Краткое содержание лекций по курсу «Минералогия и геохимия»

Вид материала

Краткое содержание

Содержание Систематика минералов. Класс самородные элементы Класс сульфиды, сульфосоли и их аналоги. Класс оксиды Класс карбонаты Фосфаты, арсенаты, ванадаты Класс галоидные соединения Класс сульфаты Класс вольфраматы, молибдаты Класс силикаты Геологические процессы минералообразования Собственно магматический процесс Пегматитовый процесс Скарновые месторождения Гидротермальный процесс. Метаморфогенные месторождения Месторождения зон выветривания и окисления Седиментационные месторождения Диагенетическое минералообразование.

Подобный материал:

• Краткое содержание лекции по курсу «Минералогия и петрология», 494.31kb.
• «Минералогия и геохимия ландшафта горнорудных территорий», 62.86kb.
• Наименование и краткое содержание лекций № Тема лекций. Краткое содержание. Количество, 67.09kb.
• Наименование и краткое содержание лекций в соответствии с Рабочей программой Тема лекций,, 195.58kb.
• Наименование и краткое содержание лекций (5 семестр) № Тема лекций. Краткое содержание., 135.39kb.
• Краткое содержание лекций по курсу «Методы социально-психологического исследования», 139.43kb.
• Наименование и краткое содержание лекций № лек. Тема лекции, краткое содержание Количество, 72.86kb.
• Краткое содержание лекций по курсу «Основы бизнеса и маркетинг» Юликов Л. И. Бизнес, 321.79kb.
• Текст лекций «Мировой и российский мембранный рынок». Содержание Раздел Введение. Рынок, 1644.63kb.
• Краткое содержание информационного сайта муниципального образования, 693.73kb.

ОПД.07 МИНЕРАЛОГИЯ И ГЕОХИМИЯ часть i Минералогия


Краткое содержание лекций по курсу «Минералогия и геохимия», часть I «Минералогия» для студентов направления 280400 «Природообустройство» (ГИГЭ).

Минералогия – наука о минералах.

Минералом называется – однородное природное химическое соединение, образовавшееся в результате различных геологических процессов. Кристаллография – наука о кристаллах. Она изучает форму, внутреннее строение, происхождение и свойства кристаллических тел.

Кристаллография изучает твердые вещества. По особенностям внутреннего строения, среди твердых веществ выделяют: аморфные и кристаллические вещества. Кристаллы возникают при переходе вещества из любого агрегатного состояния в твёрдое. При этом частицы могут оказаться относительно друг друга в беспорядочном положении или может возникнуть закономерность их расположения. В первом случае мы будем иметь аморфное вещество, а во втором кристаллическое. Отличительным свойством аморфных тел является свойство изотропности. Изотропность – одинаковые свойства вещества (твердость, цвет и др.) в различных направлениях. К таким минералам относиться, например, опал. Кристаллическими телами называются все твердые тела с закономерным распределением составляющих его атомов или ионов в виде пространственной (кристаллической) решетки, независимо от того, обладает данное тело кристаллическими гранями или нет. Пространственная решетка – совокупность материальных частиц, распложенных в соответствующих точках бесконечного множества параллелепипедов, которые нацело выполняют пространство, будучи равными, параллельно ориентированными и смежными по целым граням. Узлы - материальные частицы, расположенные в определенных точках пространственной решетки, которые в реальных структурах кристаллов занимают отдельные атомы или ионы или группы атомов. Ряды – совокупность узлов, расположенных вдоль прямой и повторяющихся через равные промежутки. Плоская сетка – совокупность узлов, расположенных в одной плоскости и находящихся в вершинах равных параллелограммов. Элементарная ячейка – элементарный параллелепипед, закономерная повторяемость которого образует пространственную решетку. Элементарная ячейка характеризуется углами (α, β, γ) между направлениями и отрезками (промежутками ряда) (a, b, c). Значения углов и отрезков определяет конфигурацию элементарной ячейки или тип пространственной решетки. Закономерное внутреннее строение кристаллов обусловлено тремя важнейшими свойствами кристаллов: анизотропностью, способностью самоограняться, симметрией. Анизотропными (неравносвойственными) - называются такие вещества которые имеют одинаковые свойства в параллельных направлениях и неодинаковые - в не параллельных. Например: дистен, слюда. Способность самоограняться заключается в том, что при благоприятных условиях роста кристалл образует форму правильного многогранника. Симметрией называется закономерная повторяемость в расположении предметов или их частей на плоскости или в пространстве. Все кристаллы являются телами симметричными. К элементам симметрии кристалла относятся: центр симметрии, ось симметрии, плоскость симметрии. Центр симметрии C – это точка внутри фигуры, характеризующаяся тем, что любая проведенная через нее прямая по обе стороны от нее и на равных расстояниях встречает одинаковые точки фигуры. Ось симметрии L – воображаемая прямая линия, при повороте вокруг которой всегда на один и тот же угол происходит совмещение равных частей фигуры. Плоскость симметрии P – воображаемая плоскость, которая делит фигуру на две зеркально-равные части.

Сингония – это совокупность классов симметрии, обладающих одним или несколькими одинаковыми элементами симметрии и имеющих одинаковый тип кристаллографических осей. В кристаллографии выделяют семь сингоний: кубическая, гексагональная, тетрагональная, тригональная, ромбическая, моноклинная, триклинная. Формы кристаллов. Простой формой называется кристалл, который состоит из одинаковых по величине и очертанию граней, имеющих симметричное расположение. Сложной формой (или комбинацией простых форм) называется кристалл, который состоит из граней, различающихся по величине или очертанию. В кристаллографии известно 47 простых форм. Среди них 15 – принадлежат наиболее высокосимметричной кубической сингонии, 25 – тетрагональной, гексагональной и тригональной сингониям, 7 – объединяют наиболее низкосимметричные: ромбическую, моноклинную, триклинную сингонии. В основу названия простых форм положено несколько признаков: число граней, очертание граней, сечение формы.

Химический состав минералов. Минерал – однородное природное химическое соединение, образовавшееся в результате различных физико-химических процессов, состав которого выражается химической формулой. Формулы могут быть эмпирические - отражают только химический состав и структурные - отражают особенности строения кристаллической решетки. Химический состав минералов принято представлять структурной формулой, в которой выделяется катионные и анионные комплексы. По химическому составу все минералы подразделяются на две группы: минералы постоянного состава, в эту группу входят минералы, состав которых остается всегда постоянным и минералы переменного состава рассматриваются как изоморфные смеси двух, трех и более компонентов. Состав таких соединений может колебаться то в узких, то в более широких пределах. Изоморфизм – свойство атомов одного химического элемента замещать в узлах кристаллической решетки атомы другого химического элемента с образованием гомогенного (однородного) смешанного кристалла переменного состава. Типы изоморфизма: совершенный, несовершенный, изовалентный, гетеровалентный. Вхождение изоморфных примесей в минерал происходит без существенного изменения кристаллической решетки этого минерал, т.к. перестройка структуры привела бы к образованию нового минерала со своей пространственной решеткой. На явления изоморфизма влияют: химическая обстановка, температура процессов минералообразования, давление, кристаллизационные явления, химическая обстановка. Полиморфизм - одинаковые по химическому составу вещества образуют различные кристаллические структуры. По содержанию воды в химическом составе выделяются минералы: безводные и водосодержащие. Связанная вода - входит в состав кристаллической решетки минерала (кристаллизационная и конституционная, свободная вода – не принимает прямого участия в кристаллической решетке минерала (цеолитная, коллоидная и гигроскопическая). Физические свойства минералов объединяются в три группы: оптические (прозрачность, цвет, черта, блеск), механические (твердость, спайность, излом, отдельность, хрупкость, ковкость, гибкость, упругость), прочие (удельный вес, магнитность, радиоактивность, растворимость в воде и в кислотах, запах, горючесть, люминесценция, электрические свойства). Морфологические особенности минералов. Морфология – это форма проявления минералов в природе (зернистые, друзы, дендриты, секреции, конкреции, оолиты, налеты и примазки, выцветы, землистые и порошковатые, псевдоморфозы, натечные формы). Морфолгия кристаллов минералов. Облик кристаллов (габитус) - внешний вид кристалла, определяемый преобладающим развитием тех или иных простых форм.

Систематика минералов. В настоящее время принята кристаллохимическая классификация, которая базируется на особенностях химического состава и строения кристаллической решетки минерала.

Класс самородные элементы. В самородном состоянии в земной коре устанавливается свыше 30 химических элементов. Общее весовое значение самородных элементов в земной коре очень невелико и составляет около 0,02 % всей массы. Все минералы класса самородных элементов объединяются в три подкласса: металлы, полуметаллы, неметаллы. Подкласс металлы. Все самородные металлы (Au, Ag, Cu, Pt, Pd, Ir, Fe) обладают наилучшей электропроводностью и теплопроводностью, металлическим блеском, блестящей чертой, цвет которой соответствует окраске минерала, обычно невысокой твердостью, ковкостью и несовершенной спайностью. Из всех известных минералов самородные металлы обладают наибольшим удельным весом, особенно минералы элементов платиновой группы. Самородные металлы обладают высокой симметрией и кристаллизуются в кубической сингонии. Подкласс полуметаллы (As, Bi, Sb). Встречаются в природе редко и не образуют смешанных кристаллов. Имеют металлический блеск, слабую ковкость, серую черту и совершенную спайность. Подкласс неметаллы (сера, графит, алмаз) по кристаллическим структурам и связанными с ними свойствами совершенно не похожи на типичные металлы. Кристаллизуются в различных сингониях.

Класс сульфиды, сульфосоли и их аналоги. К рассматриваемому классу относятся: сернистые, селенистые, теллуристые, мышьяковистые, сурьмянистые, висмутистые соединения металлов. Наибольшее число минералов представлено сернистыми соединениями. Из них типичные соединения с серой образуют: Fe, Zn, Pb, Ag, Cu, Sb, Bi, Ni, Co, Mo, Hg. Общее весовое количество сернистых соединений составляет около 0,15% к весу земной коры. Однако именно к ним принадлежит значительное количество важных в промышленном отношении минералов, играющих существенную роль в составе многочисленных месторождений металлических полезных ископаемых. Подавляющая масса скоплений сернистых соединений наблюдается в рудных месторождениях гидротермального происхождения, также они образуются в восстановительных условиях при наличии сероводорода, возникающего при разложении органических веществ без доступа кислорода (пирит). По особенностям физических свойств, среди сульфидов и их аналогов выделяют: блески, колчеданы, обманки.

Класс оксиды и гидрооксиды включает в себя соединения, в которых атомы или катионы одного или нескольких металлов находятся в соединении с кислородом или гидрооксилом. В простейшие соединения с кислородом вступают около 40 химических элементов. Наибольшее распространение имеют оксиды Si, Fe, Al, Mn, Ti и Cr. Общее весовое количество окислов в литосфере составляет около 17%.

Из них наиболее распространенными являются оксиды кремнезема (SiO₂), которые составляют 12,6 % от всех кислородных соединений литосферы и оксиды, гидроксиды Fe 3,9 %. Подавляющая часть оксидов характеризуется кристаллическим структурами, для которых характерна ионная связь.

Это отражается в физических свойствах: высокая твердость (кварц - 7, корунд - 9), химическая стойкость, тугоплавкость. Минералы, в которых присутствуют Mg, Al, как правило, бесцветны или имеют аллохроматическую окраску. Интенсивно окрашенные минералы (темные, бурые) имеют в своем составе Fe, Mg, Cr, полуметаллический блеск и повышенные магнитные свойства. Минералы гр. окислов объединяются в следующие группы: гр. оксидов меди гр. корунда, гр. шпинели, гр. окислов марганца, гр. окислов сурьмы, гр. рутила, гр. радиоактивных минералов, гр. кварца.

Класс карбонаты. Основным анионным комплексом этих минералов является (CO₃)^2-. Этот анион способен давать более или менее устойчивые соединения с катионами двухвалентных металлов: Mg, Fe, Zn, Mn, Ca, Sr, Pb, Ba, а также Cu, Zn с дополнительными анионами (OH)^-. Некоторые карбонатные минералы слагают крупные толщи осадочно-морского происхождения или толщи среди метаморфизованных осадочных толщ. Часто карбонаты представляют интерес как спутники ряда рудных месторождений, а иногда сами представляют промышленный интерес как источники важных металлов. Из особенностей физических свойств карбонатов можно отметить следующие. Твердость обычно невысока: 3-5. Растворимость карбонатов в воде повышенная. Совершенная спайность по ромбоэдру. Среди минералов этого класса различают: безводные карбонаты – группа кальцита; водные карбонаты – группа малахита.

Фосфаты, арсенаты, ванадаты. Этот класс минералов представляет собой соли фосфорной, мышьяковой и ванадиевой кислот. Кристаллическая структура этих минералов характеризуется, соответственно, присутствием трехвалентных анионных комплексов [PO₄]^3-, [AsO₄]^3-, [VO₄]^3-. Общее весовое количество их в земной коре относительно не велико. Генезис особенно водных соединений этого класса, преимущественно, экзогенный (в зоне окисления рудных месторождений и осадочных отложениях).

Класс галоидные соединения. К галоидам относятся минералы, в которых единственным или главным анионом является один из галогенных элементов - F, Cl, Br, I. F и Cl присутствуют в земной коре значительно в больших количествах, чем Br и I. С минералогической точки зрения это отражается в том, что, несмотря на значительную концентрацию Br и I в водах океана, минералы, содержащие эти элементы встречаются редко. Фтор встречается почти исключительно в минералах изверженных пород, пегматитах, гидротермальных жилах и в метасоматических породах. Большая часть хлора растворена в морской воде или же входит в состав твердых отложений растворимых солей, образовавшиеся при испарении морской воды в различные геологические периоды и редко присутствует в минералах магматического или метаморфического происхождения.

Класс сульфаты. К сульфатам относятся водные и безводные соединения металлов с анионной группой [SO₄]². Образование подобных соединениях может происходить только в условиях при повышенных концентрациях кислорода в окружающей среде и при относительно низких температурах. Такие условия в земной коре, как известно, создаются вблизи земной поверхности, где и встречаются большинство этих минералов как эндогенного, так и экзогенного происхождения. Наиболее устойчивыми являются сульфаты двухвалентных металлов Ba, Sr, Pb. Катионы с меньшими ионными радиусами входят в состав сульфатов в гидротированном виде. Сульфаты трехвалентных металлов Al, Fe встречаются только в виде водных соединений (мелантерит, калиевые, натриевые квасцы). Общие диагностические свойства: невысокая твердость – не выше 3, совершенная спайность, белая черта, блеск – стеклянный.

Класс вольфраматы, молибдаты. Этот класс содержит небольшое количество минеральных видов, но включает важнейшие руды на вольфрам. По составу минералы отвечают солям вольфрамовой и молибденовой кислот. Гр. Вольфрамита: минералы группы вольфрамита образуют непрерывный изоморфный ряд между ферберитом FeWO₄ и гюбнеритом MnWO₄. Почти все природные образцы имеют промежуточный состав и наиболее широко распространен вольфрамит (Fe,Mn)WO₄, содержащий 20-80 % Fe или Mn. Используются как руды на вольфрам.

Класс силикаты. К силикатам относиться примерно треть всех минералов, и, хотя многие их них являются редкими, они слагают большую часть земной коры, состоящей примерно на 75 % из силикатных минералов, из которых 40-45 % приходится на полевые шпаты.

Преобладание силикатов и алюмосиликатов отражает распространенность O, Si, Al – наиболее распространенных элементов земной коры. Многие силикаты являются важнейшими породообразующими минералами магматических, гидротермально измененных, метасоматически преобразованных и осадочных горных пород. Большую роль они играют в минеральных составах почти всех месторождений полезных ископаемых и как минералы-спутники и как носители редких ценных металлов (Ni, Zn, Be, Li, Rb, Tr и др.). Известны неметаллические полезные ископаемые представленные силикатами (глины, полевые шпаты и др.) Ряд силикатов используются как драгоценные и поделочные камни (нефрит, изумруд, топаз). Современные представления о конституции силикатов основываются на исследованиях У. и В. Брегги, Л. Полинга, Н.В. Белова, Ф.Либау, Д.Ю. Пущаровского и др. Рентгеноструктурные исследования выявили следующие общие черты строения силикатов: почти во всех силикатных структурах атомы кремния находятся в окружении четырех атомов кислорода. Химические связи между О и Si настолько сильны, что при любой конфигурации структуры, четыре атома кислорода всегда находятся в вершинах тетраэдра, имеющего почти постоянные размеры и правильную форму. Кремнекислородные тетраэдры существуют как самостоятельные группы или сочленяются вершинами тетраэдров (через атомы кислорода). Именно на типах сочленения кремнекислородных тетраэдров построена классификация силикатов. Среди силикатов выделяют следующие:

- Комплексный анионный радикал представлен изолированными тетраэдрами SiO₄, удерживается в структуре с помощью катионов других металлов. Эти силикаты можно рассматривать как соли ортокремниевой кислоты H₄SiO₄.

- Комплексный анионный радикал представлен изолированными группами [Si₂O₇]⁶, состоящими из двух связанных друг с другом кремнекислородных тетраэдров SiO₄ с одной общей вершиной. Такие анионы соединяются в структуре с помощью катионов.

- Комплексный анион состоит из 3-х, 4-х, 6-ти кремнекислородных тетраэдра, связанных друг с другом через две общие вершины в замкнутые плоские изолированные кольца. Комплексные анионы в этих случаях представлены соответственно: [Si₃O₉]^6- , [Si₄O₁₂]^8- ,[Si₆O₁₈]¹².

- Комплексные анионы представлены одномерными непрерывными цепочками связанных друг с другом кремнекислородных тетраэдров. В каждом кремнекислородном тетраэдре два иона O^- целиком принадлежат иону Si, а два остальных, как бы, делятся пополам между соседними тетраэдрами, на каждый ион Si приходится три иона O^-. Такое строение характерно для группы пироксенов с общей формулой R²⁺[SiO₃]. Между линейно вытянутыми радикалами располагаются катионы металлов.

- Комплексные анионные радикалы представлены непрерывными сдвоенными цепочками (лентами) связанных друг с другом кремнекислородных тетраэдров. Такие ленточные сочленения кремнекислородных тетраэдров характерны для группы амфиболов с анионным комплексом [Si₄O₁₁]^6-. Также в кремнекислородных тетраэдрах таких соединений ион Si иногда частично заменяется Al, находящемся также в окружении четырех ионов O^-.

- Комплексные анионы представлены двухмерными слоями кремнекислородных тетраэдров. Строение таких слоистых радикалов характеризуется тем, что тетраэдры соединяются друг с другом уже тремя общими вершинами и образуют плоский слой непрерывной протяженности. Химическая формула такого анионного комплекса в пределах гексогона выражается как [Si₂O₅]². Часть ионов может быть заменена Al. Каждый слой с помощью листа ионов O^- через катионы металлов определенным образом связан с другими аналогичными по строению слоями.

- Комплексные анионы образованы непрерывными трехмерными каркасами кремнекислородных тетраэдров, у которых каждый ион O- принадлежит одновременно двум тетраэдрам. Химическая формула комплексных анионов каркасного строения в общем виде можно выразить так: [(Si_n-xAl_x)O_2n]^x-. Катионы Na, Ca, K и др., компенсирующие остаточную отрицательную валентность анионных каркасов располагаются внутри каркасов, в соответствующих полостях структуры.

Геологические процессы минералообразования по источнику энергии разделяются на две группы: эндогенные (собственно магматический, пегматитовый, гидротермальный, скарновый, метаморфогенный) – процессы возникающие за счет внутренней энергии Земли; экзогенные (месторождения зон выветривания и окисления, сидементационные месторождения, диагенетические месторождения) – источником энергии является cолнечная энергия.

Собственно магматический процесс – процесс образования минералов непосредственно при кристаллизации магмы. При магматическом минералообразовании возникает небольшое число главных минералов: оливин, пироксены, роговая обманка, микроклин, ортоклаз, биотит, мусковит, нефелин, плагиоклазы, кварц.

Пегматитовый процесс связан с кристаллизацией остаточного силикатного расплава, формирующегося по мере кристаллизации магмы. Остаточный расплав обогащен летучими компонентами, которые не вошли в породообразующие минералы (H₂O, F, Cl, B, S, P, CO₂ и др.), кристаллизация продолжается длительное время уже при более низких температурах, при этом образуются своеобразные породы, которые и называются пегматитами.

Скарновые месторождения образуются в зоне контакта гранитов с известняками или мраморами при обязательном участии послемагматических растворов. Залегают в виде реакционных контактовых кайм разной мощности (1-2 см до сотен м). Минералы – силикаты при этом образуются в ходе метасоматических реакций замещения одних минералов другими. Реакции идут за счет встречной диффузии вещества, извлекаемого растворами из гранитов и известняков (мраморов).

Гидротермальный процесс. По окончании пегматитового процесса в магматической камере концентрируются перегретые водяные пары и другие соединения, в том числе тяжелых металлов - Cu, Pb, Zn, Cr, Ni, As, Sb, Hg и т.д. По имеющимся трещинам эти газообразные соединения движутся в область пониженного давления и более низких температур, конденсируются и превращаются в горячие водные растворы, которые и называются гидротермальными. По мере движения гидротермальные растворы остывают и происходит отложение минералов, которые заполняют трещины или просачиваются сквозь породу и образуют гидротермальные жилы.

Метаморфогенные месторождения. Образуются в процессе метаморфизма горных пород. Метаморфизм – процесс минералогического, структурно-текстурного, а иногда и химического изменения исходных пород в новых условиях, происходящий при повышенных температурах и давлениях. Метаморфизм происходит либо под воздействием тепла внедрившихся магм (контактовый метаморфизм), либо под действием температуры и литостатического давления (региональный метаморфизм), либо при глубинных тектонических дислокациях (дислокационный метаморфизм).

Месторождения зон выветривания и окисления. Выветриванием называется процесс изменения и разрушения минералов и горных пород на поверхности Земли под действием физических и биологических факторов. В наземных условиях формируются коры выветривания.

Седиментационные месторождения. Механические или обломочные горные породы образуются на дневной поверхности и в подводных условиях в результате следующих явлений: физического выветривания, перемещения по склону продуктов выветривания; переноса материала, его сортировки и отложения водными потоками; переработки и переноса материала ветром; действия ледников.

Среди хемогенных осадочных пород выделяют два типа минеральных месторождений – образовавшиеся из истинных и из коллоидных растворов. Первые формируются в условиях сухого климата пустынь и полупустынь в бассейнах повышенной и высокой солености в результате испарения воды. Вторые– за счет коагуляции коллоидных растворов. Биогенные месторождения. Формируются в верхних частях земной коры за счет накопления и последующего преобразования органоминеральных агрегатов или за счет биохимических явлений.

Диагенетическое минералообразование. Изменения, происходящие в осадке, называются диагенезом. Осадок состоит из обломочных частиц, химических и биогенных продуктов седиментогенеза. На этой стадии происходит уплотнение осадка и уменьшение его влажности, образование и старение коллоидов, разложение минералов и образование новых, перераспределение вещества в осадке. В стадию диагенеза образуются сульфиды Fe, гидроксиды Fe, Mn, халцедон и опал, гидрослюды, глинистые минералы и цеолиты, арагонит, кальцит, доломит, фосфаты.