logo
Большой практикум

Раздел 1. Основы геологии

<h2><b style="color:maroon"><i>Минералы в почвах и породах (практическое занятие) </h2>

Конспект теории

<dl>

<dt style="color:red">Минералами</dt> называют природные химические соединения или самородные элементы, возникающие в результате разнообразных физико-химических процессов, происходящих в земной коре и на ее поверхности.</dl>

<p>Минералы находятся в твердом (кварц, слюда, кальцит), жидком (ртуть, вода) и газообразном (углекислота, сероводород) состоянии. В настоящее время известно около 4000 минералов, и этот список постоянно пополняется. Большинство из них встречается очень редко или только в определенных местах. Существенную роль в сложении горных пород играют лишь несколько десятков минералов, которые называют породообразующими. Минералы входят в состав всех горных пород, рудных и нерудных полезных ископаемых. Из одних минералов получают металлы, другие служат строительным материалом. Минералы, входящие в состав агрономических руд, используют в качестве минеральных удобрений для повышения плодородия почв. Минералы, которые участвуют в образовании почвы, называются почвообразующими. </p>

Классифицируют минералы по происхождению и по химическому составу и строению кристаллической решетки.

Первичные минералы образуются за счет сил, происходящих внутри земной коры, то есть за счет эндогенных (внутренних) процессов: магматизма и метаморфизма. Как правило, первичные минералы длительное время сохраняются в почти не измененном состоянии. Однако с течением времени, благодаря различным геологическим процессам, первичные минералы могут оказаться на поверхности или вблизи поверхности Земли. Здесь одни из них могут полностью трансформироваться и утерять свой исходный химический состав и строение кристаллической решетки, то есть стать вторичными минералами, другие, наиболее устойчивые к выветриванию, могут просто измельчаться и, не теряя своего химического состава и строения, входить в состав почвы. Наиболее распространенными первичными минералами в породах и почвах являются кварц, полевые шпаты, амфиболы или роговые обманки и слюды (биотит).

Вторичные минералы образуются из первичных в результате воздействия на них экзогенных процессов, например, физического, химического и биогенного выветривания, перемещения, осадконакопления и др. Эти превращения весьма активно протекают в природе. Среди вторичных минералов преобладают глинистые, формирующиеся при химическом выветривании алюмосиликатов. Образование простых солей и выпадение их в осадок происходит большей частью лишь в условиях сухого климата. Примерами таких вторичных минералов являются кальцит (CaCO3), доломит ((CaMg) CO3), гипс (CaSO4∙2H2O), галит (NaCl) и др. Водный кремнезем постепенно может терять воду и, сохраняя свое аморфное строение, превращаться в такие вторичные минералы, как опал (SiO2·nH2O) и халцедон (SiO2).

Нерастворимые продукты разрушения, такие как каолинит и другие глинистые минералы, а так же самый устойчивый к выветриванию первичный минерал кварц (SiO2) остаются на месте разрушения первичных минералов и горных пород, образуя мощные залежи или остаточную кору выветривания. Кроме этого зерна кварца и глинистые минералы также переносятся текучими водами и ветром на значительные расстояния, и образуют переотложенную кору выветривания осадочного происхождения.

Итак, на поверхности Земли в основном встречаются вторичные минералы, а, следовательно, они являются главными почвообразующими минералами. Среди почвообразующих минералов очень важное значение имеют вторичные алюмо- и феррисиликаты или, так называемые, глинистые минералы (монтмориллонит, каолинит, иллит, вермикулит, хлорит). Они являются характерными компонентами природных глин и входят в состав почвы, обусловливая многие особые ее свойства: набухаемость, пластичность, вязкость, прилипаемость, влагоемкость, поглотительную способность, кислотность, буферность, обменную способность и т.д. Например, каолинит не набухает, поэтому почвы, в которых он содержится, имеют хорошую водопроницаемость и небольшую липкость. Монтмориллонит, напротив, отличается способностью к сильному набуханию. Кристаллическая решетка монтмориллонита расширяется под действием воды. Вместе с водой внутрь этого минерала могут попадать и обменные катионы, наличие которых очень сильно сказывается на физико-химических свойствах и плодородии почв.

Глинистые минералы обладают рядом общих внешних черт:

В соответствие с кристаллохимической классификацией выделяют 9 классов минералов.

Класс силикатов – самые распространенные в земной коре минералы. Их доля составляет 85% от массы земной коры. В минералах этого класса каждый ион кремния соединен с четырьмя ионами кислорода. В зависимости от строения кристаллической решетки силикатов различают несколько подклассов:

Островные силикаты. Форма их кристаллической решетки напоминает отдельные островки. К ним относятся оливин и гранаты.

Цепные силикаты или пироксены. В их кристаллической решетке кремнекислородные тетраэдры соединены в цепочки (авгит).

Ленточные силикаты или амфиболы. Представителем является роговая обманка.

Листовые силикаты. Имеют слоевую или листовую структуру. Среди них различают собственно силикаты (серпентин, каолинит, тальк, хлориты) и алюмосиликаты или слюды (биотит, монтмориллонит, мусковит).

Каркасные силикаты. К ним относятся полевые шпаты (ортоклаз, микроклин), плагиоклазы (альбит, анорит, лабрадор) и фельдшпатиды (нефелин, лейцит).

Класс окислов и гидроокислов объединяет около 200 минералов: кварц, опал, гематит, магнетит, лимонит, корунд, боксит, пиролюзит и др. На их долю приходится 17% всей массы земной коры.

Кварц [SiO2] является широко распространенным в земной коре и наиболее изученным по сравнению с другими минералами. Это первичный минерал, самый устойчивый к выветриванию. Количество и размер зерен кварца определяют гранулометрический состав и многие физические свойства почвы, например, водопроницаемость, связность, влагоемкость.

К классу карбонатов относят до 80 минералов солей угольной кислоты: кальцит, магнезит, доломит, соду, сидерит, малахит, азурит и др. Карбонаты — это в основном вторичные почвообразующие минералы. Они являются источником питания растений. Широко распространены в природе: общая масса их достигает 1,8% массы земной коры.

К классу фосфатов относят более 300 минералов солей фосфорных кислот: апатит, фосфорит, вивианит и др. Их общая масса составляет около 1 % массы земной коры. Фосфаты являются ценными агрономическими рудами и представляют огромное значение для сельского хозяйства.

Класс сульфатов - это соли серной кислоты. К классу сульфатов относят около 260 минералов: гипс, ангидрит, барит, мирабилит и др. Общая их масса не превышает 0,1% массы земной коры. Эти минералы в основном представляют собой сульфаты Na, К, Са, Mg, Ba и других металлов и имеют экзогенное происхождение. Гипс и ангидрит — ценные агрономические руды, используемые для гипсования солонцовых почв. Сульфаты в почвах пополняют недостаток кальция, серы и т. п.

Класс галоидов - это соли галогенно-водородных кислот HF, HC1 и реже НВг и HI. По окраске галоиды светлые, часто прозрачные. Многие из них хорошо растворяются в воде. Галит, сильвин и карналлит — типичные вторичные минерал­ы, являющиеся источником калийного питания растений.

Класс нитратов - производные солей азотной кислоты. Вследствие легкой растворимости в воде минералы этого класса в природе встречаются довольно редко. Наиболее распространены среди нитратов натриевая (чилийская) и калиевая (индийская) селитры. Источником азота в них является азот воздуха. Селитры — весьма ценное минеральное удобрение, так как содержат калий и азот.

Класс сульфидов — это соли сероводородной кислоты (пирит, халькопирит, галенит). Они не относятся к породообразующим минералам. Их роль в народном хозяйстве достаточно велика, так как сульфиды являются рудами многих важных металлов: меди, свинца, цинка, ртути и др.

Класс самородных элементов.В земной коре в свободном состоянии найдено около 50 самородных химических элементов: алмаз, графит, сера, золото, платина, природные газы и др. Общая их масса составляет менее 0,1% массы земной коры.

Рассмотрим минералы по внешнему виду, определяя их признаки «на глаз». Такой метод называется макроскопическим, в отличие от микроскопического метода, при котором порода изучается под микроскопом, и других специальных более точных методов, недоступных при полевых исследованиях (химический, спектральный, кристаллографический, рентгенографический и др.). Однако макроскопический метод позволяет выделять основные признаки и свойства, диагностирующие минералы.

Строение минералов. Большое количество минералов - твердые вещества, они могут иметь аморфное и кристаллическое строение. Аморфные вещества характеризуются беспорядочным расположением ионов и атомов в пространстве; не имеют кристаллического строения, отличаются непостоянством состава и одинаковыми свойствами во всех направлениях. Иными словами обладают изотропией, т.е. во всех направлениях внутри вещества имеют одинаковую твердость, тепло- , свето- и электропроводность. Аморфными минералами являются лимонит, боксит, фосфорит и др.

Кристаллические вещества характеризуются упорядоченным расположением своих атомов ионов и молекул, которые в пространстве образуют различные кристаллические решетки. Кристаллические решетки могут быть:

1) атомными – когда в углах решетки находятся атомы (например, алмаз и графит построены из атомов углерода, но имеют разное расположение их в пространстве, поэтому так отличаются по своим свойствам);

2) ионными – когда в узлах решетки расположены ионы, например, галит (NaCl) и пирит;

3) молекулярными – когда в узлах решетки находятся целые молекулы (слоевые силикаты, глинистые минералы).

Многие минералы с кристаллическим строением благодаря закономерному расположению атомов образуют хорошо выраженную форму правильных природных многогранников, например, кубы (6 граней), призмы (3 параллельные грани), пирамиды (3 пересекающиеся в одной точке грани), тетраэдры (4 треугольные грани), ромбоэдры (6 треугольных граней), октаэдры (8 треугольных граней).

Нахождение в природе. В природе минералы встречаются в виде скоплений кристаллов или зерен. Эти скопления называют минеральными агрегатами. Строение минеральных агрегатов может быть следующим:

зернистым (оливин, апатит);

землистым (каолин, охра);

плотным (халцедон);

игольчатым или призматическим (роговая обманка);

волокнистым (волокнистый гипс);

листовым или пластинчатым (различные слюды, такие как биотит).

Выделяют формы агрегатов:

Каждый минерал имеет определенный химический состав и характерное внутреннее строение, от которого зависят его форма и физические свойства. Физические свойства нередко являются диагностическими признаками минералов.

Цвет. Практически цвет минерала определяют на глаз, путем сравнения с хорошо знакомыми в быту предметами: молочно-белый, соломенно-желтый, бутылочно-зеленый, кирпично-красный и т.д.

Окраска минерала обусловлена его красящим веществом или хромофором, а так же включениями других твердых и газообразных частиц – примесей. Поэтому окраска одного и того же минерала бывает очень изменчивой. Например, кварц образует много разновидностей, отличающихся друг от друга по окраске: горный хрусталь (бесцветный), аметист (фиолетовый из-за примеси марганца), морион (черный из-за примеси органического вещества).

Существуют минералы – эталоны, у которых окраска является решающим диагностическим признаком: малахит – зеленая; халькопирит – латунно желтая; лимонит – бурая; гематит – черная; киноварь – красная.

Некоторые минералы (например, лабрадор) меняют цвет в зависимости от условий освещения, приобретая красивую радужную окраску.

Для обозначения минералов, имеющих металлический блеск, к названию цвета прибавляют название распространенного металла соответствующей окраски: свинцово-серый, латунно-желтый, медно-красный, железно-черный и т.д.

Цвет черты минерала. Некоторые минералы в куске имеют один цвет, а в порошке – другой. Например, пирит в куске латунно желтый, а в порошке - зеленовато-серый. Потрите кусок минерала из коллекции о неглазированную поверхность фарфоровой чашки и определите цвет черты. Такой цвет соответствует минералу в порошкообразном состоянии.

Прозрачность - это способность минерала пропускать свет. Различают прозрачные (горный хрусталь, каменная соль), когда сквозь такой минерал можно читать текст; полупрозрачные (сфалерит, киноварь, опал), когда через эти минералы видна форма и очертание предметов; просвечивающие (обсидиан), если свет проходит лишь через тонкие пластинки, причем предметы не различимы; непрозрачные (пирит, галенит, графит), когда эти минералы не пропускают свет.

Блеск. Это свойство минерала отражать свет в той или иной степени. Блеск бывает металлическим, которым обладают непрозрачные минералы, дающие черную черту на фарфоровой поверхности (пирит). Кроме того, блеск может быть неметаллическим:

Матовые минералы не имеют блеска (пиролюзит, каолинит)

Спайность - способность минералов колоться по плоскостям, строго ориентированным в данном минерале по отношению к его кристаллической решетке (осям и граням). При расколе по направлению плоскостей спайности возникают ровные зеркально-блестящие поверхности. В некоторых минералах бывает одно направление спайности, в других два или даже три взаимно пересекающихся. Различают спайности:

весьма совершенную, когда минерал очень легко расщепляется (например, ногтем) на отдельные тончайшие листочки, образуя зеркально-блестящие плоскости спайности (графит, гипс, биотит);

совершенная спайность отличается тем, что минерал раскалывается на пластинки с блестящими плоскостями лишь при слабом ударе молотка (галит, кальцит);

средняя спайность обнаруживается у некоторых минералов, имеющих два направления спайности: по одному из них возникают ровные блестящие плоскости, по другому – поверхность шероховатая (ортоклаз);

весьма несовершенной спайностью обладают минералы, которые раскалываются по многим направлениям незакономерно, образуя кусочки разной формы и размеров (кварц).

Аморфные минералы вообще не обладают спайностью, поскольку не имеют кристаллического строения.

Излом определяется при расколе минерала. Поверхность излома может быть раковистой (имеет вид выпуклых и вогнутых элементов с концентрически-волнистыми полосами, напоминающих раковины моллюсков, например горный хрусталь); занозистой (поверхность с ориентированными в одном направлении занозами, например волокнистый гипс, роговая обманка); землистый (излом имеет матовую и шероховатую поверхность, например каолинит, лимонит); ровный или по плоскостям спайности (например,слюда, кальцит).

Твердость. Это один из важнейших диагностических признаков. Под твердостью понимают степень сопротивления минерала царапанию острием, давлению или истиранию. Твердость в минералогии устанавливается обычно путем царапания минералов предметами, твердость которых является известной. Для определения относительной твердости существует шкала Мооса (табл.1), в которой представлены минералы с известной постоянной твердостью. Степень твердости оценена по десятибалльной системе – низшая твердость обозначена единицей, а высшая – десятью баллами.

Таблица 1.