На оглавление
Самородные элементы.
К этому классу относятся минералы, состоящие их одного химического элемента и называемых по этому элементу. Например: самородное золото сера и т.д. Все они подразделяются на две группы: металлы и неметаллы.
В первую группу входят самородные платина, золото, серебро, медь и некоторые др. Железо в самородном виде встречается крайне редко из-за его склонности формировать химические соединения. Крайне редки в природе самородки редких металлов: палладия (Pd), осмия (Os), иридия (Ir).
Во второй группе – сера, алмаз, графит и др. Минералы класса не пользуются широким распространением (кроме графита и серы), но важны в практическом отношении.
К собственно породообразующим минералам относится лишь графит. Происхождение почти всех самородных элементов эндогенное, чаще всего гидротермальное. Иногда самородные элементы образуются в интрузивных породах и кварцевых жилах, Образование самородной серы связано с вулканизмом. Экзогенное происхождение минералов связано с разрушением пород и высвобождением самородных элементов (в силу их устойчивости к физическому и химическому воздействию они концентрируются в благоприятных для этого местах). Таким образом, могут формироваться россыпи золота, платины и алмазов.
Отдельно рассматривается самородный углерод С, который создает две полиморфные модификации: алмаз и графит. Образование алмазов связано с магматическими процессами. Чаще всего алмазы встречаются в кимберлитах – породах интрузивных тел подобных неккам. Графит образуется в богатых органическим веществом осадочных породах в процессе метаморфизма.
Существует ряд более редких модификаций самородного углерода: лонсдейлит, чаоит и фуллерен (С60). Первые два сходны с алмазом, отличаясь формой кристаллов и несколько меньшей плотностью. Фуллерен представляет собой кристалл шарообразной формы.
Сульфиды.
Сульфиды или сернистые соединения являются солями сероводородной кислоты. Они составляют менее 2 % массы земной коры чаще всего в виде руд. Сульфиды не являются породообразующими минералами, но представляют большой интерес как руды цветных и черных металлов. Минералы класса сульфидов кристаллизуются в различных сингониях – кубической, гексагональной, ромбической и т.д. По сравнению с самородными минералами, у них более широкий состав элементов-катионов. Отсюда большее разнообразие минеральных видов. Общими свойствами для сульфидов являются металлический блеск, серые и темные цвета, средняя плотность.
Из сернистых минералов в земной коре наиболее широко распространен пирит FeS2(серный или железный колчедан). Пирит и марказит FeS2 (гребенчатый колчедан) являются примером явления полиморфизма, т.е. при одинаковом химическом составе имеют разную кристаллическую решетку и соответственно различаются по физическим свойствам. К сульфидам железа относится также пирротин FeS (магнитный колчедан). Из других минералов класса сульфидов часто встречаются халькопирит СuFеS2, галенит РbS (свинцовый блеск) - важнейшая свинцовая руда, сфалерит ZnS (цинковая обманка) - цинковая руда, киноварь HgS (ярко-красный минеральный пигмент, источник для получения ртути).
Происхождение большинства сульфидов эндогенное, чаще всего гидротермальное (кроме пирита, который часто формируется на поверхности Земли и является типичным минералом некоторых осадочных пород и почв). Сульфиды являются основным источником руд цветных металлов, а за счет примесей редких и благородных металлов ценность их использования повышается. Железо и другие черные металлы (хром, марганец) из сульфидных руд не извлекаются из-за избытка серы. В поверхностных условиях сульфиды неустойчивы и разрушаются, переходя в различные вторичные минералы: карбонаты, сульфаты, окислы и силикаты.
Оксиды и гидроксиды.
Оксиды и гидроксиды представляют один из наиболее распространенных классов с более чем 150 минеральными видами. Наиболее широко представлены оксиды Si, Fe, Al, Ti, Sn. Некоторые из них образуют и гидрооксидную форму.
Часто оксиды и гидроксиды подразделяются на 2 подкласса:
оксиды и гидроксиды кремния,
оксиды и гидроксиды металлов.
В отношении первого подкласса существует неоднозначная интерпретация. Некоторые исследователи рассматривают оксиды кремния как частный случай каркасных силикатов. Важнейшим оксидом кремния (SiO2) является кварц, который составляет 12 % массы земной коры. Кварц является обычной составляющей большинства горных пород разного генезиса. Различают следующие важнейшие разновидности кварца:
горный хрусталь – прозрачный, без примесей, встречающийся в виде кристаллов;
морион - коричнево-черный прозрачный и полупрозрачный;
аметист - фиолетовый; цитрин – желтый.
Выделяются также скрытокристаллические разновидности кварца: халцедон, кремень, агат (полосатый халцедон), яшма, тигровый глаз и др.
Кроме кварца формулу SiO2 имеют менее распространенные минералы кристобалит, тридимит, стишовит (пример явления полиморфизма). Кристобалит, тридимит формируются при высоких температурах и образуются при извержениях вулканов. Стишовит формируется при очень высоких давлениях и на поверхности Земли встречается только в кратерах, образовавшихся при падении крупных метеоритов. Считается, что в земной мантии SiO2 присутствует в виде стишовита.
Гидроксид кремния известен только один. Это опал – минерал, представляющий собой коллоидальный кремнезем SiO2. Он образуется при выпадении кремния в осадок из различных растворов. Формула опала SiO2. n Н2О, поскольку в нем содержится переменное количество воды. Некоторые разновидности опала используются в качестве поделочных и полудрагоценных камней. Оксиды и гидроксиды кремния характеризуется низкой плотностью, высокой твердостью 6–9, прозрачностью, широкой гаммой цветов, отсутствием спайности. Опал часто образуется в почвах в результате выветривания силикатов, формируя характерные натеки.
Из оксидов и гидроксидов металлов более всего распространены соединения железа и алюминия.
Магнитный железняк - магнетит Fe3O4 или Fe2O2*Fe2O3 - оксид, наиболее богатый железом.
Гематит Fe2O3– в виде кристаллов, называемый железным блеском, а в скрытокристаллической форме - красным железняком.
Бурый железняк или лимонит 2Fe2O2.3H2O - смесь минералов гётита FeOOH и гидрогётитаFeOOH.nH2O.
Ильменит (Fe,Ti)2O3.
Они являются главными минералами железных руд. Наиболее богата железом магнетитовая руда, несколько менее - гематитовая и самые бедные лимонитовые или болотные руды.
Широко распространенным оксидом алюминия является боксит, который представлен смесью ряда минералов.
К оксидам алюминия относятся несколько разновидностей более редких минералов, например корунд Al2O3. Красная разновидность корунда называется рубином, синяя - сапфиром.
Прозрачные, кристаллические разновидности корунда (сапфир и рубин) и кварца (аметист, горный хрусталь и др.) используются как драгоценные и полудрагоценные камни.
Гидроксид алюминия - гиббсит Al2(OH)3 входит в состав алюминиевых руд - бокситов и иногда содержится в глинах. Образование минералов этого класса происходит при эндогенных и экзогенных процессах.
Галоиды.
Соли галогеноводородных кислот образуют около 100 минералов. Среди галоидных соединений наиболее широко распространены фториды и хлориды - соединения катионов металлов с одновалентным фтором и хлором. Их роль как породообразующих минералов невелика, но они важны в практическом отношении.
Фториды - минералы светлые, средней плотности и твердости. Представитель - флюорит CaF2 (плавиковый шпат) и криолит Na3AlF6 - минерал назван криолит по сходству (блеску и показателю преломления) со льдом.
В народном хозяйстве флюорит и криолит используются в металлургии при плавке металлов, в стекольной и химической промышленности для получения плавиковой кислоты. Прозрачные разности флюорита используются в оптике.
Хлоридами являются минералы галит NaCl, сильвин KCl, сильвинит NaCl.KCl, карналлит KCl.МaCl2.6Н2О. Хлориды обладают особыми свойствами: соленым и горько-соленым вкусом.
Из галоидов наибольшее распространение имеет галит, который используется в виде поваренной соли в пищу. Помимо этого галит является основным источником натрия и хлора для химической промышленности. Сильвин и карналлит используются в качестве удобрений. Галит и сильвин находят применение в медицине и фотоделе.
Галит и сильвин служат примером изоморфного замещения. В галите часть ионов натрия всегда замещена калием, также как в сильвине всегда присутствует натрий. Если натрий и калий присутствуют в примерно равных количествах, то минерал называется сильвинитом. Непрерывный ряд минералов с разной степенью замещения определенного элемента другим элементом (наблюдаемый в ряду галит-сильвинит-сильвин) называется изоморфным рядом. Форма записи формул минералов изоморфных рядов может быть различной. Например, сильвинит может быть записан тремя способами: NaCl.KCl, (Na,K)Cl и NaKCl2.
Для галоидов общими являются низкая твердость, кристаллизация в кубической сингонии, совершенная спайность, широкая цветовая гамма, прозрачность.
По генезису фториды и хлориды отличаются. Флюорит – продукт эндогенных процессов (гидротермальный). Галит (каменная соль), сильвин и карналлит образуются в экзогенных условиях за счет осаждения при испарении в озёрах и морях.
Нитраты.
Нитраты природные - класс минералов, солей азотной кислоты. Из-за высокой растворимости в воде большинство нитратов природных являются сравнительно редкими минералами. Они представляют собой главным образом нитраты Na2+, К+, реже NH4+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Cu2+. Всего в классе нитратов природных выделяют 9 минералов, из которых промышленные скопления образуют только натровая (чилийская) селитра (нитронатрит) NaNO3 и калийная (индийская) селитра (нитрокалит) KNO3. Их месторождения находятся в крайне сухих жарких областях (в пустынях).
Нитраты природные образуются в природе в основном двумя путями: биогенным путём (в результате деятельности нитробактерий в почве) и путем окисления азотаатмосферы при грозовых разрядах или под действием солнечной радиации.
Нитраты используются в качестве азотных удобрений, а так же для получения азотной кислоты и взрывчатых веществ. Поскольку промышленные запасы этих минералов ограничены, в настоящее время нитраты получают преимущественно методом химического синтеза из азота воздуха.
Карбонаты.
Карбонаты – соли угольной кислоты. Их общая формула АСО3, где А– ионы Са, Мg, Fe и др. Минералы этого класса очень широко распространены в верхних частях земной коры. Это породообразующие минералы осадочных пород (известняки, доломиты, мел и др.) и метаморфических – мрамор, скарны.
Карбонаты кристаллизуются в ромбической и тригональной сингониях (спайность по ромбу). Для них характерна низкая твердость 3–4, преимущественно светлая окраска. Наиболее часто встречающиеся минералы: кальцит СаСО3, магнезит MgСО3, доломит СаМg (СО3)2, сидерит FeСО3 и малахит Cu2C03(ОH)2.
Самым распространённым карбонатом является кальцит. Непрозрачный кальцит называют известковым шпатом. Прозрачная разновидность кальцита – исландский шпат встречается реже и применяется в оптике.
Магнезит МgСО3 и доломит СаМg(СО3)2 используются в химической промышленности и для производства цемента.
Сидерит (железный шпат) FеСО3 – руда для получения качественной стали. Сидерит – типичный минерал болотных руд. Малахит Cu2CО3(ОH)2 относится к гидрокарбонатам.
Малахит - красивый поделочный камень. Как и близкий к нему по составу и свойствам минерал азуритCu3CО3(ОH)2, он образуется на поверхности Земли в результате окисления сульфидов меди в виде натечных почковидных агрегатов зеленого цвета. Его землистые разновидности (медная зелень) встречаются в песчаниках Урала, Украины и других районов.
Все карбонаты вступают со слабой (5–10 %–ной HCl) соляной кислотой в реакцию, сопровождающуюся выделением углекислого газа. Степень интенсивности реакций у разных минералов позволяет отличать сходные по внешнему виду карбонаты. Генезис карбонатов разнообразен – осадочный (химический и биогенный), гидротермальный, метаморфический.
Сульфаты.
Сульфаты – соли серной кислоты, т.е. имеют в составе радикал SO4. Они кристаллизуются в моноклинной и ромбической сингониях. Из минералов этого класса широко распространен гипс СаSО4.2Н2O. Он является компонентом многих осадочных пород. Добывается в больших количествах. Используется для изготовления штукатурки, цемента, как наполнитель при изготовлении бумаги и красок, а также в качестве удобрения.
Реже встречается ангидрит СаSO4 – безводный сульфат кальция. Искусственно обожженный гипс, а также тонкозернистые сплошные массы обыкновенного гипса называют алебастром.
Иногда встречается длинностолбчатая волокнистая разновидность светлого голубоватого гипса, называемая селенитом.
Мирабилит (глауберова соль) NaSO4.ОН2Oформируется исключительно путём выпадения в осадок из холодных растворов на поверхности Земли. Месторождения обнаруживаются по берегам солёных озёр; используется главным образом для производства соды.
Барит BaSO4– главный минерал бария. Барит часто образует удлиненные и уплощенные призматические кристаллы и друзы, встречаются также характерные кристаллические сростки, баритовые розы – радиальные агрегаты, состоящие из таблитчатых кристаллов. Встречается в виде жил в известняках и сланцах. Барит используется во многих областях человеческой деятельности в силу своей химической инертности: при изготовлении красок, бумаги, эмалей, а также как утяжелитель шоколада.
Для сульфатов, как и карбонатов, характерны низкая твердость, светлая окраска, небольшая плотность (исключение барит), стеклянный блеск, совершенная спайность.
Сульфаты образуются в экзогенных условиях, часто совместно с галоидами. Некоторые сульфаты (барит) имеют гидротермальный генезис.
Хроматы.
Элемент хром был впервые установлен в минерале крокоите (рис. 1.46). Крокоит – хромат свинца (РbСгО4). Он содержит 69,1 % РbО; 30,9 % Сг203. Название от греч.ироиос – шафран, по характерному оранжево-красному (шафранному) цвету. Старое название – красная свинцовая руда. Хорошо ограненные кристаллы и друзы часто встречаются по трещинам. Кристаллы призматические, удлиненные (имеют форму острого ромбоэдра), со штриховкой на гранях. Цвет очень яркий оранжево-красный, оранжевый до багряного. Встречается редко. Происхождение гипергенное – в зоне окисления месторождений полиметаллов и золота. Практического значения не имеет. Встречается в виде красивых кристаллов и друз, которые ценятся коллекционерами.
Рис. 1.46. Крокоит
Хром – довольно распространенный элемент на Земле. Его кларк (среднее содержание в земной коре) составляет 8,3·10–3 %. Хром никогда не встречается в свободном состоянии. В хромовых рудах практическое значение имеет только хромит FeCr2O4, относящийся к шпинелям – изоморфным минералам кубической системы с общей формулой МО·Ме2О3, где М - ион двухвалентного металла, а Ме – ион трехвалентного металла. Шпинели могут образовывать друг с другом твердые растворы. Хромиты окрашены в темный или почти черный цвет, имеют металлический блеск и обычно залегают в виде сплошных массивов. Месторождения хромита имеют магматическое происхождение.
Вольфраматы и молибдаты.
Среди вольфраматов (солей вольфрамовой кислоты H2WО4) и молибдатов (солей молибденовой кислоты Н2МоО4) имеются минералы-аналоги (например, шеелит CaWО4 и повеллит СаМоО4), поэтому удобно рассматривать оба подкласса совместно, тем более что они не богаты видами. Вольфраматы железа, марганца и кальция преимущественно образуются в гидротермальных условиях, тогда как молибдаты – в зонах окисления гидротермальных месторождений, содержащих в первичных рудах молибденит.
Фосфаты, арсенаты и ванадаты.
Этот класс минералов объединяет соли фосфорной, мышьяковой и, в меньшей степени, ванадиевой кислот и насчитывает свыше 300 минералов.
Наиболее многочисленны среди них фосфаты. В природе известно свыше 230 фосфатов, среди которых выделяют:
простые (с одним) и сложные (с двумя и более видообразующими катионами);
кислые (типа CaHPO4 – монетит), средние и основные (с OH-группой), а также с другими дополнительными анионами – (F-, Cl, O2-, [AsO4]3-, [SiO4]3- и др.).
Из-за относительной сложности состава фосфатам более свойственны кристаллы низкой симметрии. Пространственное расположение катионов и дополнительных анионов, а также молекул воды определяет координационные, цепочечные, слоистые и каркасные мотивы в кристаллической структуре фосфатов.
Фосфаты иногда бесцветны, чаще интенсивно окрашены, например, для фосфатов алюминия и железа особенно характерен синий цвет различных оттенков. Многим фосфатам свойственна люминесценция.
Главные представители класса фосфатов:
апатит Ca5(PО4)3(ОH,Cl,F); вивианит Fe3(PО4)2.8H2О; бирюза СиА16(РО4)4(ОН)8.5Н2О.
Апатит – наиболее распространенный минерал этого класса. Апатит может иметь как эндогенное, так и экзогенное происхождение. Перечисление в формуле апатита гидроксильной группы, хлора и фтора означает, что в этом минерале возможно изоморфное замещение указанных анионов. Причём самым распространённым является фторапатит, т.е. апатит, в котором фтор преобладает над хлором и гидроксилом.
Вивианит, бесцветный в восстановительных условиях и ярко- синий после окисления минерал, имеет исключительно экзогенное происхождение. Встречается на болотах, поскольку образуется при недостатке кислорода и избытке органического вещества.
Бирюза, красивый голубой или зеленый поделочный камень, также имеет только экзогенное происхождение
В природе фосфаты иногда встречаются в виде фосфоритов. Фосфориты – осадочные морские образования, близкие по составу к апатиту, содержащие примеси кварца, карбонатов, глауконита и глинистых частиц. Они обычно образуют радиально-лучистые и скрытокристаллические конкреции.
Почти для всех минералов рассматриваемого класса характерны землистые, колломорфные агрегаты, налеты, корки, плотные скрытокристаллические скопления.
Многие минералы этого класса выделяются яркой окраской, связанной с содержанием ионов-хромофоров. Уран содержащие имеют канареечно-желтый или изумрудно-зеленый цвет. Минералы, содержащиеCu, зеленые разных оттенков до зеленовато-голубого; Со- розовые до малиново-красного; Fе - бурые, желтые, синие; Mn- розовые.
Большинство фосфатов и их аналогов имеют низкую и среднюю твердость. Редко она доходит до 5.
Подавляющая часть минералов этого класса, включая все арсенаты и ванадаты, а также все водные соединения, являются минералами поверхностных процессов. Наиболее часто это зона окисления сульфидных месторождений, находящихся в странах с жарким, тропическим климатом. Значительные количества они образуют также в процессах осадконакопления (фосфориты, апатит, вивианит). Меньшее число минералов возникает в результате магматического или пегматитового процессов (апатит, мо-нацит). Апатит является минералом, возникающим практически во всех процессах минералообразования.
Яркая окраска некоторых уранил-фосфатов (урановые слюдки) используется в качестве поискового признака руд урана.
При значительных концентрациях фосфаты используются как руды редких земель, урана и других элементов, а также для получения фосфорных удобрений.
Бораты.
Бораты по составу являются солями ортоборной кислоты Н3ВО3.
Анион [ВО3]3− имеет вид плоского треугольника сравнительно малых размеров. Это благоприятствует образованию прочных кристаллических решёток с малыми катионами трехвалентных металлов Fe3+, Al3+, Mn3+ в сочетании с малыми двухвалентными катионами Mg2+, Fe2+, Mn2+. Для полиборатов весьма характерны ионы Mg2+ и более крупные - Ca2+, Na1+.
Известно 85 природных боратов. Удельный вес в безводных боратах 2,6–3,4 г/см3 (редко больше). У водосодержащих боратов – меньше 2 г/см3. Твердость безводных по шкале Мооса 5–6, водных 2- 4. Цвет: бесцветные, белые, серые, реже жёлтые или окрашенные в другие цвета.
Бораты слагают месторождения ряда генетических типов, главные из которых контактово-метасоматические, вулканогенно-осадочные и галогенные. Бораты встречаются в доломитах, в доломит-ангидритовых породах, в каменной соли и калийных солях. В галогенных горных породах нередко встречаются не только бораты, но и боросиликаты (данбурит).
Силикаты.
К классу силикатов относится наибольшее число минералов, входящих в состав земной коры. Третья часть известных минералов относится к классу силикатов и алюмосиликатов. Силикаты вместе с кварцем составляют около 95 % земной коры. Эти минералы слагают большинство горных пород. В табл.1. 3 представлено объемное содержание породообразующих силикатов в континентальной коре.
Таблица 1. 3
| Минерал | Содержание силикатов, % |
| Полевые шпаты Пироксены + амфиболы Кварц Слюды Оливин |
Установлено, что во всех силикатах каждый ион кремния Si4+ находится в соединении с четырьмя ионами кислорода и может быть изображен формулой [SiO4]4-. Это соединение является основной структурной единицей силикатов и называется кремнекислородный тетраэдр. Кремнекислородный тетраэдр – группировка, состоящая из четырех больших ионов кислорода (ионный радиус 0,13 нм) и одного иона кремния (ионный радиус 0,04 нм). При этом центры ионов кислорода образуют четыре вершины тетраэдра, а ион кремния занимает центр такого тетраэдра (рис. 21).
а б в
Рис.1.47. Кремнекислородный тетраэдр:
а, б, в - разные способы изображения
Кремнекислородный тетраэдр обладает четырьмя свободными валентными связями, за счет которых происходит присоединение других кремнекислородных тетраэдров и ионов других химических элементов.
В основу классификации силикатов положен способ соединения тетраэдров.
Кремнекислородные тетраэдры могут быть обособлены один от другого или соединяться посредством общих кислородных ионов через вершины тетраэдров, создавая сложные комплексно-анионные радикалы. В зависимости от способов сочленения кремнекислородных тетраэдров силикаты разделяется на следующие группы:
· островные;
· кольцевые;
· цепочечные;
· ленточные;
· листовые;
· каркасные.
Если четырехвалентный кремний в центрах тетраэдров частично замещается трехвалентным алюминием или в некоторых случаях железом, то возникает одна свободная валентность и образуются алюмосиликаты.
Островные силикаты. В структуре силикатов этой группы кремнекислородные тетраэдры не имеют общих вершин, т.е. общих ионов кислорода, и удерживаются в решетке ионами других элементов. Эти силикаты обладают большой твердостью и довольно высокой плотностью. Самым распространенным минералом этой группы является оливин (Mg,Fe)2SiO4.Существует изоморфный ряд от минерала форстерита (Mg2SiО4) до минерала фаялита (Fe2SiО4), однако чаще встречается промежуточный минерал оливин. Он характерен для ультраосновных и основных изверженных пород.
К более редким островным силикатам относятся топаз (Al2SiО4(F,ОH)2) и циркон (ZrSiО4). Последний минерал отличается крайне высокой устойчивостью к выветриванию, в результате чего в почти неизменном виде сохраняется в течение миллиардов лет; кроме того, часть циркония в нём изоморфно замещена торием и ураном, что позволяет проводить датировку цирконов изотопными методами.
В метаморфических преимущественно и реже в изверженных породах встречаются гранаты. В этой группе минералов катионная часть компенсирует совокупный заряд трёх кремнекислородных тетраэдров (но не соединённых вершинами). Общая формула граната Men3Meni2(SiО4)3.
Известно несколько разновидностей гранатов, из которых самым распространенным является альмандин Fe3Al2[SiO4]3 темно-красного или буроватого цвета; реже встречается розовато-красный пироп Mg3Al2[SiO4]3 и оранжевый, коричневый спессартин Mn3Al2(SiО4)3.
Наиболее редкими являются зеленые разновидности граната:
гроссуляр Ca3Al2[SiO4]3;
андрадит Ca3Fe2(SiО4)3 (зеленовато-жёлтый),
уваровит Ca3Cr2(SiО4)3 (изумрудно-зелёный).
Близки по строению к островным силикатам и минералы, состоящие полностью или частично из сдвоенных кремнекислородных тетраэдров. Иногда их выделяют в отдельный класс, иногда же рассматривают как подкласс островных силикатов.
Наиболее распространена в этом подклассе группа эпидота, важного компонента метаморфических пород; базовая формула эпидотов Ca2Al3(SiО4)(Si2О7)О(ОH), а отдельные минералы выделяются при изоморфном замещении алюминия железом, магнием или марганцем.
Кольцевые силикаты. Силикаты, структура которых образована из шести (значительно реже трёх или четырёх) кремнекислородных тетраэдров, соединенных в кольцо, называются кольцевыми (рис. 1.48.). Представителем силикатов с кольцом из шести тетраэдров [Si6O18] является берилл Be3Al2[Si6O18], полупрозрачный и прозрачный минерал, образующий шестигранные призматические кристаллы. Из него добывается металл бериллий.
Зеленая разновидность берилла называется изумруд.
К этой же группе относится сложный бороалюмосиликат турмалин NaFe3Al6(ОH)4(BО3)3Si6О18. Прозрачные разновидности турмалина используются как драгоценные камни. Некоторые разновидности турмалина применяются в радиотехнике.
Рис. 1.48. Структурное расположение кремнекислородных тетраэдров в кольцевом силикате
Цепочечные силикаты. У минералов этой группы кремнекислородные тетраэдры соединены в бесконечные цепочки, в формуле обозначаемые как Si2О64 (рис.1.49.).
Рис. 1.49. Структурное расположение кремнекислородных тетраэдров
в цепочечных (а) и ленточных (б) силикатах
В группу этих силикатов входят железомагнезиальные силикаты семейства пироксенов, среди которых различают моноклинные (кальцийсодержащие) и ромбические (бескальциевые).
Кальцийсодержащие пироксены образуют изоморфный ряд от геденбергита (CaFeSi2О6) до диопсида (CaMgSi2О6). Один из самых распространённых промежуточных членов этого ряда – алюмосодержащий пироксен – авгит (Ca, Na) (Mg, Fe, Al) [(Si, Al)2O6], являющийся основным компонентом таких магматических пород, как базальт и габбро (рис. 1.50., а, б). В этом минерале осуществляется как изоморфное замещение магния на железо и алюминий в катионной группе, так и замещение кремния на алюминий в тетраэдрах. Авгит имеет кристаллы зеленовато-черного цвета с восьмиугольным сечением и блестящими гранями.
Бескальциевые пироксены образуют изоморфный ряд от ферросилита Mg2[Si2O6]6 до энстатита Mg2[Si2O6]6. В этом изоморфном ряду выделяется следующие индивидуальные минералы: энстатит (содержание Fe от суммы магния и железа 0–12 %), бронзит (Fe 12 –30 %), гиперстен (Fe 30–50 %), феррогиперстен (Fe 50–70 %), эулит (Fe 70–88 %) и ферросилит (Fe 88–100 %). Ферросилит встречается в природе редко, остальные же минералы этого ряда распространены широко, входя в состав основных и ультраосновных пород.
а 
б 
Рис. 1.50. Авгит (а), кристаллы авгита (б)
Пироксены образуются в качестве первичных минералов из расплавов основного состава, весьма распространены в породах габбровой группы и в базальтах, реже встречаются в метаморфических породах, скарнах и в близких им типах пород. Их доля в составе земной коры достигает 6-8 %.
Ленточные силикаты. В ленточных силикатах бесконечные цепочки тетраэдров соединены попарно, что отражается в формуле как блок Si4On6~ (рис. 1.49., б). В некоторых пособиях они объединяются в один класс с цепочечными силикатами.
Наиболее распространенными представителями этих силикатов являются амфиболы, которые входят в состав магматических и метаморфических горных пород. Амфиболы по цвету, облику кристаллов, твердости и плотности близки к пироксенам и визуально трудно от них отличимые. Однако существуют различия в характере блеска, форме кристаллов и спайности. В отличие от пироксенов у большинства амфиболов шелковистый блеск, вытянутые столбчатые, часто игольчатые кристаллы шестиугольного сечения, более совершенная спайность, плоскости которой пересекаются под углом 124°(56°), тогда как у пироксенов этот угол близок к прямому (87о). Их химический состав непостоянен и сложен.
Большинство амфиболов относится к группе роговой обманки. К ней относится ряд важнейших породообразующих минералов, имеющих переменный химический состав.
Роговая обманка – твердый раствор, в кристаллической структуре которого в различных пропорциях могут находиться атомы разных металлов: магния, железа, алюминия, марганца, титана; атомы кальция, натрия, калия; кремний может замещаться алюминием.
Состав роговой обманки может быть выражен формулой Ca2Na(Mg, Fe)4.(Al, Fe).[(Si, Al)4O11]2 [OH]2.. Роговая обманка имеет светло-темно-зеленый и буровато-черный цвет. От авгита отличается волокнистостью и шелковистым блеском вытянутых столбчатых кристаллов. Кроме собственно роговой обманки, у амфиболов выделяется изоморфный ряд тремолита (Ca2Mg5(Si4O11)2(OH)2) - актинолита (Ca2Fe5(Si4O11)2(OH)2) и группа щелочных амфиболов (с повышенным содержанием натрия). Нетрудно заметить, что формулы актинолита и тремолита являются частными случаями формулы роговой обманки, поэтому этот изоморфный ряд многие исследователи тоже включают в группу роговой обманки.
Актинолит - лучистый амфибол светло-зеленого цвета встречается в горных породах метаморфического происхождения. Для него типична игольчатая форма кристаллов (рис. 1.51. а).
В зернистых известняках и доломите встречается тремолит (грамматит): длинные, линейковидные и лучистые агрегаты от белого до серого цвета (рис. 1.51. б).
а 
б 
Рис. 1.51. Актинолит (а), тремолит (б)
Слоистые силикаты. У слоистых силикатов кремнекислородные тетраэдры образуют бесконечные слои. Это определяет макроскопический облик минералов: они обычно имеют пластинчатое или чешуйчатое строение. Для минералов этой группы характерна весьма совершенная спайность в одном направлении и небольшая твердость.
Характерной особенностью слоистых силикатов является сочетание слоев, составленных кремнекислородными тетраэдрами с бесконечными же слоями, состоящими из октаэдров, в центре которых находится алюминий, магний или железо, а в вершинах – гидроксильные группы (рис. 1.52.).
|
Рис. 1.52. Схематическое изображение алюминиевого октаэдра
Простейшая для слоистых силикатов структура отмечается для каолинита Al4(OH)8(Si4О10) и его магнезиального аналога серпентина (змеевика) Mg6(OH)8(Si4O10)(рис. 1.53. а, б).
аб
Рис. 1.53. Схематическое строение кристаллической решётки слоистых силикатов структуры 1:1 (проекция перпендикулярна бесконечному слою):
а – каолинит; б – серпентин
На один тетраэдрический слой приходится один октаэдрический; в этом случае говорят о структуре 1:1. В случае каолинита и серпентина заряд тетраэдров полностью компенсируется зарядом октаэдров.
Изоморфного ряда серпентин и каолинит не образуют. Однако у серпентина отмечается изоморфное замещение магния железом. Серпентин образует различные формы: массивная (лизардит), листоватая (антигорит) и волокнистая (хризотил, серпентин-асбест). Кроме того, встречается серпентин с высоким содержанием никеля (гарниерит). Горная порода, состоящая из минерала серпентина Mg3(OH)4[(Si2O5)]называется серпентинитом или змеевиком – по зеленой пятнистой окраске. Волокнистая разновидность серпентина - асбест. Серпентинит возникает в результате метаморфического изменения магматических, в основном оливиновых пород. Асбест используют для изготовления огнеупорных тканей. Каолинит Al2(OH)4[(Si2O5)]формируется при химическом выветривании алюмосиликатов магматических пород на поверхности Земли. Он входит в состав многих глин. Землистые рыхлые массы каолинита называются каолином. Употребляется в строительном деле, керамическом производстве, бумажной промышленности и как огнеупорный материал.
У слоистых силикатов, содержащих в октаэдрических позициях двухвалентные катионы (Mg2+, Fe2+), все октаэдрические позиции заполнены, а у содержащих трёхвалентные катионы (Al1+, Fe1+) - только две из трёх, а каждый третий октаэдр пустой. Поэтому минералы с железисто-магнезиальным октаэдрическим слоем называют триоктаэдрическими (три из трёх октаэдров заполнены), а с алюминиевым -диоктаэдрическими (два из трёх октаэдров заполнены).
Более сложное строение имеют минералы со структурой 2:1. Такая структура характерна для пирофиллита (Al2(OH)2(Si4O10) и талька (Mg3(OH)2(Si4O110). Схематически она представлена на рис. 1.54, аб.
аб
Рис. 1.54. Схематическое строение кристаллической решётки слоистых силикатов структуры 2:1 (проекция перпендикулярна бесконечному слою):
а – пирофиллит; б – тальк
Такое же строение имеют слюды: мусковит KAl2[AlSi3O10](OH)2 и биотит K(Mg, Fe)3[Si3AlO10](OH, P)2.Слюды отличаются от пирофиллита и талька тем, что в их тетраэдрах часть четырёхвалентного кремния замещена на трёхвалентный алюминий. В результате на слое образуется отрицательный заряд, который компенсируется калием, закреплённым между слоями слюды. Поскольку калий имеет высокую поляризующую способность, слои слюды скреплены достаточно прочно.
Тальк – магнезиальный листовой силикат (рис. 1.54, а). Плотная разновидность талька называется жировиком, а горная порода, состоящая из талька, – горшечным камнем или талькитом. Образуется этот минерал в верхних частях земной коры в результате действия воды и углекислоты на ультраосновные и основные породы, богатые магнием (перидотиты, амфиболиты и др.). Тальк применяется в бумажной, резиновой, парфюмерной, фармацевтической, кожевенной и фарфоровой промышленности.
Слюды – листовые алюмосиликаты, входящие в состав многих магматических и метаморфических пород. Общее количество слюд в породах земной коры ≈ 4. Мусковит и биотит относятся к важнейшим породообразующим минералам. Мусковит KAl2[AlSi3O10](OH)2 – бесцветная или слабо окрашенная желтоватая, зеленоватая прозрачная калиевая слюда. Применяется как изоляционный материал, а его порошок (скрап) служит для изготовления огнестойких строительных материалов, бумаг, красок, автомобильных шин.
Биотит K(Mg, Fe)3[Si3AlO10](OH, P)2 – магнезиально-железистая слюда зеленовато или коричнево-черного цвета.
Бурая магнезиальная слюда, похожая на биотит, но не ломкая, называется флогопитом. Она широко используется в электротехнике.
Также к слоистым силикатам со структурой 2:1 относятся минералы группы гидрослюд (сходны со слюдами, но калий замещён на ион Н3О+), вермикулитов(Mg+2, Fe+2, Fe+3)3 [(AlSi)4O10]·(OH)2·4H2O(рис. 49, б) и смектитов ((Mg3,Al2)(Si4O10)(OH)2. n H2O).Отличие минералов этих групп от слюд заключается в том, что у них кремний в меньшей степени замещён на алюминий в тетраэдрических позициях, и заряд на слое также меньше: уменьшение заряда на слое идёт в ряду слюды-гидрослюды-вермикулиты-смектиты. Уже гидрослюды не способны удерживать калий между слоями и гораздо менее прочны, чем слюды. У вермикулитов связь между слоями ещё более ослабевает, и межплоскостное расстояние равно не 1,0 нм, как у слюд и гидрослюд, а 1,4 нм. При нагревании вермикулиты сжимаются до 1,0 нм. В смектитах связь между слоями ещё слабее: при нагревании они сжимаются с 1,4 до 1,0 нм, а при насыщении водой или внедрении органических молекул межплоскостное расстояние увеличивается до 1,8 нм.
а
б
Рис. 1.55. Тальк (а), вермикулит (б)
Каждая из перечисленных групп включает множество индивидуальных минералов благодаря значительному изоморфному замещению в октаэдрических позициях. Например, в группе смектитов выделяется монтмориллонит (содержащий преимущественно алюминий и магний), бейделлит (содержащий преимущественно алюминий), нонтронит (содержащий Fe3+) и др.
Распространенной группой минералов экзогенного и метаморфического происхождения являются хлориты (рис. 1.56.). Они имеют структуру 2:2, то есть в них присутствует дополнительный слой октаэдров.
Рис. 1.56. Хлорит
Хлориты - водные алюмосиликаты магния и железа. Название этим минералам дано по своеобразному зеленому цвету ("хлорос" – зеленый). Минералы данной группы представляют собой изоморфный ряд соединений состава Mg5(OH)8[Si4O10] и Mg4Al2(OH)8[Al2Si2O10],в которых Мg2+ и Al3+ могут замещаться соответотвенно Fe2+ и Fe3+. Благодаря сильно развитому изоморфному замещению в тетраэдрах и октаэдрах эта группа крайне разнообразна по химическому составу: в ней выделяется около двух десятков индивидуальных минералов.Хлориты развиты в основном в метаморфических породах, в которых они формируются за счет магнезиально-железистых силикатов. Некоторые из хлоритов содержат до 36 % железа и используются как железные руды (шамозит).
Глауконит K(Fe3+, Al, Fe2+, Mg)2-3(OH)2[AlSi3O10] n H2Oотносится к группе гидрослюд. Химический состав глауконита очень изменчивый. Он образуется в неглубоких морских бассейнах и широко распространен в песках, глинах, опоках, известняках и других осадочных породах, где встречается в виде скрытокристаллических зернышек округлой формы. Используется как калийное удобрение в сельском хозяйстве и для смягчения жесткости воды.
К слоистым силикатам относят обычно и аморфные минералы аллофан, иимоголит, имеющие условную формулу m А12О3 n SiO2.pH2О и непостоянный состав. Аллофан имеет форму крохотных (размером около 5 нм) шариков, а имоголит - волокон длиной до 100 нм. Строго говоря, эти минералы должны выделяться в отдельный класс, поскольку не имеют кристаллической структуры, как слоистые силикаты, однако близки к ним по химическому составу и некоторым структурным особенностям. Аллофан полностью аморфный, а имоголит имеет зачатки структуры, напоминающей структуру каолинита. Впервые они были обнаружены как продукт изменения вулканических пеплов. Слоистые силикаты практически всегда присутствуют в значительных количествах в почвах и во многом определяют их химические свойства.
Каркасные силикаты. Минералы этого подкласса являются самыми распространёнными, составляя 65 % от массы земной коры. В их кристаллической решетке кремнекислородные тетраэдры соединены в единый каркас. Структурная ячейка каркасных силикатов имеет формулу Si4О8. Эта формула соответствует и кварцу; именно поэтому его иногда причисляют к каркасным силикатам. Заряд такой элементарной ячейки равен нулю, однако во всех каркасных силикатах часть кремния замещена на алюминий, благодаря чему образуется заряд, компенсируемый другими катионами. Главными представителями этой группы являются полевые шпаты. Для них характерны довольно высокая твердость (5-6), светлая окраска и плотность 2,5-2,7 г/см3. Полевые шпаты подразделяют на группу кальциево-натриевых полевых шпатов, или плагиоклазов, и на группу калий-натриевых, или просто калиевых КПШ - (щелочные полевые шпаты).
Плагиоклазы представляют из себя изоморфный ряд от чисто натриевой разности - альбита Na[AlS3O8]до чисто кальциевой анортита Ca[Al2Si2O8].В изоморфном ряду выделяется шесть минералов по относительному содержанию альбитовой и анортитовой составляющих. Минерал, содержащий от 0 до 10 % анортита, называется альбит, от 10 до 30 % - олигоклаз, от 30 до 50 % – андезин, от 50 до 70 % - лабрадор, от 70 до 90 % - битовнит, а от 90 до 100 % - анортит. Так как натриевые разности содержат кремния больше, чем кальциевые то, по аналогии с горными породами, альбит и олигоклаз называют кислыми плагиоклазами, андезин илабрадор - средними, а битовнит и анортит - основными. По внешнему виду все разновидности плагиоклазов очень сходны друг с другом за исключением лабрадора, для которого характерна иризация (синие и зеленые переливы на плоскостях спайности). От калиевых полевых шпатов плагиоклазы отличаются белой, голубоватой или зеленовато-серой окраской, тонкой параллельной штриховкой на плоскостях спайности; последние образуют угол 67° (отсюда название: греч. "плагиоклаз" – косоколющийся).
Калиевые полевые шпаты имеют более постоянный химический состав. В них возможно только некоторое замещение калия на натрий. Калиевые полевые шпаты, имеющие формулу K(AlSi3О8), в зависимости от незначительных колебаний в строении кристаллической решетки, называются микроклин или ортоклаз. Эти минералы имеют желтовато-розовую и мясо-красную окраску. Ортоклаз образует прямоугольные сколы по спайности в двух направлениях. С этим свойством связано и название минерала - от греческого "ортоклаз" – прямоколющийся. Калиевый полевой шпат, имеющий формулу (Na,K)(AlSi3О8) называется анортоклазом.
Помимо полевых шпатов к подклассу каркасных силикатов относят группу фельдшпатоидов (т. е. похожих на полевые шпаты). Фельдшпатоиды по химическому составу сходны с полевыми шпатами, но беднее их кремнекислотой. Они как бы замещают полевые шпаты в некоторых магматических породах, бедных кремнекислотой, но богатых щелочами, и поэтому играют существенную роль в составе щелочных пород. Альбиту (натриевому полевому шпату) соответствует фельдшпатоид нефелин KNa3[AlSiO4] по характерному жирному блеску называемый также элеолитом (масляным камнем). Он входит в состав бескварцевых щелочных магматических пород - нефелиновых сиенитов - и применяется в стекольной, керамической и химической промышленностях, а также для производства алюминия.
Преимущественно калиевый фельдшпатоид называется лейцитом[AlSi2O6] или К2O.Al2O3.4SiO2. Название происходит от греческого слова "лейкос" -светлый. Лейцит - породообразующий минерал в некоторых богатых щелочами и относительно бедных кремнеземом эффузивных породах (лейцитовых базальтах, фонолитах, трахитах и др.). Каркасные силикаты используют преимущественно как строительные материалы, сырьё для изготовления эмалей и керамики; некоторые полевые шпаты используются как поделочные и декоративные камни. На рис. 1.57. представлены наиболее распространенные каркасные силикаты.
а 
б 
в 
г 
Рис. 1.57. Альбит (а), лабрадор (б), ортоклаз (в), нефелин (г)
Дата добавления: 2015-09-12; просмотров: 94 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |