Кристаллическое вещество и его строение

При прохождении через оптически анизотропную среду свет становится поляризованным. Колебания поляризованного света проходят лишь в одной плоскости, проходящей через направление движения световой волны.

Поляризация света происходит при прохождении через все кристаллы, за исключением кристаллов кубической сингонии; последние в оптическом отношении изотропны. Естественный свет, поступающий в кристалл, распадается на две световые волны, распространяющиеся с различными скоростями. Обе волны становятся поляризованными, причём плоскости их колебаний взаимно перпендикулярны. Это явление называется двупреломлением, или двойным светопреломлением. Двупреломление было открыто Бартолином в 1669 г. и в дальнейшем было изучено Х. Гюйгенсом.

В кристаллах тригональной, тетрагональной и гексагональной сингоний имеется только одно направление, по которому не происходит двойного светопреломления. Это направление называется оптической осью, оно совпадает с осью симметрии высшего порядка. Поэтому кристаллы средних сингоний называются оптически одноосными. В кристаллах триклинной, моноклинной и ромбической сингоний имеются два направления, по которым не происходит двойного светопреломления; они в оптическом отношении двуосны.

В кристаллах средних сингоний скорость распространения световых волн различна. Световая волна, распространяющаяся с одинаковой скоростью во всех направлениях, называется обыкновенной, а распространяющаяся в различных направлениях с различной скоростью необыкновенной. Поверхностью первой световой волны является шар, а второй эллипсоид вращения.

Цвет. Минералы могут иметь самые различные цвета и оттенки. Цвет минералов зависит от их внутренней структуры, от механических примесей и главным образом от присутствия элементов-хромофоров, т.е. носителей окраски. Известны многие элементы-хромофоры, таковы Cr, V, Ti, Mn, Fe, Ni, Co, Cu, U, Mo и некоторые другие. Эти элементы могут быть в минерале главными, или могут быть в виде примесей.

Побежалость - пёстрая или радужная окраска приповерхностного слоя. Она объясняется появлением тонких поверхностных плёнок за счёт изменения, например окисления, минералов.

Цвет черты.

Минералы, твёрдость которых невелика, оставляют черту на неглазурованной фарфоровой пластинке. Цвет черты, или цвет минерала в порошке может отличаться от цвета самого минерала.

Блеск.

Различают минералы с металлическим и неметаллическим блеском. Металлический блеск имеют те минералы (не зависимо от их окраски) , которые дают чёрную черту. Неметаллический блеск характерен для минералов, дающих цветную или белую черту. Исключением являются только самородные элементы.

Магнитность.

Это свойство характерно для немногих минералов. Наиболее сильными магнитными свойствами обладает магнетит. Минералы обладающие сильным полярным магнетизмом, называются ферромагнитными.

Существуют ещё: люминесценция, пироэлектричество, радиоактивность и др.

Эндогенные процессы минералообразования.

Эндогенные процессы всегда так или иначе связаны с деятельностью магмы. Среди них выделяют: Магматические процессы. К собственно магматическим процессам минералообразования относятся те, при которых минералы образуются непосредственно при кристаллизации магмы. Именно так возникли все минералы, слагающие магматические горные породы.

Как известно из курса общей геологии, магматические горные породы делятся на две большие группы: интрузивные, закристаллизовавшиеся на глубине, и эффузивные, образовавшиеся вблизи или на поверхности земли. Магматические процессы минералообразования могут быть связаны и с интрузиями и с эффузиями Пегматитовый процесс. При кристаллизации гранитной магмы, образуется остаточный силикатный расплав, богатый соединениями редких и редкоземельных элементов и летучими веществами минерализаторами. Этот силикатный расплав внедряется во вмещающие породы, заполняет в них трещины и полости и, кристаллизуясь, образует жильные крупнокристаллические тела пегматиты.

Пегматиты богаты различными минералами. Кроме главных породообразующих минералов - микроклина, плагиоклазов и биотита - часто встречаются турмалины, для некоторых пегматитов характерны берилл, сподумен и многие другие.

Пегматитовые жилы могут достигать нескольких километров в длину и нескольких десятков метров мощности. Минералы пегматитов также достигают больших размеров.

Пегматиты часто имеют зональное строение, причём разные минералы приурочены к разным зонам.

Пневматолитовый процесс.

Пневматолиз - процесс образования минералов из газовой фазы. На некоторых этапах кристаллизации магмы возможно отделение газов. По мере движения вверх по трещинам эти газы охлаждаются, реагируют друг с другом и с вмещающими породами, в результате чего образуются минералы. Пневматолиты (продукты пневматолиза) делятся на вулканические и глубинные.

Вулканические пневматолиты образуются в вулканических областях за счёт газов, отделяющихся от магмы вблизи или на поверхности земли. Вулканические газы в огромных количествах уходят в атмосферу через жерла вулканов, фумаролы и трещины.

В процессе возгона газа в трещинах лавовых покровов и кратерах вулканов происходит образование минералов. Преимущественно это хлориды и сульфаты минералы, легко растворимые и поэтому не наблюдаемые в больших количествах. Обычно все минералы, образующиеся при вулканической деятельности, имеют вид налётов, мелкокристаллических корочек или землистых агрегатов.

К вулканическим возгонам, связанным с базальтовой магмой, можно отнести скопления сульфидов на дне Восточно-Тихоокеанского поднятия (на глубине около 2.5 км). В зоне спрединга обнаружены активно действующие вулканические жерла, извергающие твёрдые частицы и флюиды с температурой 350-400°С. На "жерловых площадях" образуются сульфидные холмы высотой до 10 м.

Скопления сульфидов по всей вероятности образованны благодаря редукции сульфата океанской воды во время её циркуляции, а также благодаря мобилизации вещества из базальтов.

Глубинные пневматолиты образуются в том случае, когда газы отделяются от магматического очага в недрах земной коры. Они просачиваются сквозь горные породы, реагируют с ними, преобразуя их химический и минеральный состав. Степень химических преобразований пород под действием газов зависит от их химической активности, состава пород, тектонического строения и длительности процесса.

Гидротермальный процесс.

Гидротермы - горячие водные растворы, отделяющиеся от магмы или образующиеся в результате сжижения газов.

Причина движения гидротерм - разность давлений. Когда внутренне давление растворов больше внешнего, растворы движутся в сторону наименьшего давления, обычно вверх, к поверхности земли. При своём движении они используют различные тектонические нарушения, трещины, зоны контактов. По мере удаления растворов от магматического очага температура их падает. В результате падения температуры и реакций с вмещающими породами гидротермы отлагают свой груз в виде минералов. Выделение минералов из водных растворов и представляет собой сущность гидротермального процесса.

Поскольку гидротермы обычно движутся по трещинам, форма большинства гидротермальных минеральных тел жильная. Главнейшим жильным минералом является кварц.

Экзогенные процессы минералообразования.

В поверхностной зоне земной коры происходит мощный процесс разрушения минералов и горных пород. Совокупность явлений химического и физического разрушения носит общее название выветривания.

Процессы выветривания.

Процессы выветривания приводят к механическому разрушению и химическому разложению пород и минералов.

Агентами выветривания являются вода и ветер, колебания температуры вблизи поверхности, кислород и углекислота воздуха, жизнедеятельность организмов. Интенсивность выветривания также зависит от климата, рельефа местности, химического состава пород и минералов.

В результате физического выветривания происходит механическое разрушение пород и минералов - их дезинтеграция. Обломочный материал либо остаётся на месте, либо переносится водными потоками. Новых минералов при этом не образуется, но в результате механического разрушения, переноса и отложения образуются россыпи - важный источник многих ценных минералов.

При химическом выветривании происходит химическое разложение минералов, и образуются новые минералы, устойчивые в поверхностных условиях.

Большое значение имеют процессы выветривания в рудных месторождениях. Во вскрытых эрозией рудных жилах первичные рудные минералы, в особенности сульфиды, легко разрушаются и переходят во вторичные, окисленные минералы сульфаты, окислы, карбонаты и другие соединения.

В результате образуются зоны окисления сульфидных месторождений, или зоны "железной шляпы".

Главным минералом зоны окисления является лимонит.

Ниже уровня грунтовых вод следует зона цементации, или вторичного сульфидного обогащения, за которой находятся первичные не окисленные руды. В зоне цементации воды содержат сероводород и серную кислоту; в них отсутствует свободный кислород. Сульфаты металлов реагируют с первичными рудами, в результате чего образуются вторичные руды.

Осадочный процесс.

Разрушенные в результате выветривания огромные массы горных пород и минералов перемещаются текучими водами. При этом происходит сортировка материала и его отложение. Так образуются механические остатки, имеющие очень широкое распространение.

Химическое осаждение минералов может происходить как из истинных, так и из коллоидных растворов. Из пересыщенных растворов вещества выпадали в осадок. Таково происхождение различных солей: гипса, галита, карналлита и др. Это - химические остатки.

Большую роль в разрушении минералов и горных пород и в их новообразовании играют живые организмы, главным образом различные бактерии. Поэтому можно выделить биогенный или точнее биохимический процесс. Установлено участие организмов в образовании фосфоритов, самородной серы, руд железа и марганца. Минералы, образовавшиеся при участии организмов предложили называть биолитами. К биолитам можно отнести и породы, например, карбонатные (известняки, мел), которые образовались в результате скопления организмов с известковым скелетом, а также каменный уголь, торф и др.

Метаморфические горные породы.

Осадочные горные породы благодаря движениям земной коры могут попасть в более глубокие зоны литосферы, где существуют иные термодинамические условия, чем на поверхности. При этом они будут испытывать изменения - метаморфизм, главными факторами которого являются температура и давление. Механизм метаморфических процессов заключается в обезвоживании, перекристаллизации и метасоматических явлениях. Так, известняк, подвергаясь метаморфизму, переходит в кристаллическую зернистую породу - мрамор, песчаник - в кварцит. Метаморфизму могут подвергаться не только осадочные, но и магматические породы.

Выделяют контактовый, дислокационный и региональный метаморфизм.

Контактовый метаморфизм проявляется на контакте двух пород, обычно магматической и осадочной. Если магматический расплав, имеющий температуру около 1000° и богатый различными газами, под большим давлением внедряется в вышележащие породы, то, естественно, последние должны с ним реагировать, особенно, если это химически активные породы, такие, например, как известняки.

Дислокационный метаморфизм обычно выражается в дроблении и перетирании горных пород и в образовании тектонических брекчий.

Региональный метаморфизм протекает на больших глубинах и захватывает огромные площади. При региональном метаморфизме, например в результате перекристаллизации при одностороннем давлении, могут образовываться минералы, которые в других условиях не возникают.

С региональным метаморфизмом связывают также образование так называемых сухих трещин. Эти жильные тела, развитые в метаморфических породах, образуются благодаря тектоническим напряжениям в местах разрыва.

Типоморфные признаки, генерации и парагенезис минералов. Признаки, по которым с известным приближением можно установить состав, температуру образования или происхождение минералов, носят названия типоморфных.

Минералы образуются в природе при определённых физико-химических условиях среды. Изменение этих условий, например состава среды, приводит до известной степени к изменению состава минералов, что отражается на их цвете.

Минералы, обладающие типоморфными признаками, называются типоморфными минералами.

Каждый минерал образуется в определённом температурном интервале. Иногда этот интервал составляет сотни градусов, в других случаях температура образования более или менее определена. Это позволяет условно градуировать процессы минералообразования. Так, например, низкотемпературный кварц образуется при температуре ниже 575°С. Следовательно, и другие минералы, образовавшиеся одновременно с ним или после него, также имеют температуру образования ниже 575°С.

По взаимоотношениям минералов между собой, т.е. по пересечению одних минералов другими, в ряде случаев удаётся установить порядок их выделения. Нередко один и тот же минерал выделяется несколько раз в процессе минералообразования, т.е. имеет несколько генераций.

Минералы различных генераций нередко отличаются друг от друга по химическому составу и внешним признакам - цвету, величине зерна, огранке и т.д. Так, кварц более ранних генераций часто имеет серый цвет, а более поздних - белый.

Парагенезис - совместное образование минералов в природных процессах. Парагенетические ассоциации минералов - это группы минералов, образовавшиеся благодаря одному и тому же процессу.

Классификация минералов.

Классифицировать минералы можно по ряду признаков. Можно выделять минералы по ведущему или характерному элементу, рассматривая, например, минералы, содержащие медь, свинец и т.д. Существуют генетические классификации, в которых выделяют минералы по их происхождению, например, минералы магматические, пегматитовые, скарновые и т.д. Все эти классификации не удовлетворительны по ряду причин, но могут быть использованы как дополнительный справочный материал.

Наиболее распространённой является химическая классификация минералов. В основу выделения групп в этой классификации положен химический принцип. Классифицировать минералы нужно по химическому принципу (по типам химических соединений, по характеру химической связи) с обязательным учётом структурных особенностей минералов.

Прежде всего, в царстве минералов можно различать элементарные вещества и соединения. Среди элементарных веществ мы рассмотрим один класс минералов, встречающихся в виде свободных элементов, - самородные элементы.

Среди соединений по химическому признаку (ведущим анионам) выделяются следующие типы.

I тип. Сернистые соединения или сульфиды. Это соединения металлов с серой или аналогами серы - мышьяком, сурьмой, теллуром, селеном.

II тип. Галоидные соединения или галогениды. Относящиеся сюда минералы представляют собой соединения с галогенами - фтором, хлором и гораздо реже бромом и йодом.

III тип. Кислородные соединения, среди которых можно выделить оксиды - соединения металлов с кислородом и кислородные соли (оксосоли) - соединения металлов с комплексными кислородными анионами. Последние чрезвычайно широко распространены в природе, они являются главнейшими минералами, слагающими земную кору.

Самородные элементы.

В самородном состоянии в природе известны около 40 химических элементов, но большинство из них встречается очень редко.

Нахождение элементов в самородном виде связано со строением их атомов, имеющих устойчивые электронные оболочки. Химически инертные в природных условиях элементы называются благородными; самородное состояние для них является наиболее характерным. К ним относятся золото Au, серебро Ag, платина Pt и элементы группы платины. Очень часто в самородном состоянии встречаются углерод С, сера S и медь Cu.

Реже встречаются так называемые полуметаллы: мышьяк As, сурьма Sb, висмут Bi. Такие минералы как железо Fe, свинец Pb, олово Sn, ртуть Hg, встречаются как самородные крайне редко и нахождение их представляет лишь научный интерес. Некоторые элементы (хром, алюминий) вообще не встречаются в самородном виде.

Сульфиды.

Сернистых и аналогичных им минералов насчитывают более 200 видов, но общее содержание их в земной коре невелико и не превышает 0.15%.

С химической точки зрения они являются в основном производными сероводорода H ₂ S. В некоторых редких минералах место серы занимают Se и Te. По аналогии с сульфидами также выделяют арсениды и антимониды. Во всех этих соединениях широко развиты изоморфные замещения одних элементов другими.

Наибольшее распространение имеют дисульфиды и сульфиды железа, на долю которых приходится около 4/5 всех сульфидов. Обычными сульфидами являются сульфиды меди, свинца, цинка, серебра, сурьмы и т.д. В виде изоморфных примесей в состав сульфидов входит целый ряд редких и рассеянных элементов, не образующих самостоятельных минералов.

Сульфиды за небольшим исключениями имеют металлический блеск, большую плотность и невысокую твёрдость. Встречаются они в виде кристаллов, друз, чаще - в виде сплошных зернистых масс и вкрапленников.

Происхождение сульфидов главным образом гидротермальное, а также магматическое, скарновое и для некоторых экзогенных осадочное.

При окислении сульфиды разлагаются и легко переходят в различные вторичные минералы: карбонаты, сульфаты, окислы и силикаты, устойчивые в поверхностных условиях.

Сульфиды имеют большое практическое значение - это важнейшие руды свинца, цинка, меди, серебра, никеля и других металлов.

По структурному принципу среди сульфидов можно выделить сульфиды координационной, цепочечной, слоистой и других структур. Так, например, сульфиды можно классифицировать, выделяя структурные мотивы: координационный, островной, цепочечный, слоистый.

Окислы - соединения элементов с кислородом, в гидроокислах присутствует также вода. В земной коре на долю окислов и гидроокислов приходится около 17%, из них на долю кремнезёма (SiO ₂ ) около 12.5%.

Наиболее распространёнными минералами этой группы являются окислы кремния, алюминия, железа, марганца и титана.

В кристаллических структурах минералов класса окислов катионы металлов находятся в окружении анионов кислорода (в окислах) или гидроксила (в гидроокислах) . Среди окислов можно выделить простые окислы, в которых отношения между катионами и анионами изменяются в пределах от 2: 1 до 1: 2 (R ₂ O, R ₂ O ₃ , RO ₂ ) и сложные окислы, для которых характерны двойные соединения типа RO*R ₂ O ₃ .

Происхождение минералов класса окислов различное магматическое, пегматитовое, гидротермальное, но большинство окислов образовалось в результате экзогенных процессов в верхних слоях литосферы. Многие эндогенные минералы при выветривании разрушаются и переходят в окислы и гидроокислы.

Физические свойства окислов различны: для большинства из них характерна высокая твёрдость. Минералы класса окислов имеют большое практическое значение.

Карбонаты и сульфаты.

Карбонаты - многочисленная группа минералов, которые имеют широкое распространение. В структурном отношении все карбонаты относятся к одному основному типу - анионы [CO ₃ ] ^2- представляют собой изолированные радикалы в форме плоских треугольников.

Большинство карбонатов безводные простые соединения, главным образом Ca, Mg и Fe с комплексным анионом [CO ₃ ] ^2- . Менее распространены сложные карбонаты, содержащие добавочные анионы (OH), F ^- и Cl ^- . Среди наиболее распространённых безводных карбонатов различают карбонаты тригональной и ромбической сингоний.

Карбонаты обычно имеют светлую окраску: белую, розовую, серую и т.д., исключение представляют карбонаты меди, имеющие зелёную или синюю окраску. Твёрдость карбонатов около 3-4.5; плотность невелика, за исключением карбонатов Zn, Pb и Ba.

Важным диагностическим признаком является действие на карбонаты кислот (HCl и HNO ₃ ), от которых они в той или иной степени вскипают с выделением углекислого газа.

По происхождению карбонаты осадочные (биохимические или химические осадки) или осадочно-метаморфические минералы; выделяются также поверхностные, характерные для зоны окисления и иногда низкотемпературные гидротермальные карбонаты.

Сульфаты - соли серной кислоты. Они имеют светлую окраску, небольшую твёрдость, многие из них растворимы в воде.

Основная масса сульфатов имеет осадочное происхождение - это химические морские и озёрные осадки. Многие сульфаты являются минералами зоны окисления, известны сульфаты и как продукты вулканической деятельности.

Различают сульфаты безводные, водные и сложные, содержащие кроме общего для всех анионного комплекса [SO ₄ ] ^2- также добавочные анионы (ОН) ^- .

минерал кристалл геологоразведка горный

Размещено на Allbest.ru