Курс лекций по инженерной геологии (стр. 3 )

Еще более гипотетичны представления о составе ядра Земли. Учитывая высокую плотность (9,4—11,5 г/см3) и невозможность распространения поперечных сейсмических волн, ученые предполагают, что периферия ядра находится в состоянии расплава и состоит из оксидов или сульфидов железа с примесью кремния, углерода и некоторых других элементов. По причине еще большей плотности центральной части ядра можно ожидать, что она близка к составу железных метеоритов и состоит из никелистого железа. В таблице 1 сопоставлены химический состав земной коры, метеоритов и условно рассчитанный средний состав Земли в целом.

Образование Земли и ее возраст. Земля, как и другие планеты, возникла из солнечного вещества. документальными свидетелями допланетной стадии развития вещества и ранних этапов существования Земли служат соотношения изотопов и радиоактивность химических элементов, из которых состоят Земля и метеориты. На основании данных астрофизики и космохимии можно предполагать, что задолго до формирования планет Солнечной системы их вещество прошло звездную стадию, включавшую синтез ядер атомов в недрах звезд, одна из которых была предком Солнечной системы. В результате Большого Взрыва этой звезды в плоскости ее экватора образовалась дисководная протопланетная туманность.

Исходным материалом для образования планет был так называемый звездный газ — разобщенные ионизированные атомы. По мере охлаждения в соответствии с температурными условиями из него возникали твердые частицы и происходила их консолидация. древнейшими твердыми телами Солнечной системы являются метеориты. Их возраст по данным ядерной геохронологии составляет 4,5— 4,7 млрд лет. Абсолютный возраст вещества Луны — 4,7 млрд лет. Земля как планета имеет близкий к этим данным возраст.

С момента становления планеты начался процесс образования горных пород, слагающих земную кору. Абсолютный возраст наиболее древних горных пород следующий: граниты Кольского полуострова — 3,1 млрд лет; гнейсы Украины — 3,5; граниты Африки — 3,5; амфиболиты Гренландии — 3,75; чарнокиты Антарктиды — 3,9 млрд лет. Таким образом, становление планеты Земля совершилось на протяжении примерно 0,5 млрд лет. Около 3,9—4,0 млрд лет назад происходит образование первых горных пород и, следовательно, начинается геологическая история Земли.

Лекция 2. Минералы. Диагностические свойства и морфология минералов

Минералы – это природные химические соединения, состоящие из атомов нескольких или, реже одного химического элемента. Они образуются в результате различных физико-химических процессов, протекающих в земной коре или на ее поверхности. В настоящее время известно около 2000 минералов, а число их разновидностей доходит до 4000 (разновидности имеют свои названия и отличаются от основного минерала состоянием вещества или некоторыми физическими свойствами).

Минералы могут быть твердыми, жидкими (вода) и газообразными (сероводород, метан). Подавляющее большинство известных твердых минералов в земной коре находится в кристаллическом состоянии и лишь незначительная их часть — в аморфном. Различие между кристаллическим и аморфным состояниями заключается в том, что в первом случае ионы располагаются в строго определенном для данного вещества порядке, образуя структурную решетку, во втором — закономерность в распределении частиц отсутствует. Различие во внутреннем строении кристаллических и аморфных тел сказывается и в различии их физических свойств (теплопроводности, электропроводности, магнитности, спайности, твердости и т. п.). У кристаллических они постоянны в любых параллельных направлениях и могут меняться в непараллельных, что вполне объяснимо с точки зрения строения решетки; у аморфных физические свойства развиваются во всех направлениях одинаково, поэтому такие тела носят название изотропных, т. е. равносвойственных, в отличие от кристаллических тел, которые разносвойственны, или анизотропны.

Минералы, находящиеся в кристаллическом состоянии, в природе чаще всего встречаются в виде агрегатов (скоплений зерен) неправильной формы и значительно реже в виде правильных многогранников-кристаллов. Хорошо выраженные кристаллы образуются только в трещинах и других пустотах горных пород, где они свободно могут расти. Отдельные кристаллы могут достигать очень больших размеров. Например, на Калынском месторождении драгоценных камней (близ Житомира) в 1966 г. найден кристалл топаза весом 117 кг.

Образование правильных многогранников обусловлено способностью кристаллического вещества самоограняться. Одни кристаллы имеют форму трех-, четырех-, шестигранных призм или пирамид, другие — куба, третьи — октаэдра (с греч. восьмигранник), четвертые — додекаэдра (двенадцатигранник) и т. п. Кристалл ограничен плоскостями, называемыми гранями; линии, образующиеся от пересечения граней, называются ребрами; точки пересечения ребер называются вершинами кристалла. У куба, например, 6 граней, 12 ребер и 8 вершин.

Способность одного и того же химического элемента или соединения при изменении внешних факторов (главным образом давления и температуры) кристаллизоваться в различные кристаллографические формы с изменением физических свойств называется полиморфизмом (например, углерод встречается в виде алмаза и графита).

Если вещества имеют однотипный химический состав и близкие размеры составляющих их ионов, то эти вещества могут образовывать смешанные кристаллические структуры. Это явление носит название изоморфизма, а такие вещества называются изоморфными по отношению друг к другу.

Форма кристалла не всегда хорошо выражена и не всегда при рассмотрении минералов макроскопически распознается. В таком случае приходится при определении минералов обращаться к другим методам определения.

Минералы определяют на основании изучения химического состава и физических свойств с помощью микроскопического, рентгеновского, спектрального, термического и других методов точного минералогического исследования. Для успешного проведения полевых геологических работ достаточно определить главнейшие минералы макроскопически по комплексу физических свойств, присущих каждому минералу.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ

Основными физическими свойствами минералов являются:

форма нахождения их в природе, цвет минерала в куске и порошке, блеск, твердость, спайность (излом), прозрачность, удельный вес, а для ряда минералов и другие ярко выраженные, характерные часто только для них свойства. Для серы, например, способность гореть голубоватым пламенем, для кремния — появление искры при ударе о другой кусок или о напильник, для магнетита — способность притягивать тонкую иглу или отклонять стрелку компаса, для фосфорита — издавать при ударе одного обломка о другой запах жжёной кости, для исландского шпата — двойное лучепреломление, для галита — соленый вкус и т. п.

1. Форма (морфология) минерала зависит от его внутреннего строения и условий образования. Свободно растущий анизотропный минерал имеет обычно ярко выраженную кристаллическую форму. Однако изменения в условиях образования минералов приводят иногда к самому необычному для данного минерала внешнему виду. Чаще минералы встречаются в виде кристаллических агрегатов и сростков.

Кристаллические агрегаты — скопление минеральных зерен различной формы, зависящей от внутреннего строения минерала и формы пространства, в котором происходила кристаллизация минерала. Кристаллическими агрегатами сложены все горные породы.

По величине зерен их делят на

крупнозернистые (размер зерен свыше 5 мм в поперечнике), среднезернистые (от 2 до 5мм), мелкозернистые (менее 2 мм), землистые (менее 0,5 мм).

Кристаллические агрегаты образуются при одновременном зарождении массы кристаллов. При своем росте они заполняют все имеющееся пространство, и потому форма их, свойственная данному минеральному веществу, не всегда в кристаллических агрегатах хорошо выражена. Среди кристаллических агрегатов различают:

зернистые, имеющие изометричную форму зерен (пирит, магнетит, галенит, каменная соль), шестоватые вытянутой формы (роговая обманка), волокнистые (асбест), пластинчатые (гипс), чешуйчатые (графит), столбчатые (селенит).

Минералы в природе встречаются и в других агрегатных состояниях: в виде друз, конкреций, секреций или в виде натечных форм.

Друзами (щетками) называют незакономерные сростки отдельных кристаллов, прикрепленных одним концом к какой-либо поверхности (кварц, флюорит).

Конкреции — шаровидные стяжения с радиально-лучистым или со скорлуповатым сложением. В центре конкреций часто находятся органические остатки, вокруг которых концентрировалось минеральное вещество; рост кристаллов в конкрециях направлен от центра к периферии. Образуются конкреции среди осадочных пород, например среди глин, песков (чаще в момент их накопления). В виде конкреций встречаются фосфориты, халькопирит. Разновидностью конкреций являются оолиты — минеральные скопления в виде горошин концентрически-скорлуповатого или радиально-лучистого строения, образующихся при оседании минерального вещества (лимонит, боксит) вокруг каких-либо мелких частиц.

Секреции образуются при заполнении минеральным веществом пустот в горных породах. В отличие от конкреций отложение вещества идет от периферии к центру. Секреции до 10 мм в поперечнике называются миндалинами, более крупные — жеодами (кварц, кальцит).

Натечные формы возникают при медленном обволакивании минеральным веществом каких-либо поверхностей. Главная роль принадлежит коллоидным растворам. При этом образуются характерные почковидные, гроздевидные агрегаты или формы в виде сосулек — сталактитов и сталагмитов (в пещерах). Кроме указанных форм, минералы образуют налеты, выцветы, корочки на поверхности каких-либо обломков пород, в месте выхода подземных вод на поверхность. При кристаллизации минерального вещества в мельчайших трещинах образуются дендриты— тончайшие древовидные ветвистые формы кристаллов.

Иногда минералы образуют кристаллические формы, не свойственные им. Это происходит в случае заполнения пустоты в породе, возникшей при растворении другого минерала или при разложении органического остатка. Такое явление называется псевдоморфизмом. Например, Кубические кристаллы гипса представляют псевдоморфозу по каменной соли, кубы лимонита — псевдоморфозу по пириту и т. п.