Породообразующие минералы

Краткий справочник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Строительство»

Породообразующие минералы

Природные минералы находятся в основном в твёрдом состоянии и имеют преимущественно кристаллическое строение. Реже они встречаются в виде аморфных веществ.

Минералы обладают рядом характерных свойств, оказывающих большое влияние на технические свойства пород, среди которых следует особо выделить твёрдость, спайность, излом, блеск, окраску и плотность. Эти свойства зависят от строения и прочности связей в кристаллической решётке.

Твёрдость характеризует поверхностную энергию минерала. Она оценивается по шкале Мооса, которая состоит из десяти минералов, расположенных в порядке возрастания их твёрдости: тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, полевой шпат, кварц, топаз, корунд и алмаз. Определение твёрдости производится пробой на царапанье и выражается порядковым числом соответствующего эталона в шкале, оставляющего царапинку на испытуемом образце. Более точную оценку твёрдости получают специальными склерометрическими приборами. Показатель твёрдости материала имеет большое практическое значение, так как косвенно позволяет судить о механических свойствах природного камня.

Спайность проявляется в виде способности минералов раскалываться в определённых направлениях с образованием гладких зеркальных поверхностей - плоскостей спайности. Минералы имеют различную спайность: одни легко расщепляются на тончайшие пластинки в одном или нескольких направлениях, у других она проявляется плохо или совсем отсутствует. Спайность вместе с показателем твердости помогает предварительной оценке механических свойств природных материалов.

Излом является характеристикой неровной поверхности раскола минерала, прошедшего не по направлениям спайности. Среди разнообразных ви-

67

дов излома выделяются ровный, ступенчатый, неровный, раковистый, занозистый, землистый. Они позволяют не только диагностировать, но и оценивать свойства минералов.

Окраска - важный диагностический признак минералов. Окраска обусловлена присутствием красящих элементов в составе минерала, в частности Cr, Ma, Fe и др.

Блеск возникает в результате отражения световых лучей от поверхности минерала и имеет важное диагностическое значение.

Вещества с небольшим показателем преломления (например сернистые минералы) обычно непрозрачны и характеризуются металлическим блеском.

Плотность (истинная) колеблется у минералов от значений менее единицы (озокерит) до 20 и выше (осмистый иридий). Она зависит от химического состава и структуры, атомной массы элементов, их ионных радиусов и валентности. Наибольшее распространение в природе имеют минералы с малой (от 2 до 4 г/см3) плотностью.

Силикаты являются солями различных кремниевых кислот. Однако для них более характерным является не химический состав, а особенности кристаллического строения с наличием ионной кристаллической решётки. Основной структурной единицей этой решётки является кремнекислородный тетраэдр (ЗЮД размеры которого почти всегда строго постоянны (3.4).

Полевые шпаты по химическому составу представляют собой каркасные алюмосиликаты калия, натрия, кальция и разделяются на натриево-кальциевые (плагиоклазы) и калиево-натриевые полевые шпаты. Они имеют

светлую окраску, стеклянный блеск, высокую твёрдость (6...6.5) по шкале Мооса, совершенную спайность в двух направлениях и плотность от 2.5 до 2.7 (г/см3). Наиболее распространёнными полевыми шпатами являются близкие по строению и свойствам, одинаковые по составу микроклин и ортоклаз К (ASi3O8), отличающиеся между собой интенсивностью розовой окраски. На поверхности земли, под влиянием O2, СO2, Н2О и других, постепенно выветриваются и превращаются в глинистые минералы. Они используются в стекольной, керамической промышленности. Высокосортные залежи полевых шпатов имеются в Сибири, Карелии, на Урале.

Плагиоклазы - изоморфные смеси минералов альбита Na (AlSi3O8) и анортита Са (AlSi3O8). Так, при содержании в составе плагиоклаза от 0 до 30% анортита он является кислым плагиоклазом, от 30 до 60% - средним, от 60 до 100% - основным. Плагиоклазам характерен белый или серовато-белый, реже серый и чёрный цвета, стеклянный блеск с призмацией в синих и зеленоватых тонах. Отличаются высокой твёрдостью (6...6.5), хрупкостью и плотностью в пределах 2.61...2.76 г/см3, совершенной спайностью. Они неустойчивы к химическому выветриванию и переходят в глинистые минералы. Применяются в качестве особо ценного декоративного и облицовочного материала (Лабрадор). Их месторождения известны на Урале.

К числу каркасных алюмосиликатов относится нефелин Na [AlSiC4], входящий в нефелиновые сиениты, нефелиниты и др. Это бесцветный или серовато-белый минерал с разнообразными оттенками, твёрдость - 5 ... 6, плотность - 2.6 г/см3, несовершенная спайность, неровный или раковистый излом. В результате химического выветривания превращается в глинистый минерал (каолинит). Используется при производстве цемента, стекла; из отходов получают глинозём, соду, ультрамарин и др. Месторождения этих пород известны на Кольском полуострове (Хибины).

К ленточным силикатам (амфиболам) относится роговая обманка.

Имеет сложную химическую формулу, окрашена в тёмно-бурые, зелёные и чёрные цвета с шелковистым или стеклянным блеском. Имеет высокую твёрдость от 5.5 до 6 и плотность в пределах 3.1 ... 3.36 г/см3, характеризуется совершенной спайностью и занозистым изломом. Её наиболее известные месторождения находятся на Урале.

Авгит - магнезиально-железистый силикат Са (Mg, Fe, Al)[(Si, Аl2)Об]-относится к цепочечным силикатам. Обычно окрашен в тёмно-зелёный, чёрно-бурый или чёрный цвет со стеклянным блеском.

Имеет твёрдость 5...6 и плотность в пределах 3.2 ... 3.6 г/см3, совершенную спайность, повышенные вязкость и прочность. Встречается на Урале.

Мусковит - белая слюда КАl2(ОН)2[А1SiзО10]. Имеет перламутровый блеск, весьма совершенную спайность в одном направлении, благодаря чему легко расщепляется на тонкие и прозрачные упругие листочки, невысокую твёрдость (2 ... 3) и плотность в пределах 2.8 ... 3.1 г/см3. Химически стоек,

при выветривании переходит в россыпи без заметного изменения. Используется как электроизоляционный материал, посыпочный, при изготовлении кровельных материалов, огнеупорных красок, керамических изделий. Месторождения находятся на Кольском полуострове, Урале и в Сибири.

Биотит - чёрная или бурого цвета слюда К (Mg, Fе)з [Si3AlO10] [ОН, F]2. Имеет небольшую твёрдость (2...3), весьма совершенную спайность в одном направлении, легко расщепляется на тончайшие упругие пластинки. Химически не стоек. Месторождения известны в Забайкалье и на Урале.

Гидрослюды - слюдоподобные минералы, содержащие значительное количество связанных молекул Н2О между слоистыми пакетами. Гидрослюды представляют собой результат выветривания мусковита, биотита и других минералов группы слюд и рассматриваются как промежуточные соединения между слюдами и глинистыми минералами слоистой структуры. Среди этих минералов наибольшее практическое значение имеет вермикулит золотистого или коричневого цвета (Mg, Fe2+, Ре3+)з (ОН)2 [(А1, 81)4О10] 4Н2О. Он имеет низкую твёрдость (1 ... 1.5) и плотность (2.4 ... 2.7 г/см ), совершенную спайность и способен разделяться на тонкие гибкие неупругие пластинки. При прокаливании, в интервале температур от 900 до 1100 °С, его молекулярная вода превращается в пар с образованием внутреннего давления. Образование воздушных прослоек сопровождается увеличением объёма (в 15 ... 25 раз) и уменьшением его средней плотности до 100 ... 300 кг/м3.

Вермикулит - хороший теплоизоляционный и звукоизоляционный материал. Месторождения имеются на Кольском полуострове, Урале.

К группе вторичных слоистых силикатов относятся тальк, асбест, каолинит и монтмориллонит.

Тальк Mg3[Si4O10][OH]2 образуется при изменении магнезиальных силикатов и алюмосиликатов. Окрашен в белый, бледно-зелёный цвет, имеет стеклянный блеск с перламутровым отливом, очень низкую твёрдость (меньше 1), плотность (2.7 ... 2.8 г/см3), весьма совершенную спайность и легко расщепляется на гладкие неупругие пластинки, жирен на ощупь. Применяется в производстве пластмасс, паст, глазурей, кислотоупорных изделий. Месторождения известны на Урале.

Асбест - имеет несколько разновидностей, но наибольшее применение имеет хризотил-асбест Mg6[Si4O10][OH]8. Для асбеста характерна параллельно-тонковолокнистая структура с длиной волокон, колеблющейся от десятых долей миллиметра до 20 ... 25 мм, а иногда до 50 ... 150 мм. Он имеет зеленовато-жёлтый, а в распущенном состоянии снежно-белый цвет, невысокую твёрдость (2 ... 3) и способен расщепляться на прочные волоконца толщиной меньше 0.0001 мм.

Отличается высокой огнестойкостью и щелочеупорностью, плохо проводит теплоту и электричество. Месторождения известны на Урале, в Забайкалье, Саянах.

Каолинит Al2[Si2O8][OH]4 является главным минералом многих глинистых пород. Имеет совершенную спайность, лёгкую расщепляемость на тонкие неупругие чешуйки, весьма низкую твёрдость (меньше 1) и невысокую плотность - около 2.6 г/см3. В природе он встречается в виде рыхлых чешуйчатых или плотных тонкозернистых агрегатов белого цвета с различными оттенками и матовым блеском. Образуется путём выветривания алюмосиликатов (полевых шпатов, слюд и др.). Основным потребителем является керамическая промышленность, применяется при производстве пластмасс, эмульгаторов, красителей и т.д. Месторождения распространены на Урале, в Подмосковье.

Монтмориллонит отличается непостоянным химическим составом, который описывается формулой (Al, Mg)2 (OH)2 [Si4O10]2 Н2О и зависит от содержания воды в атмосфере. Имеет подвижную кристаллическую решётку, вследствие чего приобретает способность к сильному набуханию в присутствии воды (до 3 раз), а при нагревании к значительной усадке. Имеет незначительную твёрдость (меньше 1), белую окраску с разнообразными оттенками, матовый блеск, совершенную спайность, непостоянную плотность и жирность. В чистом виде используется как адсорбент (отбеливатель), наполнитель, эмульгатор в резиновом, пластмассовом, керамическом производствах. Высококачественные месторождения находятся на Кавказе.

Оксиды являются соединениями металлов и металлоидов с кислородом. Наиболее распространённым минералом этого класса является кварц SiO2, встречающийся в виде трёх главных модификаций: альфа-кварц, тридимит и кристобалит. Основой его кристаллической структуры являются кремнекис-лородные тетраэдры, которые образуют прочную решётку каркасного типа. Наиболее изученным является альфа-кварц или просто кварц. Он устойчив при температуре ниже 573 °С.

Тридимит устойчив в температурном интервале от 870 до 1470 °С, а кристобалит - при температуре ниже 1713 °С. Свойства этих модификаций зависят от неплотной упаковки ионов кислорода в кремнекислородных каркасах. При одном и том же способе сцепления кремнекислородных тетраэдров друг с другом через их вершины между ними появляются пустоты, которые в низкотемпературном кварце обладают малыми размерами, а в высокотемпературных, более рыхло построенных тридимите и кристобалите, они крупнее. Поэтому альфа-кварц значительно плотнее (2.65), чем тридимит (2.30) и кристобалит (2.27 г/см3). В прямой зависимости от строения находятся и оптические свойства. Кварц химически стойкий минерал.

Используется в стеклянной и керамической промышленности, как облицовочный, абразивный материал. Месторождения известны на Урале, Памире и в Забайкалье.

В природе часто встречается аморфный кремнезём - опал SiO2 • пН2О. Содержание воды в нём колеблется от 1 до 5 %. В чистом виде он бесцветен,

но при наличии примесей приобретает различные оттенки; имеет стеклянный, а у пористых разновидностей матовый блеск, низкую плотность (1.9 ... 2.5 г/см3) и среднюю твёрдость (5 ... 5.5). Сравнительно легко растворяется в щелочах, например в КОН, но в кислотах не разлагается. Месторождения распространены в Среднем Поволжье, на Урале и др.

Из группы оксидов и гидрооксидов железа практическое значение имеют кристаллический гематит и аморфный лимонит. Гематит (красный железняк) Fe2O3 содержит до 50...65% железа. Имеет полуметаллический блеск, высокие плотность (5...5.2 г/см3), твёрдость (5.5...6), неровный излом; хрупок. Гематит - химически стойкий минерал, является ценным сырьём для получения чугуна, стали. Используется в качестве пигмента в красках. Известны месторождения в районе Курской магнитной аномалии, на Северном Урале. Лимонит (бурый железняк) Fe2O3 • пН2О, где b близок к 1.5.

Имеет сложный и переменный состав с включением гидрооксидов железа и глинистых минералов. Твёрдость и плотность изменяются соответственно в пределах 1...4и3.3...4 г/см3 . Является сырьём для производства чугуна и стали при содержании железа до 35...40%.

Крупные месторождения известны на Урале и Керченском полуострове.

Карбонаты являются солями угольной кислоты. Наиболее распространены кальцит, магнезит, доломит и нитрит. Кальцит СаСОз - кристаллический минерал ромбоэдрической, пластинчатой формы, бесцветный или молочно-белой окраски, со стеклянным блеском, низкой твёрдостью (3) и плотностью (2.6...2.8 г/см3), с совершенной спайностью по трём направлениям и ровным изломом. Кальцит слабо растворим в воде, но под влиянием углекислоты переходит в бикарбонат кальция: СаСОз + Н2О + СО2 = Са(НСОз)2, который растворяется в воде в 100 раз легче, чем сам кальцит. Кальцит легко распознаётся по реакции «вскипания» под действием разбавленной соляной кислоты, которая вызывается бурным выделением углекислого газа.

Условия образования связаны с накоплением известняковых илов.

Месторождения различных видов кальцита, а так же разнообразных карбонатных пород (мела, мраморов) встречаются в Карелии и на Урале. Они являются ценным поделочным материалом, сырьём для производства цемента, извести, огнеупоров.

Магнезит (MgCO2) по структуре и форме кристаллов сходен с кальцитом, но распространён реже. Окрашен в белый цвет с желтоватым или сероватым оттенком, имеет стеклянный блеск, среднюю твёрдость 4...4.5 и невысокую плотность 2.9 ... 3.0 г/см3. В отличие от кальцита при воздействии НСl реакции вскипания не обнаруживает.

Образуется под влиянием горячих магнезиальных растворов на известняки и при выветривании магнезиальных силикатов (серпентинов). В природе встречается в виде сплошных мраморовидных (кристаллических) и плотных

(аморфных) масс, которые имеют большое промышленное значение, особенно при производстве высокоогнеупорных изделий.

Доломит [(Са, Mg)CO3] по структуре сходен с кальцитом. Окрашен в белый или серовато-жёлтый цвет со стеклянным блеском, имеет среднюю твёрдость (3.5 ... 4), невысокую плотность (1.8 ... 2.9 г/см3), совершенную спайность и ступенчатый излом. Вскипает с холодной НС1 только в порошке.

Натрит Na2C03-10H2O - бесцветный или окрашенный в белый цвет минерал со стеклянным блеском, небольшой твёрдостью (1 ... 1.5), плотностью (1.4 ... 1.5 г/см3) и несовершенной спайностью. С HCI обнаруживает бурную реакцию вскипания. При нагревании растворяется в собственной кристаллизационной воде. Он образуется в соляных озерах, богатых натрием, при избытке растворённого СОг. Применяется при производстве стекла, в металлургии. Содовые месторождения распространены в Восточной Сибири.

Сульфаты - соли серной кислоты. В строительстве из этой группы минералов используются ангидрит, гипс, барит и мирабилит.

Ангидрит имеет зернистый вид, голубовато-белый цвет, стеклянный блеск, невысокую твёрдость (3 ... 3.5), плотность около 3 г/см3, совершенную спайность и листовой излом. Легко присоединяет воду, переходя в гипс с увеличением в объёме до 30%.

Гипс CaSO4-2H2O - кристаллический минерал, имеет белый цвет, малую твёрдость (1.5 ... 2), низкую плотность (2.3 г/см3), весьма совершенную спайность и листовой излом, отличается хрупкостью.

Растворим в воде (одна часть гипса на две части воды). В генетическом отношении относится к типичным химическим осадкам и образуется в высыхающих участках моря.

Барит (тяжёлый шпат) BaSO4 имеет таблитчатую форму кристаллов, образует грубозернистые плотные массы белого и серого цвета со стеклянным блеском, невысокой твёрдостью (2.5 ... 3.5), совершенной спайностью, неровным изломом. Отличается слабым пропусканием активных лучей (гамма-лучи, рентгеновские и другие), вследствие чего используется для производства специальных бетонов. Образуется выпадением из водных растворов. Применяется для производства специальных стёкол, керамических эмалей, пластмасс, высокосортных красок. Месторождения имеются на Урале, Алтае.

Мирабилит Na2S04-10H2O содержит свыше 55 % кристаллизационной воды. Образует бесцветные и прозрачные хрупкие кристаллы с твердостью (1.5 ... 2) и плотностью (1.48 г/см3) с совершенной спайностью. Легко растворяется в воде, но так же легко её отдаёт в условиях сухой среды, превращаясь в безводный белый порошок. Является минералом химического генезиса (залив Кара-Богаз-Гол). При взаимодействии с НС1 не обнаруживает реакции «вскипания», чем и отличается от похожей на него соды, а при температуре

32 °С растворяется в собственной кристаллизационной воде. Используется в стекольной и химической промышленности (сода, краски и др.).

Месторождения известны в Кара-Богаз-Голе (Каспий).

Сульфиты являются соединениями серы с другими элементами, в том числе с железом.

Пирит FeS2, встречается в виде хорошо образованных кристаллов и больших зернистых скоплений - колчеданных залежей. Имеет золотисто-жёлтый цвет, металлический блеск, отличается высокой твёрдостью (6 ... 6.5), средней плотностью (4.9 ... 5.2 г/см3) и несовершенной спайностью. Легко гидролизуется с образованием гидрооксидов и серной кислоты, которая способствует быстрому разрушению пород. Пиритовые руды являются сырьём для производства серной кислоты, причём побочный продукт этого производства, пиритовые огарки, используются в технологии производства портландцемента, а так же для получения.

Киноварь HgS, хрупкий минерал красного цвета с сильным полуметаллическим блеском, твёрдостью (2 ... 2.5), плотностью (8.09 ... 8.2 г/см3), не проводит электричества. Применяется для изготовления красок, но главным образом для получения ртути. Месторождения известны в Западной Сибири.