минералогия. Минералогия изучает состав, химические и физические свойства минералов, их происхождение, процессы изменений и превращений в другие минералы, а также взаимоотношения одних минералов с другими в минеральных месторождениях или горных породах.
Понятие «минерал» подразумевает твёрдое природное неорганическое кристаллическое вещество. Но иногда его рассматривают в расширенном контексте, относя к минералам некоторые органические, аморфные и другие природные продукты.
Минералами считаются также некоторые природные вещества, представляющие собой в обычных условиях жидкости (например, самородная ртуть, которая приходит к кристаллическому состоянию при более низкой температуре). Воду, напротив, к минералам не относят, рассматривая её как жидкое состояние (расплав) минерала лёд.
Некоторые органические вещества - нефть, асфальты, битумы - часто ошибочно относят к минералам, либо выделяют их в особый класс «органические минералы», целесообразность чего весьма спорна.
Некоторые минералы находятся в аморфном состоянии и не имеют кристаллической структуры. Минералы, имеющие внешнюю форму кристаллов, но находящиеся в аморфном, стеклоподобном состоянии, называют метамиктными. К явно кристаллическим, например, относится кухонная соль, к аморфным - опал. В минералах с кристаллическим строением элементарные частицы (атомы, молекулы) расположены в определенном направлении и на определенном расстоянии между собой, образуя кристаллическую решетку. В аморфном веществе указанные частицы расположены хаотически. От внутреннего строения минерала (кристаллического или аморфного) зависят его основные физические свойства (твердость, спайность, хрупкость, кристаллографическая внешняя форма и др.). А они в свою очередь относятся к важнейшим диагностическим признакам минералов.
Состав минералов выражается его химической формулой - эмпирической, полуэмпирической, кристаллохимической. Эмпирическая формула отражает лишь отношение между собой отдельных элементов в минералах. В ней элементы располагаются слева направо по мере увеличения номера их групп в периодической системе, а для элементов одной группы - по мере уменьшения их порядковых номеров, т.е. по мере увеличения их силовых характеристик.
В настоящее время в природе найдено и изучено более 3 тыс. минералов, но распространены они неодинаково. Ежегодно открывается около 30 их видов, из них только несколько десятков широко распространены, остальные - редки. Наибольшее распространение получили минералы, содержащие кислород, кремний и алюминий, так как эти элементы преобладают в земной коре - 82,58 %.
Называют минералы по месту первой находки, в честь крупных минерологов, геологов и учёных других специальностей, известных коллекционеров минералов, путешественников, космонавтов, общественных и политических деятелей прошлого и настоящего, по каким-либо характерным физическим свойствам или по химическому составу. Последний химический принцип особенно рекомендован, и большинство минералов, открытых за последние десятилетия, в самом названии несут информацию о своём химическом составе.
Попытки систематизации минералов на различной основе предпринимались уже в античном мире. В современной минералогии имеется много различных вариантов минералогической систематики. Большинство из них построено по структурно-химическому принципу. Наиболее широко используется классификация по химическому составу и кристаллической структуре. Вещества одного химического типа часто имеют близкую структуру, поэтому минералы сначала делятся на классы по химическому составу, а затем на подклассы по структурным признакам.
В зависимости от происхождения различают минералы первичные и вторичные .
К первичным относятся минералы, образовавшиеся впервые в земной коре или на ее поверхности в процессе кристаллизации магмы. К первичным наиболее распространенным минералам относятся кварц, полевой шпат, слюда, из которых состоят гранит или сера в кратерах вулканов.
Вторичные минералы образовались при обычных условиях из продуктов разрушения первичных минералов вследствие выветривания, при осаждении и кристаллизации солей из водных растворов или в результате жизнедеятельности живых организмов. Это - кухонная соль, гипс, сильвин, бурый железняк и другие.
Как бы ни был богат и многообразен мир минералов, далеко не всегда их можно получить в достаточном количестве и требуемого качества. Человеку часто требуются далеко не любые минералы, а только те, которые бы отвечали постоянно растущим запросам металлургической, электро- и радиотехнической, оптико-механической, точного приборостроения и другим отраслям промышленности. Требования, предъявляемые народным хозяйством к минералам, часто весьма велики: высокая степень химической чистоты, прозрачности, совершенство огранки и т. д. И конечно, природа далеко не всегда в состоянии удовлетворить эти запросы. Поэтому, не ограничиваясь добычей природных минералов, человек постоянно изыскивает пути и способы получения искусственных минералов, не только не уступающих, а даже превосходящих по своим свойствам естественные. Развитие науки и техники с каждым годом позволяет все глубже проникать в тайны минерального мира. Человек научился создавать уникальнейшую аппаратуру, позволяющую получать минералы, не только не уступающие по своим качествам рожденным в глубинах Земли, но и производить новые, ранее не известные минералы, часто с весьма ценными и оригинальными свойствами.
Искусственным путем (методом синтеза) можно получать минералы, которые встречаются в природных условиях (алмаз, корунд, кварц и др.), и минералы, которые в природных условиях самостоятельно не встречаются (алит, белит и др.), а входят в состав различных технических продуктов, таких как цементы, огнеупоры и т.д. В настоящие время в промышленных целях получен ряд минералов, которые редко встречаются в природе, но обладают ценными свойствами (флюорит, корунд и др.).
Методы синтеза естественных минералов можно разделить на две группы:
1) синтез проводимый в условиях нормального давления.
2) синтез осуществляемый при повышенных давлениях.
В настоящие время получение искусственных минералов сводится к следующим процессам:
1) кристаллизация расплава;
2) реакции, в которых участвуют газовые компоненты;
3) получение минералов в присутствие водных растворов;
4) получение минералов путем реакции в твердой среде.
Практическое значение синтеза минералов в последние годы резко возросло. Тем не менее значение искусственных минералов пока сравнительно невелико. Основная роль принадлежит природным минералам – главным поставщикам многих металлов для промышленности
Минералы находят широкое применение в современном мире. В технике и промышленности используется около 15% всех известных минеральных видов. Минералы представляют практическую ценность как источники получения всех металлов и других химических элементов (руды чёрных и цветных металлов, редких и рассеянных элементов, агрономические руды, сырьё для химической промышленности). Техническое применение многих минералов базируется на их физических свойствах.
Твёрдые минералы (алмаз, корунд, гранат, агат и др.) используются как абразивы и антиабразивы; минералы с пьезоэлектрическими свойствами (кварц и др.) - в радиоэлектронике; слюды (мусковит, флогопит) - в электро- и радиотехнике (благодаря их электроизоляционным свойствам);
асбесты - как теплоизолятор;
тальк - в медицине и в смазках;
кварц, флюорит, исландский шпат - в оптике;
кварц, каолинит, калиевый полевой шпат, пирофиллит - в керамике;
магнезит, форстерит - как магнезиальные огнеупоры и т.д.
Ряд минералов является драгоценными и поделочными камнями. В практике геологоразведочных работ широко используются минералогические поиски и оценка месторождений полезных ископаемых.
На различиях физических и химических свойств минералов (плотности, магнитных, электрических, поверхностных, радиоактивных, люминесцентных и других свойств), а также на цветовых контрастах основаны методы обогащения руд и сепарации минералов, равно как геофизические и геохимические методы поисков и разведки месторождений минерального сырья.
В широких масштабах осуществляется промышленный синтез монокристаллов искусственных аналогов ряда минералов для радиоэлектроники, оптики, абразивной и ювелирной промышленности.
На сегодняшний день известно более 4 тысяч минералов. Ежегодно открывают несколько десятков новых минеральных видов и несколько «закрывают» - доказывают, что такой минерал не существует.
Четыре тысячи минералов - это очень не много по сравнению с числом известных неорганических соединений (более миллиона).
Все процессы образования минералов и горных пород могут быть разбиты на три группы:
А. Эндогенные (внутренние), или, как их часто называют, гипогенные (глубинные) процессы, происходящие за счет внутренней тепловой энергии земного шара.
Б. Экзогенные (внешние), или гипергенные (поверхностные) процессы, происходящие на поверхности земли главным образом под воздействием солнечной энергии.
В. Метаморфические (метаморфогенные) процессы, связанные с перерождением ранее образовавшихся минеральных ассоциаций (как экзогенных, так и эндогенных) в результате изменяющихся физико-химических условий, среди которых главное место занимают изменения давления и температуры.
Название «минерал» пошло от позднелатиского слова «minera», что означает «руда». Отсюда следует, что минерал – это, прежде всего, часть горных пород и руд, причем не только не Земле, но и на других объектах Солнечной Системы.
Что такое минерал?
Возникает минерал в процессе изменения химико-физический свойств. В большинстве своем, материалы имеют закристаллизованное тело, но случается, что к ним также относят и аморфные образования, то есть те, которые не имеют кристаллической решетки.
Они носят название – минералоиды . Также к минералам относят твердые углеводородные образования и некоторые ископаемые смолы, которые входят в янтарь. Минерал изучает наука – минералогия.
Также стоит написать о том, какие минералы относятся к породообразующим. Среди всего разнообразия минералов, в образовании горных пород участвуют лишь единицы.
К важнейшим образующим породы минералам относятся:
- Группа кварца или кремнезем. Самая большая группа по количеству ее в составе Земной коры. Кристаллы кварца имеют форму шестигранника. Сам по себе он чаще всего молочного цвета. Также кремнезем не отличается прозрачностью. Зато может похвастаться своими твердостью и прочностью.
- Алюмосиликаты или глинозем. Второй по численности минерал в составе Земной коры. Отличаются высокой огнеупорностью, а также не очень высокой твердостью.
- Железисто-магнезиальные силикаты. Такие минералы имеют очень темную окраску. Также они очень вязкие и имеют высокий удельный вес.
- Карбонаты. Наиболее ценные из карбонатов – магнезит и доломит. Имеют низкую твердость и небольшой удельный вес. Наиболее часто встречаются они в осадочных горных породах.
- Сульфаты. К ним относится, например, гипс. Также очень часто их можно встретить в осадочных породах. Удельный вес и твердость также очень низкие.
Все минералы в зависимости от их происхождения можно классифицировать на первичные и вторичные:
- К первичным минералам относятся те, которые образовывались в горных породах в самую первую очередь. Как было уже сказано выше, первыми кристаллами были силикаты, они получались из-за застывания магмы.
- Вторичные же минералы образовались вследствие разрушения и рассыпания предыдущих.
Как образуются минералы?
Все известные ученым процессы образования минералов можно разбить на три большие группы:
Чем минералы отличаются от других веществ?
Главной отличительной особенностью минералов от других веществ является наличие однородной внутренней структуры. Так, минералом нельзя считать жидкие и газообразные вещества. А также смеси, имеющие неоднородную структуру. Также не являются минералами и искусственно созданные породы.
Простейшим минералов можно считать обычную поваренную соль . Ее кристаллы образованы очень мелкими решетками, в которых присутствуют такие химические элементы, как натрий и хлор, которые связаны между собой прочной ионной связью.
Примечательно, что атомарное соединение кислорода и водорода, имеющее однородную структуру, проще говоря, лед принято считать минералом. Но жидкое агрегатное состояние тех же химических элементов минералов уже не является.
Физические свойства минералов
Для того чтобы определить минерал, ответственные за это люди изучают его вещественный состав и строение кристаллической решетки, то есть его физические свойства.
Итак, физические свойства минералов:
- Цвет минерала. В отдельных случаях цвет минерала можно определить спектральным методом путем исследования его светового излучения. Некоторые минералы имеют особенность менять окраску в зависимости от падающего на них света. Также отдельные экземпляры имеют различную окраску по всей своей длине. Цвет черты является наиболее точным признаком диагностики. Для определения цвета минерала определяют, как правило, цвет его порошка. Для этого проводят царапину испытуемым по матовой фарфоровой поверхности.
- Прозрачность. По этому признаку минералы делят на несколько небольших групп: прозрачные (хорошо видно предметы), полупрозрачные (предметы видно довольно плохо), просвечивающие (пропускает только в том случае, когда минерал в виде тонкой пластины), непрозрачные (минерал не пропускает свет вообще).
- Блеск. Блеском называется способность предмета отражать свет. При диагностике минералов по блеску их делят на две группы: минералы с металлическим блеском и с полуметаллическим (алмаз, стекло, глянец и другие).
- Спайность. Так, называют способность минерала расщепляться на отдельные частицы. Здесь также различают разные виды спайности: весьма совершенная (минерал без усилия расщепляется на отдельные частицы), совершенная (при легком ударе рассыпается на кусочки, образуя ровные поверхности), средняя (при рассыпании образуются изломы), несовершенная (трудно обнаруживаются спайности в минерале) и весьма несовершенная (спайность отсутствует).
- Излом. Диагностируют характер излома, разделяя минералы на несколько групп с: ровным изломом, ступенчатым, неровным, зернистым изломом, землистым, раковистым, игольчатым и крючковатым.
- Твердость. Это способность поверхности сопротивляться проникновению другого вещества. Определяется путем царапанья минерала ногтем, ножом, стеклом или другим минералом. Измеряется по шкале Мооса.
- Удельный вес. Выделяют следующие классы: легкие (удельный вес составляет до 2,5 грамм на кубический сантиметр), средние (от 2,6 до 4 грамм на кубический сантиметр) и минералы с большим удельным весом (больше 4 грамм на кубический сантиметр).
- Магнитность. Свойство минералов отклонять магнитную стрелку компаса и притягиваться магнитом.
- Хрупкость и ковкость. Ковкими минералами считаются те, что способны менять форму при ударе молотком. Хрупкие же при ударе рассыпаются.
- Электропроводность. Это способность вещества, в данном случае минерала, под действием электрического поля проводить электроток.
- Запах. При горении, трении, смачивании различные минералы приобретают самые разнообразные запахи. Например, угарный газ или сероводород.
- Вкус. Вкусовые эффекты присутствуют только у растворяемых в воде минералов.
- Жирность и шероховатость.
- Гигроскопичность. Свойство минерала притягивать к себе молекулы воды.
В каком виде находятся минералы в природе?
В природе минералы можно встретить в различном виде. Так, некоторые экземпляры могут находиться в виде одиночных кристаллов. Другие же представляют собой скопления – агрегаты.
Выделяют три вида минеральных агрегатов:
- Изометрические агрегаты. Их форма одинаково развита по всем направлениям.
- Удлиненные в одном направлении – игольчатые, столбчатые, лучистые и призматические.
- Вытянутые в двух направлениях формы. К таким относят пластинчатые, таблитчатые, чешуйчатые и листоватые кристаллы.
Систематика минералов
Для более точной классификации минералов Международная Минералогическая ассоциация утвердила следующую систематику:
- Класс. В самую первую очередь минералы классифицируют по анионам. Существуют три группы: основной анион, анионный комплекс и отсутствие аниона. Таким образом, все минералы делятся на: самородки, органические соединения, сульфиды, окиси и гидроокиси, карбонаты, нитраты, сульфаты и другие.
- Подкласс. Подклассы различают минералы с разными структурами. Так, ММА разделила все минералы на несо-, цикло-, соро-, ино-, фило- и тектосиликаты.
- Семейство. На семейства минералы делятся в зависимости от похожести химического либо структурного состава.
- Надгруппа. Она содержит в себе те минералы, которые не входят в отдельные группы.
- Группа. Объединяет минералы с одинаковыми структурами и химическим составом.
- Подгруппа.
Как используются минералы?
Все минералы планеты нашли себе широкое применение в самых различных отраслях:
- Первое место, несомненно, занимает промышленность. Например, при переработке глинозема можно получить большое количество цемента. А слюда является хорошим термо- и электроизолятором, кианит широко используется в качестве огнеупорного материала, а кварц для изготовления стекла.
- Также минералы широко используются в качестве драгоценных и полудрагоценных камней для украшения ювелирных изделий. Те минералы, которые не несут высокой ценности повсеместно используют для ремонта, строительства и даже декора.
- Не менее часто используются и гипс, апатит и селитра
, но уже в качестве удобрений.
Для изготовления фарфоровых статуэток и посуды применяют криолит, флюорит, кианит и другие минералы. - Отдельно стоит сказать про вольфрам. Его применяют для изготовления стали тугоплавких сортов. А также для изготовления лампы накаливания.
- Наверняка, всем известны свинцовые пули , которые также изготовлены из минерала. А еще свинец широко применялся для защиты от радиоактивного излучения.
- Не обошли стороной минерал и художники. Они применяют его в качестве красителя для своих красок. Например, аквамарин дает синий цвет, а изумрудная зелень – зеленый. Киноварь окрашивает в ярко-красные цвета и так далее.
- Наверняка, нет ни одного человека, который бы ни разу в жизни не сделал хотя бы глоток минеральной воды . Получила она свое название не просто так. Свои полезные компоненты: соли, щелочи и другие, она получает именно от минералов. Вода на глубине взаимодействует с ними и обогащается щелочами.
Какие камни относятся к минералам?
Некоторые люди ошибочно полагают, что все камни можно отнести к минералам. Так, например, называют гидротермальные камни, что в корне неверно. Минералами можно считать только природные камни. Например, янтарь, азурит, танзанит.
Можно насчитать не одну тысячу красивых минеральных камней, но далеко не все будут считаться полудрагоценными, а уж тем более драгоценными. Последними считаются камни необычайной красоты, но встречаются они крайне редко, что вполне оправдывает их высокую стоимость.
Драгоценными камнями, которые относятся к минералам можно считать, например, лабунцовит – силикат со сложным составом. Или осумилит – очень редкий минерал. Черчит – редчайший гипсовый минерал. Хризоберилл – оксид бериллия и алюминия. И конечно же, алмаз, рубин, изумруд и другие.
Полудрагоценные камни встречаются, конечно, не так редко, поэтому цена на них ниже. Но все же встретить их можно не очень часто. Аметист , относящийся к числу полудрагоценных камней, также считается минералом. К ним же относятся и, например, бирюза, аквамарин, топаз и янтарь.
Минералогия – это очень интересная наука, как и сам процесс зарождения минералов и их изучение. Минералы играют немалую роль в жизни людей и всей Земли. Поэтому не стоит их обесценивать. Это такое же богатство планеты, как и все остальное.
Минералы - это природные химические соединения, из которых состоят горные породы. Драгоценные камни, песок, руды металлов - это разные формы минералов.
Что такое Минералы?
Существует около 3000 различных минералов, но только 30 из них являются основой скал, почв и песка на Земле. Некоторые минералы образуют похожие на стекло кристаллы, другие выглядят как ярко окрашенные камешки. Минералы отличаются по цвету, плотности и твердости, а также по своей способности отражать свет, проводить тепло или электричество.
Сложные минералы
Некоторые минералы состоят из одного чистого элемента. Многие состоят из двух или более элементов. Один из самых распространенных минералов - кварц - является смесью кремния и кислорода. Большая часть песка на Земле - это гранулы кварца, который используется для изготовления стекла.
Руды
Многие сложные минералы содержат металлы. Красный железняк, или гематит, например, - это оксид железа, а галенит, или свинцовый блеск, - это сульфид свинца. Минералы, из которых можно извлечь металл, называются рудами, и их добывают в шахтах.
Кристаллы
Многие минералы образуют четкой формы-кристаллы. Это является результатом определенного расположения атомов и молекул внутри минерала. Минералы, имеющие твердую кристаллическую форму, а также блеск и красивую окраску, называются самоцветами.
Драгоценные камни
Самоцветы используются главным образом в ювелирном деле. Среди них особенно красивы алмазы, рубины, сапфиры и изумруды. Алмазы, обладающие невероятной прочностью, также широко применяются в промышленности и в горном деле для бурения, сверления и размельчения породы. Алмазы для промышленного применения могут наготавливаться и искусственным путем.
Почвы образуются из поверхностного слоя горных пород при поселении на них зеленых растений и микроорганизмов. Породы, из которых сформировались почвы, называются почвообразующими, или материнскими. Их называют также грунтами и подпочвами.
Химический и минералогический составы почвы зависят от состава той горной породы, из которой она сформировалась. Горные породы состоят из минералов, имеющих общее происхождение. Большинство горных пород состоят из нескольких минералов, простые породы - из одного минерала.
Минералы . Природное тело, имеющее постоянный химический состав и определенные физические свойства, называют минералом.
По происхождению различают первичные минералы, входящие в состав магматических пород, и вторичные минералы, образовавшиеся в результате выветривания первичных минералов и изменения их химического состава.
К первичным минералам почв относят те минералы, которые входили в состав магматических пород и перешли в другие породы и почвы без каких-либо изменений состава. Таким образом, первичные минералы представляют собой остаток магматических пород, подвергшихся только механическому разрушению, но сохранивших свой химический состав. Первичные минералы обычно примешаны к вторичным минералам, которые образуют основную массу почв. Только песчаные породы и почвы состоят в основном из первичного минерала - кварца. В состав почвообразующих пород и почв входят следующие первичные минералы: кварц, полевые шпаты (ортоклаз, микроклин), слюды, магнетит, гематит и др. Первичные минералы образуются из магмы в недрах Земли при определенной температуре и давлении. При выходе на земную поверхность они под воздействием воды, воздуха и живых организмов разрушаются и превращаются во вторичные минералы, из которых формируются осадочные почвообразующие породы.
Существует несколько классификаций минералов: химическая, генетическая, по практическому применению. Ниже рассмотрена классификация минералов по химическому составу.
Все минералы подразделяют на следующие классы: самородные элементы, сульфиды, галогениды, оксиды, соли кислородных кислот (карбонаты, сульфаты, фосфаты, нитраты), силикаты и алюмосиликаты, углеводородные соединения.
Самородные элементы состоят из одного химического элемента. К ним относятся алмаз, графит, сера, а также минералы - серебро, золото, платина. Минералы этого класса составляют менее 0,1 % массы земной коры и являются чаще редкими или драгоценными.
Алмаз - самый твердый минерал, образуется при огромном давлении в недрах Земли. Его широко применяют в технике и для изготовления ювелирных изделий.
Графит - очень мягкий минерал, хотя имеет тот же химический состав, что и алмаз. Образуется из каменных углей и битумов в результате процессов метаморфизма. Имеет окраску от темно-серой до черной. Встречается в виде плотных масс среди метаморфических пород: сланцев, мраморов, гнейсов. Графиты применяют для изготовления карандашей, электродов в атомных реакторах, а также электроплавильных тиглей.
Сера - минерал светло-желтого цвета, встречается в виде кристаллов и землистых масс. Образуется путем кристаллизации из горячих водных растворов, а также при вулканических извержениях и при выветривании сульфатов. Серу широко применяют в химической промышленности, сельском хозяйстве и медицине. Она относится к почвообразующим минералам.
Сульфиды - это сернистые соединения тяжелых металлов (соли сероводородной кислоты). В земной коре наиболее распространены пирит, халькопирит, галенит, киноварь и др. Многие минералы этого класса являются рудами, из которых получают медь, свинец, ртуть. Продукты выветривания сульфидов участвуют в почвообразовании.
Пирит FeS2 - железный, или серный, колчедан. Образуется чаще из расплавленной магмы, а также путем кристаллизации при воздействии горячих паров на соединения железа или в результате метаморфических процессов. Пирит служит сырьем для получения серной кислоты, а железные огарки используют как железную руду. Под действием кислорода и воды пирит разрушается с образованием гидроксидов железа, сульфатов, карбонатов, серной кислоты, которые оказывают влияние на ход почвообразовательных процессов. Необходимо учитывать содержание сульфидов в породах на разрабатываемых месторождениях полезных ископаемых. Сульфидсодержащие породы, оказавшиеся на поверхности в процессе выветривания, образуют серную кислоту. После рекультивации территории, нарушенной при добыче полезных ископаемых, гумусовый слой, нанесенный на поверхность, пропитывается серной кислотой, что приводит к необратимой деградации почвы и загрязнению окружающей среды.
Халькопирит FeCuS 2 - медный колчедан латунно-желтого цвета. Образуется под действием гидротермальных процессов, а также магматическим путем. Халькопирит - это основная руда для получения меди. Он легко окисляется с образованием железа и меди. Из медного колчедана получают медный купорос CuS0 4 , который в сельском хозяйстве используют для борьбы с вредителями садовых культур.
Галенит, или свинцовый блеск, PbS - основная свинецсодержащая руда. Выделяется вместе с цинковой обманкой из горячих минеральных растворов, идущих по трещинам из магматического очага. Из галенита получают свинец, который применяют в электропромышленности, а также для изготовления типографских шрифтов, свинцовых белил, дроби и др.
Галогениды - соли галогеноводородных кислот (НСl, HFи др.). Наибольшее значение для почвообразования и земледелия имеют такие минералы этого класса, как сильвин, галит, карналлит.
Сильвин КСl - основная соль для получения калийного удобрения. Образуется в высыхающих соляных озерах или изолированных от моря заливах при испарении воды.
Галит NaCl - каменная соль, поваренная соль. Ее широко используют в пищевой промышленности. В природе встречается в виде крупных скоплений соли (пласты, штоки, купола) среди осадочных пород. При насыщении галитом грунтовых вод последние служат источником засоления почв, что приводит к значительному снижению почвенного плодородия.
Месторождения сильвина и галита находятся на Среднем Урале, в Белоруссии, Прикарпатье, Сибири и т. д.
Карналлит MgCl 2 · КСl · 6Н 2 O - минерал, залегающий вместе с сильвином и галитом. Из карналлита получают металлический магний и калийные удобрения.
Оксиды - соединения различных химических элементов с кислородом или же с кислородом и водой. Это широко распространенные породообразующие минералы. Класс оксидов подразделяют на группы: оксиды кремния, оксиды железа, оксиды алюминия, оксиды марганца.
В группу оксидов кремния входят кварц, халцедон, опал.
Кварц SiO 2 - самый распространенный кристаллический породообразующий минерал (около 65 % земной коры состоит из кварца). Для кварца характерны большая твердость, неровный излом, отсутствие спайности. Этот минерал входит в состав магматических (гранит и др.) и метаморфических (гнейсы, кварциты и др.) горных пород. При выветривании кварца и кварцосодержащих пород образуются галечники, щебень, гравий, различные пески (эоловые, водные, ледниковые).
Халцедон SiO 2 - аморфный минерал с матовым блеском, образуется из водных растворов, имеет форму желваков, конкреций, сталактитов, разнообразную окраску. Разновидности халцедона (кремень, яшма, агат, сердолик) используют как поделочный материал.
Опал SiO 2 · nН 2 O - водный оксид кремния. Образуется при выветривании силикатов, а также при химическом осаждении из растворов.
В группу оксидов железа входят гематит, магнетит, лимонит.
Гематит Fe 2 O 3 - красный железняк. Содержит около 65 % железа. Его используют как руду в доменном производстве. Образует залежи различных генетических типов месторождений (изверженных, метаморфических, гидротермальных). Встречается в коре выветривания в условиях сухого и жаркого климата.
Магнетит, или магнитный железняк Fe 3 O 4 - соединение, имеющее различное происхождение - магматическое, гидротермальное и др. Сырье для выплавки чугуна и стали. Для магнетита характерны магнитность, черный цвет, металлический блеск и отсутствие спайности.
Лимонит 2Fe 2 O 3 ЗН 2 O - бурый железняк, главным образом распространен в верхних слоях земной коры, образуется при выветривании магнетита и гематита, а также на дне озер, болот и в почвах. Цвет чаще лимонно-желтый, но встречается и черный. Используют для выплавки чугуна и стали.
В группу оксидов алюминия входят боксит и гидраргиллит (гиббсит).
Боксит Аl 2 O 3 · nН 2 O - минерал, в котором содержание воды может изменяться. Собственно боксит имеет формулу Аl 2 O 3 2Н 2 O. Если же в ее состав входят три молекулы воды (Аl 2 O 3 3Н 2 O), то минерал называют гидраргиллитом. Боксит и гидраргиллит встречаются вместе с глиной в виде землистой массы. Минералы имеют белую окраску или слабо окрашены в сероватый, красноватый, зеленоватый цвета; образуются при гидролизе алюмосиликатов в процессе выветривания. Эти минералы - основная руда для получения металлического алюминия.
Пиролюзит МnO 2 относится к группе оксидов марганца. Это основная марганцевая руда. Пиролюзит применяют в производстве красок, а также для получения хлора и кислорода. Из пиролюзита в почву поступает марганец, который необходим растениям как микроэлемент.
Соли кислородных кислот подразделяют на следующие группы: карбонаты, сульфаты, фосфаты, нитраты. Все минералы этого класса имеют большое значение в почвообразовании и служат сырьем для производства удобрений.
Карбонаты - соли угольной кислоты: кальцит, магнезит, доломит, сидерит.
Кальцит СаСO 3 - известковая руда, которую после размола применяют для известкования кислых почв. Используют также в металлургии, строительстве, оптике и т. д. Чистые кристаллы кальцита бесцветны, прозрачны, обладают двойным лучепреломлением (исландский шпат). В осадочных породах кальцит имеет белую окраску, находится в виде залежей известняков, мела. Он может иметь различное происхождение (гидротермальное, метаморфическое), но чаще образуется при осаждении из горячих и холодных растворов.
Магнезит MgCO 3 встречается в виде мраморовидных масс белого, серого или бурого цвета. Образуется в гидротермальных условиях или при выветривании ультраосновных пород. Используют при изготовлении цемента, огнеупорного кирпича, а в молотом виде - для химической мелиорации кислых почв.
Доломит CaMg(CO 3) 2 - двойной карбонат кальция и магния осадочного или гидротермального происхождения. Залегает плотными зернистыми массами разной окраски (белой, желтой, серой и даже черной). Используют как огнеупорный материал в металлургии, а в сельском хозяйстве - для известкования кислых почв.
Сидерит FeCO 3 - железный шпат, образуется гидротермальным путем при взаимодействии железистых растворов с известковой породой. Используют в качестве сырья для получения железа.
Сульфаты - соли серной кислоты: гипс, мирабилит и др.
Гипс CaSO 4 2Н 2 O - минерал осадочного происхождения. Имеет белую окраску, но при наличии примесей бывает серым, розовым, синим. Размолотый гипс применяют для мелиорации солонцов, снижения щелочности почв. Жженый гипс (алебастр) используют как строительный материал и в медицине. Красивую разновидность волокнистого гипса - селенит - используют как поделочный камень.
Мирабилит Na 2 SO 4 · 10Н 2 O - глауберова соль. Образуется в соляных озерах при испарении воды. При температуре выше 33 °С превращается в безводный сульфат натрия - тенардит. Приметают в медицине как лекарственный препарат, используют для приготовления соды.
Фосфаты - соли фосфорной кислоты: апатит, фосфорит, вивианит.
Апатит имеет две разновидности: фторапатит - Ca 5 (PO 4) 3 F и хлорапатит - Ca 5 (PO 4) 3 Сl. Чаще образуется магматическим путем, но может иметь и метаморфическое происхождение. Залегает в виде сплошной зернистой массы зеленовато-серого, зеленого, синеватого и фиолетового цвета. Крупные скопления связаны с щелочными породами. Основное месторождение апатитов разрабатывается на Кольском полуострове (г. Апатиты). Используют для производства главнейшего фосфорного удобрения - суперфосфата, а также для получения фосфорной кислоты и фосфора.
Фосфорит Са 3 (РO 4) 2 - минерал, встречающийся в виде желваковых залежей и плит среди осадочных пород, но может иметь и магматическое происхождение. Характерно наличие примесей кварца, полевых шпатов, глауконита и др. Содержит от 12 до 24 % Р 2 O 5 . После размола можно непосредственно использовать как фосфорное удобрение или для получения концентрированных удобрений.
Вивианит Fe 3 (PO 4) 2 8Н 2 O - минерал белого цвета, на воздухе становится синим или голубым, встречается среди бурых железняков и в виде прослоек в низинных болотах. Примеси этого минерала обогащают торф соединениями фосфора, что увеличивает ценность удобрений, приготовленных на торфяной основе.
Нитраты - соли азотной кислоты: натриевая селитра, калиевая селитра.
Натриевая селитра NaNO 3 имеет органогенное происхождение, ее используют как азотное удобрение, а также для получения азотной кислоты и пороха.
Калиевую селитру KNO 3 применяют как азотно-калийное удобрение.
Силикаты и алюмосиликаты составляют 95 % массы земной коры. Одна треть минералов относится к этому классу. Их происхождение преимущественно магматическое. Для этих минералов характерны неметаллический блеск и небольшая плотность (легкие). Силикаты и алюмосиликаты определяют все свойства почв: физические, химические и биологические.
Оливин (Mg, Fe)2SiO 4 - магниево-железистый породообразующий минерал. В базальтах и дунитах находится в форме зерен темной зеленовато-желтой окраски. При химическом выветривании превращается в кремниевую кислоту, карбонат магния и гидроксид железа. Применяют для производства огнеупорных кирпичей, изготовления ювелирных изделий.
Полевые шпаты составляют около 50 % массы земной коры и относятся к наиболее распространенным минералам. Их образование связано с кристаллизацией магмы, поэтому они чаще всего находятся в изверженных породах, реже - в сланцах, конгломератах и песчаниках. В процессе выветривания из полевых шпатов образуются вторичные (в том числе глинистые) минералы, кремниевая кислота и карбонаты. По химическому составу это алюмосиликаты калия, натрия и кальция. Их подразделяют на калиево-натриевые (ортоклаз, микроклин) и известково-натриевые (плагиоклаз) полевые шпаты. Ортоклаз K(AlSi 3 O 8) распространен в кислых изверженных породах. При химическом выветривании из ортоклаза образуются каолиновые глины. Микроклин имеет тот же химический состав, что и ортоклаз, но отличается строением кристаллической решетки. Плагиоклазы по химическому составу представляют изоморфные смеси альбита Na(AlSi 3 O 10) и анортита Ca(Al 2 Si 2 O 8). Полевые шпаты обычно имеют белую окраску.
Слюды - это широко распространенные слоистые алюмосиликаты. По химическому составу различают калиевые слюды, например мусковит KAl 2 (AlSi 3 O 10), и магнезиально-железистые, например биотит K(Mg, Fe) 3 (OH) 2 . Мусковит -это бесцветная слюда, биотит - черная слюда. При выветривании и разложении этих минералов образуются россыпи, которые при эрозионных процессах переносятся водой в понижения рельефа. Слюды применяют для изготовления огнестойких строительных материалов и в электротехнической промышленности.
Углеводородные соединения: нефть, озокерит, торф, ископаемые угли. Эти соединения образуются из отмерших растений и животных.
Вторичные минералы образуются в процессе выветривания первичных минералов. Вторичные минералы широко распространены в природе и являются главной составной частью многих осадочных пород - морен, лёссов, а также почв. С их содержанием связаны важнейшие свойства почв: поглотительная способность, физико-механические свойства (набухание, вязкость, твердость и др.). В большинстве почв в составе илистой фракции преобладают кристаллизованные глинистые минералы, относящиеся к подклассу слоистых силикатов. К наиболее распространенным глинистым минералам относятся: монтмориллонит, каолинит, гидрослюды, бейделлит, нонтронит и др.
Монтмориллонит находится в тонкораздробленном состоянии, при увлажнении сильно увеличивается в объеме. При большом содержании в почве обусловливает высокую поглотительную способность, а также вязкость во влажном и твердость в сухом состоянии. Глины, состоящие из монтмориллонита, используют в промышленности для очистки жидкостей от взвешенных загрязняющих веществ.
Каолинит образует плотные каолинитовые массы глины белого, желтоватого или серого цвета. Отличается от монтмориллонита тем, что при увлажнении не набухает и имеет низкую поглотительную способность. Каолинитовые глины используют в фарфорово-фаянсовой промышленности.
Гидрослюды образуются при выветривании слюд и широко распространены в почвах. Встречаются обычно в смеси с каолинитом и другими глинистыми минералами. По структуре близки к монтмориллониту.
Другие вторичные минералы (бейделлит, нонтронит) встречаются вместе с монтмориллонитом в осадочных породах и почвах.
Горные породы. Почва состоит из твердых частиц, почвенного раствора (вода с растворенными в ней веществами), почвенного воздуха и живых организмов. В твердую фазу почв входят минеральные вещества, составляющие до 90...99 % ее массы и более. Минеральная часть почвы образовалась из горных пород.
Горные породы состоят из минералов в определенном сочетании. В зависимости от условий образования все горные породы подразделяют на три группы: магматические, метаморфические и осадочные. Каждая горная порода имеет свои характерные признаки. Внешние признаки обусловлены строением и текстурой. По ним распознают горные породы.
Строение породы зависит от формы, размеров и способа срастания слагающих ее минералов. Зернистое строение имеют магматические глубинные породы, состоящие из кристаллических зерен минералов. Излившиеся изверженные породы представляют собой однообразную (некристаллическую) стекловатую массу с раковистым изломом.
Текстура (сложение) характеризует расположение в породе ее составных частей. Однородными называют текстуры, сложенные однородными минералами без определенной пространственной ориентации. Неоднородная текстура характерна для сланцевых пород, сложенных из тонких пластинок.
Цвет горных пород обусловлен химическим составом и окраской входящих в них минералов.
Магматические горные породы образовались из расплавленной магмы. Если остывание магмы происходило медленно, на большой глубине, то формировались глубинные, или интрузивные, горные породы, для которых характерны кристаллическое строение и отсутствие пористости (гранит, сиенит, диорит, габбро, Лабрадор, перидотит, дунит). Если же магма изливалась на поверхность и быстро остывала, то образовывались излившиеся, или эффузивные, породы. Они не имеют кристаллического строения, так как при быстром охлаждении магмы не происходит формирования кристаллов (базальт, диабаз, андезит, липарит).
Все магматические породы в зависимости от содержания в них кремнезема SiO 2 делятся на кислые (свыше 65 %), средние (52...65 %), основные (40...52 %) и ультраосновные (менее 40 %).
Наиболее распространенные магматические породы - граниты сиениты, диориты, андезиты, габбро, диабазы, базальты.
Граниты - кислые глубинные породы, состоящие из калиево-натриевых полевых шпатов, кварца, слюды и роговой обманки. Граниты имеют полнокристаллическое строение, серую, розовую, красную окраску. Широко распространены во всех горных системах, а также в области Балтийского кристаллического щита (Кольский полуостров, Карелия) и Украинской кристаллической плиты (Волыно-Подольская и Приазовская возвышенности).
Сиениты - глубинные средние породы, в которых преобладают полевые шпаты. В них в отличие от гранита отсутствует кварц, но больше содержится роговой обманки и авгита.
Диориты - глубинные средние породы. Отличаются от сиенитов более высоким содержанием (около 35 %) цветных минералов (роговой обманки, авгита, биотита).
Андезиты - эффузивная средняя порода, состоящая из плагиоклаза, пироксенов и роговой обманки.
Габбро - глубинные основные породы с кристаллической зернистой структурой, часто с очень крупными кристаллами. Имеют темную или темно-серую окраску. К габбро близки по минералогическому составу диабазы.
Базальты - эффузивные основные породы, состоящие из плагиоклаза, магнетита и апатита. Базальты широко распространены на Дальнем Востоке и в Сибири. Имеют черную окраску, по химическому составу близки к габбро.
Метаморфические горные породы образуются из магматических или осадочных пород в недрах земли при высоком давлении и высокой температуре. При прогибах земной коры происходит погружение горных пород. Под влиянием одностороннего сжатия и повышения температуры породы в результате перекристаллизации могут приобретать сланцеватость, то есть пластинчатое сложение (сланцы).
К метаморфическим породам относятся гнейсы, сланцы, мраморы, роговики и др.
Гнейсы характеризуются сланцеватостью и кристаллической структурой. Часто встречаются в районах распространения гранитов, с которыми связаны переходными породами - гранито-гнейсами. Гнейсы образуются как из магматических, так и из осадочных пород.
Сланцы имеют пластинчатое сложение и легко раскалываются в параллельном направлении. Они бывают глинистые, горючие, слюдистые и др.
Глинистые сланцы - это метаморфизированные сланцеватые глины темно-серой окраски.
Мраморы - плотные кристаллические породы, образовавшиеся из рыхлых известняков. Погружаясь в недра Земли, известняки расплавляются, а при поднятии к поверхности они охлаждаются и кристаллизуются. Белый мрамор образуется из чистого известняка или мела. Примеси оксидов железа придают мрамору красный цвет, а углеродсодержащие вещества - темно-серый.
Осадочные горные породы образовались в результате переотложения продуктов выветривания магматических пород. На большей части земного шара почвы сформировались на осадочных породах.
По способу образования все осадочные породы подразделяют на три группы: механические, химические и органогенные.
Механические, или обломочные, породы образовались при механическом измельчении (дроблении) различных горных пород под влиянием термического выветривания, а также разрушения их ледниками и снеговыми водами.
Элювий - продукты выветривания, остающиеся на месте их образования. Этот материал состоит из обломков разного размера. В условиях горного рельефа элювий встречается на повышениях. Почвы, образующиеся на элювии, характеризуются низким плодородием, малой мощностью, а также щебнистостью и каменистостью.
Делювий - это рыхлые продукты выветривания, переносимые временными незначительными водными потоками, стекающими вниз по склонам во время дождей и весеннего снеготаяния. Этот мелкоземистый материал откладывается у основания и в нижней части склонов. На делювиальных отложениях формируются плодородные почвы. В горах же временные потоки обладают большой силой и вместе с мелкоземом переносят крупные обломки. В этом случае формируются несортированные наносы, называемые пролювием.
Аллювий - отложения речных постоянных водных потоков. Эти отложения формируются в долинах рек и характеризуются слоистостью и сортированностью.
Озерные отложения - сапропель, ил, мергель. Для них характерна тонкая слоистость.
Болотные отложения состоят из торфа и болотного ила.
Морские отложения встречаются в Прикаспийской низменности, на побережье северных морей. Эти породы сортированы, слоисты и содержат соли. На морских отложениях формируются засоленные почвы.
Эоловые отложения образуются при переносе и отложении песчаного материала ветром. Песчаные наносы занимают большие территории в пустынях, они образуют такие формы рельефа, как дюны, барханы, бугры.
На обширных равнинах в основном распространены отложения четвертичного периода - ледниковые отложения. Они образовались в результате древних оледенений четвертичного периода. Наиболее распространены морена, флювиогляциальные пески, покровные суглинки.
Морена - несортированные, неоднородные отложения, оставшиеся после отступления материковых льдов. Окраска морен красно-бурая, реже желто-бурая. При постоянном переувлажнении происходит оглеение морены и окраска становится серо-сизой. Эти породы содержат валуны. Различают фенноскандинавскую бескарбонатную алюмосиликатную морену с валунами из гранита и карбонатную морену. На бескарбонатных моренах формируются подзолистые завалуненные кислые почвы с невысоким плодородием. Карбонатная (или местная) морена встречается местами в северо-западных областях Нечерноземной зоны России (Ленинградская, Псковская, Новгородская, Вологодская и др.). На этих породах образуются достаточно богатые почвы с нейтральной или слабощелочной реакцией.
Флювиогляциальные, или водно-ледниковые, пески переносились быстротекущими талыми водами ледника и откладывались за ледниковой территорией. Эти песчаные и песчано-галечниковые отложения не содержат валунов и карбонатов. Такие отложения особенно широко распространены в Полесской и Мещерской низменностях. На флювиогляциальных песках формируются малоплодородные, бедные гумусом и питательными веществами почвы. Если эти пески подстилают глины, то происходит заболачивание почв, что часто наблюдается в замкнутых понижениях Полесья и Мещеры.
Покровные суглинки откладывались на мелководных приледниковых территориях из медленнотекущих вод. Они перекрывают морену, что отражается в их названии. Покровные суглинки представляют собой буро-желтые сортированные породы, они не содержат валунов и сложены пылеватыми суглинками однородного состава. Покровные суглинки при увлажнении набухают, а при подсыхании растрескиваются на призматические и ореховатые отдельности. Они характеризуются слабой водопроницаемостью, высокой влагоемкостью и способностью поднимать воду по капиллярам на большую высоту (З...4м). На покровных суглинках сформировались подзолистые и дерново-подзолистые почвы.
Лёсс - порода, распространенная южнее ледниковых и водно-ледниковых отложений. Характеризуется однородным пылевато-суглинистым составом (с преобладанием частиц от 0,05 до 0,01 мм), карбонатностью, пористостью.
Мощность лёсса составляет 10... 11м. Лёссы - самая лучшая почвообразующая порода. Однако они легко размываются водой, образуя отвесные стенки, что необходимо учитывать при разработке противоэрозионных мероприятий.
Лёссовидные суглинки занимают промежуточное положение между лёссами и покровными суглинками как территориально, так и по свойствам. В них меньше, чем в лёссах, карбонатов, менее выражена пористость. На лёссовидных суглинках формируются серые лесные почвы и черноземы.
Химические породы возникают путем отложения вещества на дне водоемов из растворов в результате химических реакций или изменения температуры воды. Карбонатные породы образуются на дне морей частично при осаждении из воды карбоната кальция, поступающего вместе с речной водой. Большая же часть карбоната кальция, осевшего на морском дне, - продукт деятельности некоторых микроорганизмов. Так, в меловом периоде мезозойской эры происходило накопление залежей мела за счет микроскопических раковинных амеб (фораминифер и др.). Хлоридные (галит, сильвин и др.) и сульфатные отложения рассмотрены при описании минералов.
Органогенные породы состоят из продуктов жизнедеятельности животных и растений, а также из их неразложившихся остатков (торф). Многие карбонатные породы (известняки коралловые, ракушечные и др.) образуются с участием организмов, в скелете или защитном покрове которых содержится карбонат кальция.
Минералогия.
Минералогия (от минерал и...логия), наука о природных химических соединениях — минералах, их составе, свойствах, особенностях и закономерностях физического строения (структуры), а также об условиях образования и изменения в природе. Главная задача Минералогии — создание научных основ для поисков и оценки месторождений полезных ископаемых, их обогащения для практического использования в народном хозяйстве.
Минералогия — одна из старейших геологических наук, по мере развития которой от неё отделяются и вырастают новые самостоятельные науки. Так, в 19 в. от минералогии отделились кристаллография и петрография, в начале 20 в. — учение о полезных ископаемых, геохимия, а затем — кристаллохимия.
Основные направления минералогии:
- Описательная минералогия - занимается изучением, накоплением и уточнением фактического материала, разработкой вопросов систематики; обобщением данных по морфологии, физическим свойствам минералов, их химическому составу.
- Генетическая минералогия - выясняет условия, закономерности и процессы, приводящие к образованию определённых минеральных видов и минеральных ассоциаций — месторождений полезных ископаемых.
- Экспериментальная минералогия - занимается моделированием природных процессов и изучением физико-химических систем с целью выяснения условий возникновения минералов в природе.
- Региональная минералогия - обобщает минералогическое изучение определённых территорий и рудных провинций для установления закономерностей распределения минералов и их ассоциаций в связи с историей геологического развития региона.
- Прикладная минералогия - разрабатывает проблемы, связанные с вовлечением в промышленное использование новых минеральных видов, с проведением минералогических исследований, направленных на более полное комплексное использование минерального сырья и повышенное извлечение его полезных компонентов.
- Минералогия космических тел.
К минералам относятся не не только явно кристаллические вещества, но и также и некоторые скрытокристаллические и аморфные природные вещества, которые исстари относятся к царству минералов. Это твердые вещества, продукты природных процессов, составные части горных пород. (Примеры: Халцедон, Опал).
К минералам следует относить природные химически и структурно однородные образования, являющиеся состовными частями других космических тел - Луны, планет, метиоритов.
Различные синтетические продукты, близкие по свойствам, составу и структуре к минералам, называются искусственными минералами.
Названия минералов даются по характерным физическим свойствам, по химическому составу или по месту, где они были впервые обнаружены. Многие минералы названы в честь ученых, открывших или описавших их.
Самый распространённый в природе класс минералов - Силикаты (не менее 75%). Самыми распространенными в земной коре минералами являются Полевые шпаты и Кварц, на долю которых приходится 55% и 12% соответственно.
Минералы, присутствие которых является преобладающим в составе горных пород, называются породообразующими .
Минералы, присутствующие в горных породах, как примеси, называются акцессорные .
Использование минералов.
На сегодня в земной коре открыто около 4 тыс. минеральных видов. Постоянно, каждый год открываются все новые виды или разновидности. Наиболее распространены в земной коре всего несколько сотен видов минералов, но даже из этих минералов используются далеко не все. Тем не менее, на ряду с открытием новых видов, происходит и совершенствование технологий, которые позволяют постоянно расширять номенклатуру используемых в хозяйстве минералов и область их применения. Промышленные месторождения минералов, не так часты, как может показаться и составляют совсем не большой процент от общего числа разведанных месторождений. Наибольшую ценность, для промышленности, представляют комплексные месторождения в состав которых могут входить несколько минеральных видов, причем некоторые из которых могут быть основными, а остальная часть попутными.