Понятие о минералах и их классификация

Твердая оболочка Земли — земная кора — составляет лишь 1,5% от общего объема земного шара. Но, несмотря на это, именно земная кора, а точнее ее верхний слой, представляет для нас наибольший интерес, так как он является источником минерального сырья.

Минералы — это относительно однородные природные тела, имеющие определенные химический состав и физические свойства. Название «минерал» происходит от латинского слова «минера», что в буквальном переводе означает — руда, рудный. Наука, изучающая состав, структуру и свойства минералов, их происхождение и условия залегания, называется минералогией.

Минералы образуются в результате физико-химических процессов, совершающихся в земной коре. Как и вся окружающая нас природа, они состоят из химических элементов. Образно говоря, минерал—это своего рода здание из кирпичиков — химических элементов, построенное по определенным законам природы. И подобно тому, как из примерно одинакового количества кирпичей человеком возведено на Земле множество различных зданий, из сравнительно небольшого числа химических элементов природой создано в земной коре более 3 тыс. разнообразных минералов. Всего с учетом многочисленных разновидностей насчитывается более 7 тыс. их наименований, которые даются каждому минералу по какому-либо признаку.

В земной коре минералы чаще встречаются не самостоятельно, а в составе горных пород. Они во многом определяют физико-механические свойства горных пород и с этой точки зрения представляют наибольший интерес для технологии обработки камня.
Большинство минералов встречается в природе в твердом состоянии. Твердые минералы могут быть кристаллическими или аморфными, различаясь внешне геометрической формой — правильной у кристаллических и неопределенной у аморфных.

Форма минералов зависит от расположения в них атомов. В кристаллических минералах атомы располагаются в строго определенном порядке, образуя пространственную решетку, благодаря которой многие минералы (например, кристалл кварца) имеют вид правильных многогранников. Кристаллические минералы анизотропны, т. е. физические свойства их различны по разным направлениям. В аморфных минералах (обычно они имеют форму натеков) атомы расположены беспорядочно. Такие минералы изотропны, т. е. физические свойства их одинаковы по всем направлениям.

В соответствии с общепринятой в настоящее время химической классификацией все минералы могут быть разделены на девять классов:

I. Силикаты — соли кремневых кислот, среди которых выделяют подгруппы минералов, имеющих некоторую общность состава и строения: полевые шпаты, разделяющиеся по химическому составу на плагиоклазы и ортоклазы, пироксены, амфиболы, слюды, оливин, тальк, хлориты и глинистые минералы. Это самый многочисленный класс, насчитывающий до 800 минералов.
II. Карбонаты — соли угольной кислоты, включающие до 80 минералов и в их числе наиболее распространенные кальцит, магнезит и доломит.
III. Окислы и гидроокислы — объединяют около 200 минералов, среди которых наиболее распространены кварц, опал, лимонит, гаматит.
IV. Сульфиды — соединения элементов с серой, насчитывающие до 200 минералов. Типичный представитель — пирит.
V. Сульфаты — соли серной кислоты, включающие около 260 минералов, среди которых наибольшее распространение получили гипс и ангидрит.
VI. Галоиды — соли галоидных кислот, насчитывающие около 100 минералов. Типичные представители галоидов — галит (поваренная соль) и флюорит.
VII. Фосфаты — соли фосфорной кислоты. Типичный представитель — апатит.
VIII. Вольфраматы — вольфрамокислые соединения.
IX. Самородные элементы — алмаз и сера.

Физические свойства минералов

Все минералы обладают определенными физическими свойствами, основные из которых делятся на три группы: морфологические особенности, определяемые внешней формой; оптические свойства, включающие цвет, прозрачность и блеск; механические свойства, выражаемые показателями твердости и плотности, степенью спайности и видом излома.

В природных условиях кристаллы минералов в основном имеют неправильные очертания, четко ограненные кристаллы встречаются довольно редко. Разнообразные формы минералов могут быть разделены на три основных вида:

• изометрические, развитые в пространстве примерно один из трех направлениях (пирит и галит);
• столбчатые, игольчатые и т. п., вытянутые в одном направлении (кварц асбест):
• плоские, листоватые и чешуйчатые, вытянутые в двух направлениях (слюда и графит).

Цвет минералов в первую очередь зависит от их состава. По цвету они могут быть разделены на светлые и темные. В составе светлых минералов преобладают кремний и алюминий, а железо и магний содержатся в малых количествах или вообще отсутствуют (кварц, полевые шпаты, гипс, кальцит н др.). В составе темных минералов преобладают железо и магний за счет уменьшения или отсутствия кремния и алюминия. Именно значительное содержание железа и магния способствует темной окраске минералов (роговая обманка, бнотит, или черная слюда, авгит, оливин, рубин и др.).
Для многих минералов цвет строго постоянен, например у хлорита он всегда зеленый. У некоторых минералов наблюдается изменение цвета или появление оттенков; это связано с наличием в данных минералах каких-либо примесей. Так, например, обычно бесцветный кварц может стать молочным, фиолетовым и даже черным.

Кроме разделения по цвету, минералы делят также по прозрачности, т. е. по свойству пропускать свет, на три группы; прозрачные (кварц), полупрозрачные (гипс) и непрозрачные (графит). Причем, многие минералы становятся прозрачными только в тонких пленках.

Спайность минералов определяется исключительно внутренней структурой кристаллического вещества и не зависит от его внешней формы. Под спайностью понимают способность минералов раскалываться при ударе по определенным направлениям с образованием гладких плоскостей, называемых плоскостями спайности. Наличие спайности может быть установлено путем осмотра поверхности излома минерала при отраженном свете. Исследуемый минерал при этом следует поворачивать в разные стороны.

Спайность минералов можно оценить следующим образом: весьма совершенная, при которой минерал способен расщепляться на тонкие листочки (слюда); совершенная, когда при расколе молотком минерал дает обломки, ограниченные правильными плоскостями (кальцит); средняя, при которой образуются обломки с относительно правильными гранями (полевые шпаты); несовершенная, когда на осколках минерала местами заметны небольшие гладкие площадки (оливин и апатит); весьма несовершенная, при которой минерал раскалывается по неопределенным направлениям (кварц).

Поверхность разрыва и раскалывания минералов характеризует излом; по плоскостям спайности — у кальцита, раковистый — у кварца, землистый — у каолинита и т. д. Твердость минералов определяется их внутренней структурой и составом. Под твердостью минералов понимают способность их противостоять внешнему механическому воздействию, в частности прочерчиванию поверхности одного минерала более твердым другим минералом или каким-либо острым предметом.

Таблица 1

Определение твердости минералов

Каждому минералу присуща определенная твердость, которая ориентировочно оценивается по десятибалльной шкале твердости минералов, предложенной более 100 лет назад немецким ученым Ф. Моосом и носящей его имя. Истинная твердость минералов, которая в наше время может быть точно определена с помощью склерометров и выражается в паскалях (Па) или мегапаскалях (МПа), резко отличается от твердости, определяемой по шкале Мооса. Однако, несмотря на это, шкала Мооса прочно вошла в обиход при определении твердости минералов, которые подобраны в ней от самого мягкого— талька, до самого твердого—алмаза. Каждый последующий минерал по шкале тверже предыдущего, порядковый номер минерала обозначает его твердость. По шкале Мооса большинство минералов имеет твердость от 2 до 6.

Для определения твердости данного минерала его свежую поверхность прочерчивают осколком другого минерала с известной твердостью. Практически в качестве условных эталонов твердости можно использовать ноготь — твердость 2,5, стекло — 5, лезвие ножа — 5-У5.5 (табл. 1).

Главные породообразующие минералы

Из множества минералов только некоторые (не более 50) имеют массовое распространение. Обычно они встречаются не в одиночном виде, а входят в состав горных пород. Эти немногие наиболее распространенные в природе минералы, преимущественно слагающие горные породы, называют породообразующими.
В горных породах породообразующие минералы распределены неодинаково. Например, главными минералами гранитов являются полевые шпаты—до 60%, кварц — до 40% и слюда, роговая обманка, авгит — до 10%.
Ниже приведены основные свойства главных породообразующих минералов.

Плагиоклазы — группа полевых шпатов, минералы которой состоят из различных количеств альбита Na[AISi3O8] и анортита Ca[AISi2O8],
Плагиоклазы могут быть белого, серовато-белого, серого и темно-серого цвета, иногда с зеленоватым или синеватым, реже красноватым, оттенком; имеют стеклянный блеск. Твердость 6— 6,5; спайность совершенная: при ударе молотком плагиоклазы раскалываются с образованием косого угла между плоскостями спайности. Плотность изменяется от 2610 у альбита до 2760 кг/м3 у анортита.

Ортоклазы K[AlSi₃O₃] — группа полевых шпатов, в составе которой наибольшее распространение получили ортоклаз и микроклин.

Ортоклазы могут быть розового, красного, желтого или серо-розового, реже белого или серого, цвета; имеют стеклянный блеск. Твердость 6; спайность совершенная и средняя. В отличие от плагиоклазов ортоклаз раскалывается на прямоугольные куски, так как его плоскости спайности перпендикулярны. Плотность ортоклаза 2500—2600 кг/м3

Микроклины по своим данным аналогичны ортоклазам, за исключением того, что угол между плоскостями спайности в микроклинах несколько меньше прямого угла.
Минералы групп плагиоклазов п ортоклаза, представляющие полевые шпаты, наиболее распространены в земной коре. Они входят в больших количествах в состав гранитов, сиенитов, гнейсов и многих других горных пород. Лабрадор является главной составной частью лабрадорита, который служит облицовочным материалом с высокими декоративными качествами.

Авгит — Са (Mg, Fe, Al)[(Si, Аl₂О₆]- Наиболее распространенный минерал из числа пироксенов. Он может быть зеленовато-черного или буровато-черного, реже темно-зеленого или бурого, цвета; имеет стеклянный блеск. Твердость 5—6,5; спайность совершенная. Плотность 3200—3600 кг/м3. Авгит в больших количествах входит в состав габбро, пироксенитов и других горных пород, придает им хрупкость и затрудняет полировку.

Роговая обманка — Ca₂Na (Mg, Fe)₄(Al, Fe)[(Si, Al)₄OH]₂[OH]₂. Один из наиболее значительных минералов группы амфиболов. Может быть зеленого или бурого цвета разных, преимущественно темных, оттенков; имеет стеклянный блеск. Твердость 5.5—6; спайность совершенная. Плотность 3100—3300 кг/м3. Роговая обманка в небольшом количестве входит в состав гранита.

Мусковит—КАl₂[АISi₃O₁₀][ОН]₂. Белая слюда, имеет стеклянный блеск. Твердость 2—3; спайность весьма совершенная. Плотность 2700—3100 кг/м3.

Биотит—K(Mg, Fe)₃[Si₃AlO₁₀][OH, Fe]₂. Черная слюда. Физические свойства аналогичны свойствам мусковита. Слюды входят в состав многих горных пород любого происхождения. При выветривании они расслаиваются и снижают механическую прочность пород, ускоряя их разрушение.

Оливин —(Mg, Fe)₂SiO₄. Имеет оливково-зеленый цвет; блеск стеклянный и жирный; раковистый излом. Твердость
6.5— 7; спайность несовершенная. Плотность 3200—4350 кг/м3. Оливии входит в состав диабаза, базальта; нз пего почти целиком состоят дунит и перидонит.

Тальк — Mg₃[Si₄O₁₀](OH)₂. Может быть белого, бледно-зеленого или светло-желтого цвета; блеск жирный. Твердость 1; спайность весьма совершенная. Плотность 2700—2800 кг/м3. Тальк встречается в виде плотных листоватых масс среди известняков и в составе тальковых сланцев. Он хорошо сопротивляется выветриванию.

Хлорит — Mg₄Al₂[Si₂Al₂O₁₀][OH]₈. Может быть от светло- до темно-зеленого цвета; блеск перламутровый. Твердость 2—2,5; спайность весьма совершенная. Плотность 2600—2850 кг/м3. Хлорит встречается в виде листоватых или чешуйчатых масс преимущественно в составе хлоритовых сланцем.

Кварц — SiO₂. По цвету и прозрачности кристаллический кварц разделяется на прозрачный (горный хрусталь), фиолетовый (аметист), черный (морион). Излом раковистый; блеск стеклянный, на изломе жирный. Твердость 7; спайность весьма несовершенная. Плотность 2600 кг/м3. Скрытокристаллический, почковидный кварц с мутно-жирным блеском называется халцедоном, разновидности которого именуются: красноватая — сердолик, зеленая—хризопраз, полосатая с концентрическим строением — агат. Кварц — самый распространенный минерал земной коры, входящий в состав кварцитов, гранитов и др.

Кальцит — СаСОз. Бесцветный или молочно-белый минерал с различными оттенками; блеск стеклянный. Твердость 3; спайность весьма совершенная. Плотность 2600—2800 кг/м3. Широко распространен в составе известняков, мраморов и др.

Доломит — СаСОз -MgCO₃. Имеет серовато-белый цвет с различными оттенками; блеск стеклянный. Твердость 3,5—4; спайность совершенная. Плотность 2800—2900 кг/м3. Встречается в виде плотных мраморовидных масс. На поверхности земли достаточно стоек. Используется как строительный камень.

Пирит—FeS₂. Имеет латунно-желтый цвет; блеск металлический. Твердость 6—6,5; спайность несовершенная. Плотность 4900—5200 кг/м3. В зоне выветривания легко разрушается. Примесь пирита снижает качество строительных материалов.

Гипс — CaS0₄-2H₂O. Имеет белый цвет с разными оттенками за счет примесей; блеск стеклянный, иногда матовый. Твердость 1,5—2; спайность совершенная. Плотность 2300 кг/м3. Волокнистая разновидность гипса—селенит. Полуводный гипс (CaSO₄ — 2Н₂О). Широко применяется в строительстве в качестве вяжущего.

Ангидрит — CaSO₄. Представляет собой безводную и более твердую разновидность гипса, напоминающую мрамор. При соприкосновении с водой ангидрит переходит в гипс, увеличиваясь в объеме до 30%. Может быть белого, серого или голубоватого цвета; блеск стеклянный. Твердость 3—3,5; спайность совершенная. Плотность 2800—3000 кг/м3. Используется в качестве облицовочного и поделочного камня.