“Общая геология”. Практикум по курсу "Общая геология"
 Скачать 1.48 Mb.
|
|
Практикум по курсу “Общая геология” СОДЕРЖАНИЕ
Тема № 1: Внешний вид минералов. Свойства кристаллических веществ. Минералы— это природные химические соединения или самородные элементы, возникшие в результате разнообразных физико-химических процессов, происходящих в земной коре и на ее поверхности. Подавляющая масса минералов находится в природе в твердом состоянии. Реже встречаются жидкие (ртуть, вода) и газообразные (горючие газы, углекислый газ) минералы. Внешний вид (морфология) минералов. Наиболее простой и распространенный метод изучения минералов — это знакомство с ними по внешним признакам, определение их макроскопическим путем, в отличие от микроскопического и других более точных методов, применяемых в минералогии, петрографии и минераграфии. Твердые минералы в большинстве случаев являются кристаллическими веществами, либо имеющими более или менее хорошо выраженную форму многогранников, либо встречающимися в виде неправильных по форме зерен или сплошных масс. Реже встречаются аморфные минералы, образующие бесформенные массы. Основным признаком кристаллических веществ является строго определенная группировка слагающих их атомов и ионов, которые занимают определенные места в пространстве, образуя кристаллические решетки. От этой группировки зависит форма кристаллов. Кроме явно кристаллических веществ, в земной коре широкое распространение получили скрытокристаллические, к числу которых относятся коллоиды. Среди коллоидов различают золи, в которых дисперсная среда преобладает над дисперсной фазой, и гели, в которых, наоборот, преобладает дисперсная фаза. Аморфные (стеклообразные) вещества характеризуются отсутствием кристаллического строения. Они подобны жидкостям или расплавам. Кристаллическая решетка построена так, что в ней частицы расположены по принципу плотнейшей упаковки. Геометрически кристаллическая решетка представляет собой плотно пригнанные друг к другу многогранники (кубы, октаэдры, параллелепипеды, ромбоэдры и др.), в вершинах, центрах или серединах граней которых на строго определенном расстоянии располагаются атомы (или ионы). Они образуют так называемые узлы кристаллической решетки. В зависимости от величины ионного радиуса данного иона находится число соприкасающихся с ним в кристаллической решетке ионов другого элемента, или координационное число. Например, в решетке галита (NaCI) каждый ион натрия окружен шестью ионами хлора, расположенными в шести углах октаэдра, так же как и каждый ион хлора окружен шестью ионами натрия. Следовательно, координационное число для обоих элементов будет шесть. Различают структуры атомные, когда в узлах решетки расположены атомы, ионные — в узлах решетки находятся ионы, и радикал-ионные — в узлах решетки располагаются радикалы, т. е. группы ионов. К числу характерных свойств большинства кристаллических минералов относится свойство самоогранения, т. е. способность образовывать кристаллы. Каждому минералу присуща своя кристаллическая форма, зависящая от типа химических связей решетки, химического состава и условий его образования. В кристалле различают следующие элементы: грани, или плоскости, ограничивающие кристаллы, ребра — линии пересечения граней, вершины — точки пересечения ребер, гранные углы кристалла — углы между гранями. Для всех кристаллов одного и того же вещества углы между соответствующими гранями одинаковы и постоянны. Этот закон постоянства гранных углов — один из важнейших законов кристаллографии. Он вытекает из того, что частицы вещества в кристаллах располагаются в определенном порядке, и каждая грань кристалла соответствует определенному направлению в его внутренней структуре. Закон постоянства гранных углов позволяет для каждого естественного кристалла вывести его идеальную форму, которую он мог бы приобрести при наиболее благоприятной обстановке роста. Эта форма обнаруживает характерный для данного кристалла тип симметрии, т. е. сочетание ее элементов. Однако при одних и тех же гранных углах форма кристаллов может быть различная. Симметрия есть правильность (закономерность) в расположении элементов ограничения кристалла. Эта правильность выражается в закономерной повторяемости частей при вращении кристалла. Так, при вращении кристалла, имеющего вид правильной шестигранной призмы, вокруг его оси при каждом повороте на 60° будет наблюдаться полное совмещение всех его граней, ребер и вершин с их начальным положением. Следовательно, этот кристалл построен симметрично.  Рис. 1. Расположение осей симметрии в кубе а —. оси симметрии второго порядка (L2), б — оси симметрии третьего (L3) и четвертого (L4) порядка . Прямая линия, при повороте вокруг которой всегда на один в тот же угол все части кристалла симметрично повторяются n раз, называется осью симметрии (обозначается буквой L). Число n, показывающее, сколько раз при повороте на 360° кристалл может совмещаться с исходным положением, называется порядком, или значимостью оси и обозначается цифрой, которая ставится вверху справа у буквы L (рис. 1). Число n — всегда целое, и в кристаллах могут существовать только оси симметрии 2-го, 3-го, 4-го и 6-го порядка. Плоскость симметрии — мысленно проведенная плоскость, которая делит кристаллы на две зеркально равные части, обозначается буквой Р (рис. 2). В кубе таких плоскостей девять (рис. 3).  Рис. 2. Плоскость симметрии Кроме осей и плоскостей симметрии, многие кристаллические многогранники имеют центр симметрии — точку внутри кристалла, на равных расстояниях от которой в диаметрально противоположных направлениях располагаются одинаковые элементы ограничения (параллельные грани, вершины). Он обозначается буквой С (рис. 4) Ось, плоскость и центр симметрии называются элементами симметрии. Число их зависит от внутреннего строения кристаллов и строго ограничено. Русский ученый А. В. Гадолин доказал, что у кристаллов возможны 32 различные комбинации элементов симметрии, называемые видами, или классами симметрии. Все виды симметрии группируются по степени сложности в семь крупных групп, или систем, называемых кристаллографическими сингониями. Среди них выделяются разновидности низших, средних и высших сингоний. Наименее симметричные кристаллы относятся к триклинной сингонии. У них из возможных элементов симметрии наблюдается только центр симметрии С, или эти элементы вообще отсутствуют. К этому виду сингоний относятся альбит, микроклин и другие минералы. К ромбической сингонии относятся кристаллы, имеющие одну или три оси второго порядка и две или три перпендикулярные им плоскости симметрии (L22P или 3L23PC), а также кристаллы с тремя осями второго порядка без плоскости симметрии (3L2). В поперечном сечении они имеют форму ромба.  Рнс. 3. Расположение девяти плоскостей симметрии (Р) в кубе. К моноклинной сингонии относятся кристаллы, которые имеют либо одну плоскость симметрии, либо одну ось второго порядка, либо и ту и другую вместе в сочетании с центром симметрии. К этой категории относятся ортоклаз, гипс, мусковит, некоторые амфиболы. Перечисленные три вида сингонии относятся к категории низших.  Рис 4 Кристалл с центром симметрии С К средним сингониям относятся кристаллы, имеющие только одну ось симметрии высшего порядка: гексагональная (присутствует ось симметрии 6-го порядка), тетрагональная (присутствует ось симметрии 4-го порядка) и тригональная (присутствует ось симметрии 3-го порядка). Формы кристаллов гексагональной и тригональной сингоний весьма схожи. В тригональной сингонии высшее сочетание элементов симметрии — L33L23PC. Кристаллы тригональной сингонии имеют форму ромбоэдров, например, кристаллы кальцита, доломита, магнезита, гематита. К этой же сингонии относятся корунд и кварц, хотя кристаллы последнего имеют вид гексагональных призм, увенчанных как бы гексагональными пирамидами. В действительности вершины кристаллов кварца представляют собой комбинацию двух ромбоэдров. Кристаллы гексагональной сингонии имеют форму шестигранных призм, срезанных перпендикулярно к оси шестого порядка или увенчанных гексагональными пирамидами. Таковы кристаллы апатита и нефелина. Высшее сочетание элементов симметрии L⁶6L27PC. Тетрагональная, или квадратная, сингония характеризуется присутствием в кристаллах одной оси четвертого порядка. Сечение, перпендикулярное к этой оси, обычно имеет форму квадрата или восьмиугольника. Высшим сочетанием элементов симметрии в квадратной сингонии может быть L44L2PC. К этой сингонии относится халькопирит и др. К высшей сингонии относится кубическая сингония, объединяющая наиболее симметричные кристаллы (каменная соль, пирит, алмаз, магнетит). Они имеют вид кубиков, октаэдров и др. Высшее сочетание элементов в кубической сингонии 3L⁴4L³6L²9PC. Тема № 2: Физические свойства минералов. Для того чтобы распознать минералы по внешним признакам и определить приблизительно их состав, надо знать физические свойства каждого минерала. Следует иметь в виду, что отдельные физические свойства могут быть одинаковыми у различных минералов и, наоборот, какое-либо свойство (например, цвет или удельный вес) может у одного и того же минерала меняться в зависимости от примесей. Поэтому при определении минерала необходимо установить возможно большее число свойств. Только в отдельных случаях некоторые свойства бывают настолько характерны, что по одному из них можно сразу определить минерал (магнитность, твердость, оптические свойства и др.). Главнейшими физическими свойствами являются цвет, цвет черты минерала (цвет его в порошке), прозрачность, блеск, излом, спайность, твердость, удельный вес и другие свойства, присущие некоторым минералам. Цвет минералов является важным диагностическим признаком. Минералы могут иметь самую разнообразную окраску — белую, желтую, серую, розовую, красную, зеленую, синюю, черную, причем всевозможных оттенков. Минералы могут быть и бесцветными, прозрачными. Практически цвет определяют на глаз, путем сравнения с хорошо знакомыми предметами (молочно-белый, соломенно-желтый, кирпично-красный). Для обозначения цвета минералов, имеющих металлический блеск, к названию цвета добавляют название распространенного металла (свинцово-серый, оловянно-белый, латунно-желтый, медно-красный, железно-черный и т. д.). Окраска минералов зависит главным образом от химического состава самого минерала и от примесей элемента, называемого хромофором, т. е. носителем окраски. Такими элементами являются железо, никель, кобальт, титан, уран, медь, хром и др. Некоторые минералы меняют окраску в зависимости от освещения. Иногда, кроме основной окраски минерала, тонкая поверхностная пленка имеет дополнительную окраску. Это явление называется побежалостью и объясняется интерференцией света в тонких слоях, образующихся на поверхности минерала в результате различных реакций. Обычно побежалость бывает радужной, как на халькопирите, когда поверхность минерала переливается синим, красным и фиолетовым цветом. Цвет черты (цвет минерала в порошке). Многие минералы и растертом или порошковидном состоянии имеют другой цвет, чем и куске. Порошок можно получить, проводя куском минерала черту на белой шероховатой фарфоровой пластинке при условии, что твёрдость его меньше твердости фарфора. Если твердость минерала вышe твердости фарфора, то минерал образует на фарфоре царапину. Блеск минералов является важным диагностическим признаком и зависит от показателя преломления минерала и его способности отражать от своей поверхности цвет. По блеску все минералы можно разделить на три группы: минералы с металлическим, полуметаллическим и неметаллическим блеском. Металлический блеск — сильный блеск, свойственный металлам. Им обладают непрозрачные минералы, дающие в большинстве случаев черную черту на фарфоровой пластинке. Таким блеском обладают самородные металлы (золото, серебро, платина), многие сульфиды и окислы железа. Полуметаллическим и металловидным блеском обладают минералы, поверхность которых имеет блеск потускневшей поверхности металла. К таким минералам относятся графит, гематит, черная цинковая обманка. . К третьей, наиболее обширной группе относятся минералы с неметаллическим блеском. Здесь различают следующие виды блеска: стеклянный, который очень распространен среди прозрачных минералов (кварц на гранях кристаллов, кальцит, гипс); жирный, при котором поверхность минерала кажется как бы смазанной маслом (кварц на изломе, нефелин). Перламутровый блеск характерен для прозрачных минералов, которые блестят как поверхность перламутровой раковины. Он обусловлен отражением света от тонких пластинок или плоскостей спайности минерала (слюда, тальк). Шелковистый блеск получается при тонковолокнистом строении минерала и напоминает блеск шелковыx нитей. Таким блеском обладают асбест, волокнистые разности гипса. Некоторые минералы обладают особенно сильным блеском, называемым алмазным (алмаз, некоторые разновидности цинковой обманки). Матовый блеск имеют минералы с пористой, неровной землистой поверхностью (каолин). Прозрачность есть способность минералов пропускать через себя свет. По степени прозрачности минералы делятся на прозрачные (горный хрусталь, каменная соль, топаз); полупрозрачные (халцедон, опал), через которые видны лишь очертания предметов; просвечивающие, которые пропускают свет только в очень тонких пластинках (полевые шпаты); непрозрачные, через которые свет совсем не проходит (пирит, магнетит). Такие минералы, как правило, обладают металлическим блеском. Излом. Характерным диагностическим признаком некоторых минералов является излом, т. е. вид поверхности, образующейся при раскалывании минерала. Излом может быть раковистым, имеющим вид вогнутой или концентрически-волнистой поверхности, напоминающей поверхность раковин (горный хрусталь); занозистый, или игольчатый, с поверхностью, покрытой ориентированными в одном направлении занозами (гипс, роговая обманка);землистый с матовой шероховатой поверхностью (каолин, лимонит); неровный (нефелин); зернистый, встречающийся часто у мелкокристаллических агрегатов (апатит). Спайность — это способность минералов раскалываться по гладким параллельным плоскостям, совпадающим с одним или несколькими кристаллографическими направлениями — осями, гранями, в которых проявляется наименьшая сила сцепления между частицами. Различают пять видов спайности. Весьма совершенная спайность, когда минерал очень легко (например, ногтем) расщепляется на отдельные тончайшие листочки или пластинки, образуя зеркально-блестящие плоскости спайности (слюды, гипс, хлорит). Совершенная спайность отличается тем, что минерал раскалывается при слабом ударе молотком на гладкие параллельные пластинки, кубики или другие формы (каменная соль, кальцит). Средняя (явственная) спайность характерна для минералов, образующих при расколе как плоскости спайности, так и поверхности с неровным изломом (полевые шпаты, роговая обманка). Несовершенная спайность обнаруживается с трудом. В этом случае при расколе минерала преобладают поверхности с неправильным изломом (апатит, оливин и др.). Некоторые минералы не обладают спайностью; в этом случае говорят о весьма несовершенной спайности. Такие минералы дают только незакономерные поверхности излома. Примером могут служить молочно-белый кварц, золото. Надо уметь отличать плоскости спайности от граней кристалла. Плоскости спайности отличаются от граней кристалла более сильным блеском и свежим видом. Кроме того, поверхности спайности образуют ряд параллельных друг другу плоскостей. Характерным признаком для некоторых минералов является штриховка на гранях кристаллов (корунд, кварц, пирит и др.). Твердость представляет собой один из важнейших диагностических признаков. Под твердостью понимают степень сопротивления минерала внешним механическим воздействиям (царапанию, резанию, истиранию). В минералогии твердость устанавливается обычно путем царапания минералов предметами, твердость которых является известной и принята за эталон. Для определения твердости принята шкала Мооса, в которой используются минералы с известной и постоянной твердостью. Эти минералы располагаются в порядке возрастания твердости, так что каждый предыдущий минерал царапается последующим. При определении твердости минерала чертят на его свежей поверхности острым углом минерала — эталона из шкалы твердости. Например, определяется твердость альбита. Из эталонной коллекции его не царапает ни один минерал до апатита включительно. Ортоклаз оставляет на нем слабую царапину, но и сам истирается при этом. Следовательно, у этих двух минералов равная твердость. Следующий по шкале кварц при нажиме царапает альбит, следовательно, твердость альбита выше 5 и ниже 7, т. е. 6. В практике нередко прибегают к определению твердости при помощи распространенных предметов. Так, твердость карандаша 1, ногтя — 2, бронзовой монеты — 3,5—4, стекла — 5, иглы и стального перочинного ножа —• 6, напильника 7. Минералы с большей твердостью встречаются очень редко. Удельный вес для различных минералов колеблется от 0,0 до 21. Точное определение удельного веса возможно лишь в лабораторных условиях путем взвешивания на гидростатических весах и посредством других специальных приспособлений. На практике для быстрого приблизительного определения удельного веса пользуются взвешиванием минералов на руке с оценкой «тяжелый», «средний», «легкий». По удельному весу все минералы можно разбить на три категории: легкие — с удельным весом до 2,5 (нефти, смолы, угли, гипс, каменная соль), средние — с удельным весом до 4 (кальцит, кварц, поле-. вые шпаты, слюды) и тяжелые — с удельным весом больше 4 (рудные минералы). Чаще всего встречаются минералы с удельным весом от 2 до 5. Магнитность присуща немногим минералам (магнетит, пирротин, платина). Она определяется при помощи магнитной стрелки, которая притягивается или отталкивается при поднесении к ней магнитных минералов. Для ряда минералов присущи особые, специфические свойства. Так, для карбонатов характерна реакция со слабой (10%-ной) соляной кислотой с выделением углекислого газа в виде пузырьков. Некоторые карбонаты легко разлагаются в холодной кислоте (кальцит), другие же требуют измельчения в порошок (доломит) или подогревания (магнезит). Вскипают при реакции с соляной кислотой также многие сульфиды с образованием сероводорода. Тема № 3 : Классификация и систематика минералов. Современная классификация минералов основывается как на химическом составе, так и на кристаллической структуре и генезисе вещества. Работами ряда ученых (Н. В. Белов, А. Г. Бетехтин и др.) установлена взаимосвязь между химическим составом, физическими свойствами и кристаллическим строением вещества. Внутренняя структура минералов определяется в настоящее время рентгенометрическим методом исследований. По химическому составу и кристаллическому строению все известные минералы разбиваются на несколько подразделений (классов и подклассов), из которых важнейшими являются: 1) самородные элементы, 2) сульфиды, 3) окислы и гидроокислы, 4) галоидные соединения, 5) соли кислородных кислот и 6) углеродистые соединения. В ряде классов минералы разделяются на подклассы, а внутри последних — на группы минералов. С а м о р о д н ы е э л е м е н т ы К классу самородных элементов относятся: платина, золото, серебро, алмаз, графит, сера, медь и др. Минералы этой группы состоят из одного химического элемента или смеси двух элементов, не пользуются широким распространением, но чрезвычайно важны в практическом отношении. Довольно широко распространенными из них являются только графит и сера. |