Стислі теоретичні відомості

Процеси утворення мінералів. Мінерал - це природне фізично і хімі­чно однорідне тіло, що виникло в земній корі внаслідок фізико-хімічних про­цесів без будь-якого втручання людини. Кожний мінерал утворюється в стро­го визначеннях фізико-хімічних умовах і відповідає певному стану і складу середовища, в якому він виникає. За джерелом енергії процеси мінералоутво­рення розподіляють на дві великі групи: ендогенні, пов'язані з внутрішньою енергією Землі, і екзогенні, пов'язані з процесами, які проходять на поверхні

земної кори.

Ендогенні (гіпогенні, глибинні) процеси завжди пов'язані з діяльністю магми; в ендогенних виділяють: власне магматичні, пегматитові, пневматолітові і гідротермальні процеси.

Екзогенні (гіпергенні, поверхневі) процеси пов'язані з хімічним і фізи­чним руйнуванням гірських порід і мінералів, які викликають утворення ін­ших порід і мінералів, стійких в умовах поверхні Землі.

Мінерали і гірські породи, що утворилися в результаті ендогенних і ек­зогенних процесів, при зміні фізико-хімічних умов в надрах Землі зазнають перетворень - метаморфізуються; мінерали, що при цьому виникають на­зивають метаморфічними.

Земна кора складається із хімічних елементів, які утворюють прості і складні з'єднання. Ці однорідні за складом і будовою хімічні з'єднання, які виникають в земній корі в результаті природних фізико-хімічних процесів без втручання людини в ці процеси, називають мінералами. Вся земна кора, гір­ські породи складаються з мінералів. Відомі більше ніж 2000 мінералів, а чис­ло їх назв з різновидами перевищує 4000. Значно поширених мінералів в при роді нараховується біля 450 видів, а породоутворюючих (які входять в склад І гірських порід) - не більше 50 мінералів.

Мінералогія - це наука про мінерали. Термін походить від старовин­ного слова " мінера" - шматок руди, і свідчить про те, що розвиток мінералогії пов’язаний з розвитком гірського промислу. Мінералогія належить до числа геологічних наук і вивчає мінералогічний склад Землі і інших космічних тіл. Крім вивчення складу, властивостей, будови, умов находження в природі са­мих мінералів мінералогія займається вивченням процесів мінералоутворення і перевтілення мінералів, починаючи від виникнення і закінчуючи руйнуванням. Для діагностики різних мінералів мінералогія використовує ряд методів, які дозволяють різносторонньо вивчати фізичні та хімічні властивості досліджуваної речовини, визначати склад і прогнозувати склад невідомого мінералу Більшість методик по визначенню мінералів потребують застосування то­чних приладів, складного обладнання і нерідко спеціальних лабораторій. В даних методичних вказівках даються лише загальні і короткі відомості про найбільш поширені методи дослідження і визначення мінералів.

Мікроскопічний (або кристалооптичний) метод використовує для визначення мінералів спеціальні поляризаційні мікроскопи, які дозволяють дослідити мінерали при проходженні та відбитті світла. Для дослідження застосовують особливі препарати, які називають шліфами і аншліфами. В шліфах під мікроскопом вивчають прозорі мінерали за допомогою світла, що крізь них проходить. В аншліфах вивчають непрозорі мінерали у відбитому від дзеркальної поверхні мінералу світлі.

Електронномікроскопічний метод використовують для визначення тонкодисперсних речовин - глинистих мінералів в колоїдних системах, для вивчення кристалічних ґраток і молекул.

Рентгеноструктурний аналіз застосовується для дослідження і визначення мінералів в рентгенівських променях.

Електроннографічний метод дослідження використовується для тонкодисперсних колоїдних мас і найтонших плівок мінералів.

Термічний аналіз - введений академіком Курнаковим, об'єднує два класичних методи: диференціально-термічний - одержання кривих в результаті нагрівання речовини, та термоваговий - одержання кривих зміни ваги.

Спектральний аналіз застосовується для визначення в досліджуваній речовині хімічних елементів.

Кристалохімічний аналіз розроблений Федоровим, застосовується для визначення складу речовини і її внутрішньої будови за формами кристалу.

Метод паяльної трубки, в полум'ї якої здійснюють різні дослідження мінералів: проколювання, сплавлення із содою, бурою та ін. реагентами.

Хімічний аналіз - трудомісткий і коштовний метод дослідження. Після проведення повного хімічного аналізу одержують дані про хімічні елементи у вагових процентах для виведення хімічної формули мінералу.

Розглянуті методи найбільш широко застосовуються при дослідженні мінералів. Нижче більш детально описується доступний метод визначення - визначення мінералів за зовнішніми ознаками. Зовнішній вид мінералів дуже різний. За формою можна виділити ізометричні (рівномірний розвиток), витягнуті, призматичні, голчасті, волокнисті, табличні, лускові та іншої фор­ми мінерали.

Мінерали розрізняють також за загальним виглядом їх кристалів, що залежить від переважаючої простої форми. Зовнішній вигляд мінералів може бути кубічним, октаедричним, тетраедричним, призматичним, дипірамідальним та ін.

У природі багато мінералів часто зустрічається у вигляді добре утворе­них кристалів. Форми цих кристалів настільки характерні, що за зовнішнім їх виглядом чи його габітусом (зовнішність, зовнішній вигляд) можна визначити назву мінералу. Так мінерали галіт, пірит, флюорит мають кубічний габітус кристалів. Для мінералу гіпсу характерні зростки, які називають " ластівчин хвіст". Кристали кальциту зустрічаються у формі ромбоедру. Для кристалів кварцу характерні утворення у вигляді призм, які обмежені пірамідальними гранями.

Однак, слід мати на увазі, що ряд мінералів має здатність кристалізува­тися у вигляді різних форм. Наприклад, кальцит може зустрічатися не лише у вигляді ромбоедрів, але і у формі таблитчастих та інших кристалів. Мінерал кварцу в різних природних умовах також може утворювати кристали різних форм. Розміри кристалів різних мінералів можуть бути різними - від мілімет­рів до метрів.

У природі кристали рідко зустрічаються у вигляді одиночних форм. Вони завжди утворюють зростки. Сукупність декількох мінералів одного і то­го ж походження називають агрегатом.

Друзи - зростки кристалів, які мають загальну основу (рис.2.1). В тих
випадках, коли кристали погано розвинені і мають невеликі розміри, друзи називають щіткою.

Конкреції мають вигляд " желваків" пароподібних стяжок, із шкаралупковою або радіальнопроменевою будовою. (Рис.2.2). В центрі конкреції зна­ходяться органічні залишки, навколо яких сконцентрувалася речовина. Зна­ходяться конкреції зазвичай біля осадових порід. У види конкрецій зустріча­ються фосфорити, сферосидерит, марказит та ін.

Секреції представляють собою форми відкладення мінеральної речови­ни в порожнинах, причому ріст мінералів відбувається від периферії до центру. Якщо розміри секреції більше 1, 2 мм в діаметрі, то вони носять назву жеоди (Рис.2.3).

Дендрити мають розгалужену деревоподібну будову.

Ооліти - агрегати кулеподібних утворень, розмір яких може бути від 0, 05 мм до 2-З см в діаметрі. Характерні для арагоніту (гороховий камінь), бок­ситу, лімоніту (бобові руди).

Напливні форми властиві аморфним мінералам (опал) і скрито криста­лічним мінералам (кремній, халцедон). Напливні форми можуть мати форму бурульок, які ростуть зверху вниз (сталактити) і знизу вверх (сталагміти), Сталактити і сталагміти кальциту часто зустрічаються в карстових печерах серед вапняків. Різного роду напливи і брунькоподібні агрегати характерні для малахіту, гематиту, халцедону та ін.

Крім вказаних форм мінерали часто виділяються у вигляді нальоту, вицвітів, шкуринок, характерних для поверхневих умов.

Нальот - тонко розпорошене утворення на стінках тріщин і поверхні мінералів. Генезис може бути різним.

Вицвіт - порошкуваті або у вигляді корок і землистих мас виділення рі­зних солей на поверхні ґрунту або на стінках породи. Утворюються внаслідок висихання розчинів, що піднялись по капілярах або тріщинах.

Фізичні властивості мінералів

Фізичні властивості мінералів мають велике практичне значення (радіо­активність, люмінесценція, магнітність, твердість, оптичні властивості та ін.) і дуже важливі для їх діагностики. Вони залежать від хімічного складу і типу кристалічної структури. Фізичні властивості можуть являти собою скалярну величину, наприклад, щільність або бути векторними, наприклад, твердість, спайність, оптичні властивості.

Щільність. Щільність мінералів вимірюється в т/м³ і змінюється в ін­тервалі від 1 до 8 і більше. Більшість мінералів має щільність від 2, 5 до 4.

Механічні властивості мінералів виявляються при механічному впливі на них: стиснені, розтягуванні та ударі.

Спайністю називається здатність мінералів розколюватися за певними кристалографічними напрямками з утворенням плоскої дзеркальної поверхні. Наприклад, кристали слюди можна розщепити за спайністю на найтонші лис­точки, вона має спайність за пінакоїдом, (Рис.2.4, а); у галіту - вельми доско­нала спайність по кубу (Рис.2.4, б).

Ромбоедричний кристал кальциту легко розколюється за трьома на­прямками (по ромбоедру), тоді як в інших напрямках площини спайності не утворюються. Спайність розрізняється за ступенем її досконалості:

1. Вельми досконала - мінерал розщеплюється пальцями за спайністю, але важко розколюється в іншому, не спайному, напрямку (слюда, гіпс).

2. Досконала - розколювання відбувається переважно за спайністю (польові шпати, кальцит, флюорит, галіт, галеніт, барит).

З. Середня - при розколюванні утворюються як рівні поверхні спайності, так і нерівні злами за випадковими напрямками (піроксени, рутил, олівін, сфен)

4. Недосконала спайність - поверхні спайності виявляється важко (апатит, берил, каситерит, сірка)

5.Вельми недосконала - практично немає поверхонь спайності (кварц, корунд, магнетит)

Мінерали, які не мають спайності або мають недосконалу спайність, розколюються за нерівними площинами зламу. За характером поверхні, що утворюється при розколі мінералу, виділяють наступні виду зламу:

1. Раковистий (опал, халцедон, кварц);

2. Нерівний (апатит, каситерит, сірка);

3. Занозистий (рогова обманка, актиноліт, тремоліт);

4. Крючкуватий (мідь, золото, платина);

5. Землистий (каолініт);

6. Зернистий (альбіт);

Т. Ступінчастий (польові шпати);

Х. Рівний (халькопірит).

Твердість - опір мінералу дряпанню. Ця властивість мінералу найбільш універсально характеризує його механічну міцність, існує три способи вимірювання твердості: дряпання, шліфування і вдавлення стержня або кульки. Найбільш простий і найменш точний метод - дряпання якого-небудь мінералу більш твердим мінералом. Мінерали, які використовуються для визначення твердості зведені в так звану шкалу твердості або шкалу Мооса. Мінерали за шкалою розташовані таким чином, що кожний наступний мінерал дряпає попередній (табл.2.1).

Визначення твердості мінералу відбувається методом дряпання. Якщо, наприклад, ортоклаз (тв.6) не дряпає досліджуваний мінерал, а кварц (тв.7) -дряпає, то твердість досліджуваного мінералу приблизно 6, 5.

В польових умовах при відсутності шкали Мооса використовують замінники: м'який олівець - 1; ніготь - 2, 5; мідна монета - 3-4; скло - 5; лезо сталевого ножа - 5-6; напильник - 7. Якщо мінерал пише на папері, не дряпаючи його, - твердість 1. Якщо мінерал дряпає папір, але сам дряпається нігтєм, то твердість цього мінералу приблизно 2. Якщо ніготь не залишає подря­пини на мінералі, але кінчик сталевого ножа легко дряпає його, твердість мі­нералу - 3. Якщо при дряпанні мінералу ножем необхідно прикласти певне зусилля, твердість мінералу дорівнює 4, якщо зусилля значне, то твердість - 5. Мінерали, що мають твердість 6, 7, самі креслять на лезі ножа.

Оптичні властивості кристалів широко використовуються в мінерало­гії і петрографії для вивчення мінералів і гірських порід. Оптичний метод до­слідження ґрунтується на вивченні оптичних властивостей кристалів за допо­могою поляризаційного мікроскопу.

Колір мінералу і колір його риски залежить від його структурних особливостей, від присутності в ньому фарбуючих елементів і від механічних домішок, завдяки яким колір одного і того ж мінералу може бути різним. Колір необхідно спостерігати на свіжому зламі. Крім кольору в зернах і криста­лах для діагностики мінералу має значення колір риски, який залишає на пор­целяновій неглазурованій пластинці мінерал.

Блиск залежить від багатьох причин: показника заломлення, характеру відбиваючої поверхні, тріщинуватості, включень сторонніх тіл та ін. Розрізняють мінерали з металічним і неметалічним блиском. Серед неметалічних блисків розрізняють: алмазний - алмаз, рутил, кіновар, каситерит; скляний - кварц, флюорит, корунд, сфалерит, гранати; восковий - кремінь, халцедон; жирний - нефелін, сірка; шовковистий - азбест, гіпс-селеніт; перламутровий - пластинчатий гіпс.

Електричні властивості мають великі практичні значення при ви­вченні кристалів (піро- і п'єзоелектрика). Піроелектрика — електрика, яка ви­никає в кристалах зі зміною температури (турмалін). П'єзоелектрика виникає в кристалах при розтягуванні або стисканні (гірський кришталь).

Магнітність. Ця властивість характерна не для багатьох мінералів. Найбільш сильними магнітними властивостями володіє магнетит або магнітний залізняк, меншими - піротин.

Люмінесценція. Деякі мінерали при впливі на них ультрафіолетових, катодних або рентгенівських променів можуть випромінювати світло - " холодне сяяння". Флюорит світиться фіолетовим світлом, шеєліт - блакитним, корунд - малиново-червоним, кальцит - помаранчево-жовтим і т.д.

Радіоактивність мінералу проявляється при перетворенні нестійких ізотопів одного хімічного елементу в ізотопи іншого з випромінюванням еле­ментарних частинок.

Прозорість мінералу - це здатність мінералу в тому чи іншому ступені пропускати світло. За ступенем прозорості мінерали діляться натри групи:

1.Прозорі - пропускають світло як віконне скло, - гірський кришталь, токаї, ісландський шпат.

2.Напівпрозорі - пропускають світло як матове скло, або просвічують в тонкій пластинці, - халцедон, агат, опал, флюорит.

3.Непрозорі - не просвічують навіть в тонкій пластинці, - пірит, гале­ніт, магнетит.

До фізичних властивостей мінералів також можна віднести розчинність у воді та в кислотах, плавкість, хрупкість, пружність, ковкість, а в деяких випадках - запах, смак, горючість та інші властивості, наприклад, подвійне променезаломлення (ісландський шпат), штриховка на гранях (кварц, пірит, корунд, тур­малін).