Тема 2

Мінерали

 

Мінерали є складовою частиною будь-яких гірських порід (гранітів, піщаників, глин і ін.), що складають земну кору. В інженерній геології вивченню мінерального складу гірських порід приділяється досить велика увага. Це пов'язане з тим, що такі найважливіші будівельні властивості гірських порід (ґрунтів), як міцність, стискальність, щільність часток ґрунту, розчинність у воді, стійкість до вивітрювання й ін., багато в чому визначаються тим, з яких мінералів вони складаються.

 

2.1. Загальні відомості про мінерали

Мінерали – це природні сполуки, які мають певний хімічний склад і фізичні властивості й утворюються в результаті фізико-хімічних процесів, що відбуваються в земній корі або на її поверхні.

Наука про склад, будову, властивості й походження мінералів називається мінералогією.

На теперішній час відомо більше 2200 мінералів, а разом з різновидами– більше 4000. Мінерали можуть перебувати в різних станах: твердому (кварц, гіпс, лід), рідкому (ртуть, вода) і газоподібному (вуглекислий газ). У гірських породах переважний розвиток мають тверді мінерали.

Мінерали, які містяться в породах у значних кількостях і помітно впливають на їхні властивості, називають породотворчими. Наприклад, у гранітах це польові шпати (їхній зміст становить до 60%), кварц (20-25%) і слюда (15-20%). Ці мінерали й визначають основні будівельні властивості гранітів.

Кількість породотворчих мінералів невелика й становить близько 100 з більш ніж 2000 відомих мінералів. У ряді випадків на властивості гірських порід впливають і так звані другорядні (акцесорні) мінерали, що перебувають у породах у невеликих кількостях. Так, наприклад, пірит (FeS₂) навіть у кількості 1 – 2% різко погіршує будівельні властивості гранітів і робить їх непридатними для використання як лицювальний камінь.

Структура мінералів. Переважна більшість мінералів мають кристалічну будову, що виражається в їх геометрично правильній багатогранній формі – кристалах (рис. 2.1). Елементарні частки з яких складається кристал (атоми, іони або молекули), розташовуються в строго визначеному порядку, утворюючи кристалічні решітки.

Рис. 2.1. Форма кристалів деяких мінералів:
а — галіт; б — кварц; в — алмаз; г — гранат

 

Для кристалів характерна анізотропність, тобто їх фізичні й оптичні властивості різні по різних напрямках. Наприклад, кристали слюди легко розщеплюються лише в одній площині.

Значно рідше зустрічаються мінерали з аморфною (склоподібною) будовою речовини (опал, смола, бітуми та ін.). Для них характерні відсутність кристалічності, неправильна зовнішня форма й ізотропність, тобто однаковість властивостей в усіх напрямках.

Для всіх кристалічних багатогранників характерна симетрія, тобто закономірне повторення граней, ребер і вершин кристала. Різні види симетрії по ступені складності групуються в системи, називані сингоніями: 1) триклінну; 2) моноклінну; 3) ромбічну; 4) тригональну; 5) гексагональну; 6) тетрагональну й 7) кубічну (рис. 2.2).

Походження мінералів. За умовами утворення мінерали поділяють на три групи: ендогенні, екзогенні й метаморфічні.

Ендогенні (грецьк. „ендо” – усередині) мінерали утворюються в глибинах земної кори при кристалізації магматичного вогненно-рідкого силікатного розплаву або його похідних (гарячих розчинів, газів і ін.). Таким шляхом утворюються, наприклад, польові шпати, слюди, кальцит, самородні елементи (золото, срібло й ін.).

Екзогенні (грецьк. „екзот” – зовнішні) мінерали (гіпс, галіт, глинисті мінерали й ін.) утворюються в самій верхній частині земної кори й на її поверхні при руйнуванні гірських порід, перевідкладенні й осіданні з водяних розчинів і т.ін.

Метаморфічні мінерали (тальк, хлорити, актиноліт і ін.) – це видозмінені мінерали, які утворюються в надрах Землі під впливом на інші мінерали високих температур, тиску, а також хімічно активних речовин.

Окремо виділяється група штучних мінералів, спеціально створених людиною для різних технічних цілей.

 

2.2. Хімічний склад і фізичні властивості мінералів

Хімічний склад мінералів досить різноманітний. Найпоширеніші складові елементи мінералів – кремній (Si) і алюміній (А1) дають багато різноманітних з'єднань, оскільки кремній має чотири заряди, а алюміній здатний заміщувати кремній і давати з'єднання з ним і з киснем.

 

Рис. 2.2. Кристалографічні системи (за Ф. Блізсом): а – кубічна: 1 – алмаз; 2 – галіт; б – гексагональна: 1 – кварц; 2 – кальцит; в – тетрагональна: 1 – циркон; 2 – везувіан; г – ромбічна: 1 – олівін; 2 – барит; д – моноклінна: 1 – ортоклаз; 2 – рогова обманка; е – триклінна: 1 – альбіт; 2 – аксиніт

 

Хімічний склад мінералів виражається емпіричними й структурними формулами. Перші показують кількісні співвідношення елементів, що входять до складу мінералу. Наприклад, емпірична формула ортоклазу — K₂Al₂Si₆O₁₆. Подання про характер взаємного зв'язку елементів у просторових ґратах цього мінералу дає структурна формула — K[AlSi₃O₈].

За хімічним складом мінерали поділяються на окремі класи, характеристика яких буде наведена нижче.

Фізичні властивості мінералів. До фізичних властивостей відносять морфологічні (зовнішня форма), оптичні (колір, прозорість, блиск, колір риски й ін.) і механічні (твердість, спайність, злам, щільність) властивості.

Визначення фізичних властивостей мінералів має велике діагностичне значення. При проведенні інженерно-геологічних досліджень у польових умовах за допомогою вивчення фізичних властивостей мінералів одержують попередню інформацію про мінеральний склад і деякі властивості гірських порід.

Морфологічні ознаки. Зовнішня форма (вигляд) мінералів може бути виражена кристалами, великими багатогранниками або невеликими зернами. Кристали з чітко вираженими гранями в природних умовах зустрічаються порівняно рідко, звичайно вони здобувають неправильні обриси. Крім одиничних форм кристалів зустрічаються і їхні скупчення: друзи (зростки кристалів на стінках тріщин і порожнеч), конкреції (кулясті стягнення), жеоди (заповнені округлі порожнини), дендрити (тонкі кристали, подібні до гілок рослин).

Розмір окремих кристалів мінералів може коливатися від декількох метрів (польові шпати, кварц і ін.) до часток < 1 мкм, які можна розглянути тільки за допомогою електронного мікроскопа.

Оптичні властивості. Колір мінералів залежить від хімічного складу й може змінюватися при наявності домішок. Так, наприклад, кварц може бути безбарвним (гірський кришталь), чорним (моріон), фіолетовим (аметист) і т.д. Для деяких мінералів (малахіт, азурит) колір строго постійний. Дуже часто більш важливою відмінною ознакою мінералу, ніж колір самого мінералу, є його риска.

Важливою діагностичною ознакою служить блиск мінералів. Розрізняють металевий (пірит, галеніт) і неметалевий блиск, що поділяється на скляний (кальцит, гіпс), жирний (тальк), матовий (польові шпати, каолініт), перламутровий (слюда), шовковистий (азбест) та ін.

Прозорість мінералів буває різною – від мінералів, що легко пропускають світло (гірський кришталь, кальцит), до непрозорих (рогова обманка, пірит). Такі мінерали, як гіпс, опал і ін., відносяться до напівпрозорих.

Механічні властивості мінералів, особливо їхня твердість, – є найважливішими діагностичними ознаками. Твердість характеризує здатність мінералів протистояти подряпанню, свердлінню або стиранню.

Відносна твердість мінералів визначається за 10-бальною шкалою, запропонованою Ф. Моосом (табл. 2.1). Абсолютна твердість визначається на спеціальних приладах – склерометрах і використовується в техніці.

 

Таблиця 2.1

Відносна твердість мінералів

 

Спайність – здатність мінералів розколюватися або розщеплюватися по певних рівних площинах. Спайність буває досить досконала (слюди), досконала (кальцит), середня (польові шпати), недосконала (апатит) і досить недосконала (кварц).

Злам – форма поверхні, що утвориться при розколюванні мінералів. Розрізняють злам раковистий (кварц), рівний (магнетит), землистий (лимоніт) та ін.

Щільність мінералів коливається від 0,6 до 23 г/см³. По щільності їх ділять на легкі – до 2,5 г/см³, середні – від 2,5 до 3,3 г/см³, важкі – від 3,3 до 6,0 г/см³ і дуже важкі – більше 6,0 г/см³ (рудні мінерали).

 

2.3. Класифікація мінералів за хімічним складом

За хімічним складом та їхній внутрішній будові мінерали поділяються на 10 класів (табл. 2.2).

 

Таблиця 2.2

Класифікація мінералів за хімічним складом

 

Приводимо коротку характеристику основних класів мінералів.

Силікати (польові шпати, слюди, піроксени, хлорити й ін.). Найбільш чисельний клас (до 800 мінералів), що складає по масі більше 90% всієї земної кори. В основі будови всіх силікатів — кремнієкисневий тетраедр [SiO₄]⁴. Силікати є породотворчими мінералами для більшості магматичних і метаморфічних гірських порід. Найпоширенішими серед силікатів є польові шпати, які поділяються на калієво-натрієві (ортоклаз) і вапняно-натрієві, або плагіоклази (альбіт, лабрадор, анортит).

У складі силікатів велике практичне значення має група глинистих мінералів – каолініт, гідрослюда й особливо монтморилоніт. Ці мінерали багато в чому визначають інженерно-геологічні особливості глинистих порід і відрізняються досить високою дисперсністю (< 1 мкм).

Карбонати (кальцит – СаСО₃, доломіт – CaMg(CO₃)₂, сидерит – FeCO₃ і ін.). У клас карбонатів входить до 80 мінералів, найбільш відомий серед них кальцит, що входить до складу таких гірських порід, як вапняк і мармур. Карбонати розчиняються у воді й викликають розвиток небезпечних геологічних процесів.

Оксиди і гідроксиди (кварц і халцедон – SiО₂, опал – SiО₃ ∙ nН₂О, лимоніт — Fe₂О₃ ∙ nН₂О та ін.). Найпоширенішим і досить стійким мінералом серед них є кварц, що входить до складу майже всіх гірських порід.

Сульфіди (пірит FeS₂, галеніт PbS, сфалерит ZnS та ін.) у хімічному відношенні являють собою з'єднання різних елементів із сіркою. Найпоширеніший серед них пірит, що негативно впливає на якість природних будівельних матеріалів. Усього в класі сульфідів налічується до 200 мінералів.

Сульфати (гіпс CaSO4 ∙ 2Н₂О, ангідрит CaSO₄, барит BaSO₄ та ін.) – солі сірчаної кислоти, типові мінерали осадових гірських порід. Представники цього класу нараховують до 260 мінералів. Їхня характерна риса – розчинність у воді, що є причиною розвитку (як і в карбонатах) небезпечного геологічного процесу – карсту.

Галоїди (галіт – NaCl, сильвін – КС1, флюорит – CaF₂ та ін.) – солі галоїдно-водневих кислот. Багато хто з них розчинні у воді й надають їй підвищену мінералізацію.

Фосфати (апатит – Ca₅(F,C1)(РО₄)₃ та ін.) представлені великою кількістю мінералів (до 300), однак вміст їх у земній корі не перевищує 1 %.

Вольфрамати (вольфраміт – (FeMn)WO₄ та ін.) не мають породотворчого значення й у гірських породах зустрічаються вкрай рідко. Багато сплавів вольфраматів мають дуже високу твердість, наприклад, победіт, широко використовуваний при бурінні свердловин.

Самородні елементи (алмаз – С, сірка – S, золото – Аu та ін.). У цей клас входить близько 50 мінералів. Зустрічаються вони рідко, і в земній корі їхня маса не перевищує 0,1%.