Тема 6. Формы минералов и процессы минералообразования

Минералами (от лат.»минера» - руда) называют природные химические соединения или отдельные элементы, однородные по химическому составу и внутреннему строению, являющиеся продуктами различных геологических процессов. Изучением состава, строения, свойств, условий образования минералов занимается минералогия.

В земной коре в настоящее время найдено около 200 минеральных видов. Это значительно меньше числа неорганических соединений, получаемых лабораторным путем; количество их исчисляется десятками тысяч. Причинами ограниченности видов минералов являются неустойчивость многих химических соединений в условиях земной коры и переход их в более стабильное состояние.

Каждый минерал устойчив лишь в определенных термодинамических условиях. При их изменении он разрушается и переходит в новое, более устойчивое состояние в создавшихся условиях.

Породообразующими являются около 70 минералов; они наиболее распространены и составляют основу горных пород, слагающих земную кору.

Минералы обладают закономерным внутренним строением. В их кристаллической решетке атомы, ионы или их группы занимают строго определенные, геометрически закономерные места в пространстве. Места этих материальных точек в структуре называют узлами решетки.

К факторам, определяющим кристаллическую структуру минерала, относятся структурные единицы, их размеры, характер связей друг с другом, координация.

Структурными единицами для построения минералов служат ионы, атомы, иногда молекулы; большинство минералов – ионные постройки. Размеры слагающих минерал структурных единиц характеризуются эффективными радиусами. Это радиусы сферы воздействия данной структурной единицы на окружающие.

Структурные единицы соединяются друг с другом с помощью различных химических связей: ионной, ковалентной, донорно-акцепторной, металлической или молекулярной. По степени однородности химических связей минералы делятся гомодесмические гетеродесмические соединения. В гомодесмических устанавливаются связи только одного типа. Например, в галите NaCl и флюорите CuF₂ все связи ионные; в алмазе С – ковалентные; в самородной меди Cu – металлические. При наличии в минерале химических связей различных типов его относят к гетеродесмическим соединениям. Например, у гипса CaSO₄ ·2H₂O между серой и кислородом в ионе SO₄^2- связь ковалентная; катион Са²⁺ связан с сульфат-ионом ионной связью; молекулы воды соединены с CaSO₄ молекулярными связями.

В кристаллической решетке атомы или ионы минерала окружают себя определенным числом соседей. Число ближайших соседей структурной единицы, одинаково расположенных по отношению к ней в кристаллической решетке, называется координационным числом. Значения координационных чисел в кристаллах минералов изменяются от 2 до 12, наиболее распространены координационные числа 6, 4, 8, 12. Координационное число зависит от соотношения размеров структурных единиц, типа химической связи, а также условий образования минералов.

Структурный мотив – это преимущественное направление распространения («сцепления») атомов, ионов и их групп (радикалов) в кристаллической решетке минерала. Он определяется характером химических связей и их направленностью. Выделяют 6 типов структурных мотивов:

1.Координационный характеризуется равномерным распределением атомов или ионов в кристаллических структурах. Координационный мотив с ионной связью имеет галит (NaCI); с ковалентной – алмаз (С); с металлической – самородные металлы.

2.Островной имеет в структуре обособленные группы атомов или радикалов, связи в которых более прочные, чем связи с окружающими структурными единицами. Островные структуры характерны для карбонатов, сульфатов, некоторых силикатов.

3.Кольцевой включает объединения групп атомов или радикалов в кольце различной конфигурации. Он сравнительно редок в кристаллических структурах минералов; примерами могут служить самородная сера и берилл.

4.Цепочечный отличается четкой направленностью наиболее прочных связей в кристаллической решетке, что выражается в наличии «бесконечных» групп атомов в виде цепочек. Сдвоенные цепочки называют лентами, а структуры – ленточными. Цепочечный мотив характерен для многих силикатов, сульфидов, оксидов.

5.Слоистый характеризуется двумерным распределением наиболее прочных связей в структуре, т.е. расположением структурных единиц (атомов, радикалов) в плоскости. Слоистый мотив развит в минералах, относящихся к классам силикатов, сульфатов, сульфидов.

6.Каркасный возникает, если образующие структуру радикалы через общие вершины соединяются друг с другом в виде трехмерного каркаса. К каркасным минералам принадлежат многие алюмосиликаты, в частности полевые шпаты, а также кварц.

Наибольшее число минералов имеет островное строение, реже встречаются минералы цепочечной структуры, и лишь около 50 минеральных видов имеют каркасное строение.

Полиморфизм – это явление построения различных кристаллических структур из вещества одинакового химсостава. Каждый минерал имеет свою собственную, только ему присущую кристаллическую решетку с определенной внутренней и внешней симметрией. Однако установлены случаи, когда одно и тоже по составу вещество может иметь различные кристаллические структуры. Это явление было обнаружено Э. Митгерлихом в 1920 г. и получило название полиморфизма (греч. «поли» - много, «морфэ» - форма). Пример этого явления - полиморфные модификации углерода – графит и алмаз. Графит имеет гексогональную систему кристаллической симметрии, а алмаз – кубическую. Оба эти минерала имеют один и тот же химический состав, но обладают совершенно несходными свойствами.

Большинство химических элементов периодической системы входят в состав минералов, т.е. являются минералообразующими. Минералообразующие элементы делят на две группы:

1. Видообразующие дают сомостоятельные минеральные виды, например, Si, O, H, Al, Ca, Na, Mg, Cu, S и другие

2. Рассеянные не дают самостоятельных минералов и входят в состав в виде примесей, например, Hf, Re, Ra, Ro и т.д.

Минералы представлены тремя типами химических соединений:

1.Простые вещества или самородные элементы. Это самородная сера и медь, графит, золото, платина и другие.

2.Оксиды и гидроксиды, например, корунд Al₂O₃, рутил TiO₂,куприт Cu₂O и т.д.

3.Соли кислородсодержащих и безкислородных кислот, например, галит NaCl, пирит FeS₂, кальцит CaCO₃, барит BaSO₄, фостерит Mg₂SiO₄, ангидрит CaSO₄ и др. Это наиболее распространенный тип химических соединений минералов.

Соли имеют группы атомов, которые участвуют в реакциях как единое целое, и такие группы называют комплексными анионами или радикалами. Главными радикалами в минералах являются [SiO₄] в силикатах, [CO₃ ] в карбонатах, [SO₄ ] в сульфатах, [РО₄ ] в фосфатах.

Минералы могут состоять из соединений постоянного состава или определенных соединений и переменного состава или неопределенных соединений.

Определенные соединения в любых условиях сохраняют в своей структуре одно и то же соотношение минералообразующих элементов. К таким минералам относятся, например, галит NaCl, кальцит CaCO₃, гематит Fe₂O₃, кварц SiO₂, куприт Cu₂O и т.д.

У неопределенных соединений состав колеблется в определенных пределах, причем эти колебания состава не связаны с посторонними механическими примесями. К этой группе принадлежит абсолютное большинство минералов. Способность к образованию соединений переменного состава обусловлена явлением изоморфизма.

Изоморфизм – это явление взаимного замещения атомов или ионов в кристаллической решетке минерала без нарушения ее строения. Образующиеся при этом вещества называют изоморфными смесями или твердыми растворами. В зависимости от соотношений замещающих друг друга единиц изомофизм бывает полный или совершенный и неполный или несовершенный. Примером полного изоморфизма является группа плагиоклазов – непрерывный изоморфный ряд, крайними членами которого являются альбит Na[AlSi₃O₈] и анорит Ca[Al₂ Si₂O₈] со схемой замещения NaSi ® CaAl. Несовершенный изоморфизм более распростанен. Примером может служить кальцит CaCO₃, где до 22% Са может замещаться Мg.

Абсолютное большинство минералов – это твердые кристаллические тела; некоторые встречаются в твердом аморфном виде, например, опал, лимонит; в жидком состоянии (вода, ртуть) и газообразном (углекислый газ, сероводород).

По внешнему огранению кристаллы делят на 2 группы.

1.Состоящие из одинаковых по форме и величине симметрично расположенных граней, как, например, куб, октаэдр.

2.Имеющие разные по величине и очертаниям грани, например, многогранник в форме призмы.

Формами природных выделений минералов являются скопления зерен, называемых минеральными агрегатами, отдельных кристаллов и их сростков.

Монокристаллы – это единичные хорошо ограненные кристаллы минералов, образующиеся в условиях свободного роста, например, в трещинах, пустотах земной коры.

Закономерные сростки – это сростки кристаллов по определенным кристаллографическим направлениям.

Незакономерные сростки. Основным их видом являются друзы – сростки правильных кристаллов на едином основании.

Зернистые агрегаты наиболее распространены и образуются при одновременной кристаллизации из расплавов или растворов большого количества минеральных зерен. По размеру зерен различают крупно- (более 5мм), средне- (1 – 5мм) и мелкозернистые агрегаты. В зависимости от формы зерен они могут быть призматические, зернистые, чешуйчатые, игольчатые, волокнистые и др.

Образование минералов происходит четырьмя способами:

1.Кристаллизацией природных силикатных расплавов – магмы – при понижении их температуры ниже точки затвердевания;

2.Отложением минерального вещества из водных растворов. Такие растворы могут быть как истинными, так и коллоидными. Из горячих растворов, так называемых гидротермальных, образуются рудные минералы; холодноводными являются, например, растворы соляных озер.

3.Превращениями в твердом состоянии благодаря диффузионным процессам.

4.Кристаллизацией минералов из газообразного состояния, т.е. путем возгонки. Так, например, из вулканических газов на стенках кратера образуются кристаллы самородной серы.

В зависимости от источника энергии они делятся на эндогенные и экзогенные.

Эндогенные процессы связаны, в основном, с деятельностью магмы. В собственно магматических процессах минералы образуются непосредственно при ее кристаллизации. Магматические горные породы делятся на 2 группы:

1.Интрузивные, которые кристаллизуются на глубине

2.Эффузивные, которые образуются вблизи или на поверхности земли

Видом интрузивного процесса является пегматитовый процесс. При кристаллизации гранитной магмы образуется остаточный силикатный расплав, насыщенный соединениями редких и редкоземельных элементов, а также летучими веществами – минерализаторами. Этот расплав внедряется во вмещающие породы, заполняет их трещины и полости, кристаллизуется и образует жильные крупнокристаллические тела – пегматиты. Пегматиты, кроме главных породообразующих минералов, таких как микроклин, плагиоклаз, биотит, содержат турмалины, берилл, сподумен и другие минералы. Пегматитовые жилы могут достигать нескольких километров в длину и нескольких десятков метров мощности. Больших размеров достигают и минералы, слагающие пегматиты.

Процесс образования минералов из газовой фазы называется пнематолизом или пневматолитовым процессом. Пневматолиты делятся на вулканические и глубинные.

Вулканические пневматолиты образуются за счет газов, выделяющихся из магмы вблизи или на поверхности земли. В процессе возгонки в трещинах лавовых покровов, на стенках кратера образуется налет или тонкая корка из минералов. В основном, это хлориды и сульфаты.

Глубинные пневматолиты образуются из газов, отделяющихся от магматического очага в глубине земной коры. Эти газы просачиваются через горные породы, реагируют с ними, преобразуют их химический и минеральный состав. Степень преобразования горных пород под действием газов зависит от их химической активности, состава пород, их строения и длительности процесса.

Гидротермальный процесс. Гидротермы – это горячие водные растворы, которые отделяются от магмы или образуются при сжижении паров. Они движутся из нижних пластов земли в верхние ввиду разности давлений в них. При движении по трещинам, зонам контактов, по другим тектоническим нарушениям гидротермы вступают в реакции с вмещающими породами. По мере удаления от магматического очага температура гидротермы падает и она отлагает растворенные в ней вещества. Выделяемые таким образом из водных растворов минералы называют гидротермальными. Обычно они имеют форму жил, поскольку движутся по трещинам; основным жильным материалом является кварц.

Экзогенные процессы. Процессы выветривания приводят к механическому разрушению и химическому разложению пород и минералов. Агентами выветривания является вода, ветер, колебания температур, химические реагенты, живые организмы. Факторами, определяющими интенсивность выветривания, являются климат, рельеф местности, химический состав пород и минералов.

В результате физического выветривания происходит дезинтеграция пород, т.е. их механическое разрушение. Новые минералы не образуются, образуются россыпи различных минералов, слагающих исходную породу.

При химическом выветривании происходит разложение минералов и образование новых. Например, во вскрытых эрозией рудных жилах первичные рудные материалы, особенно сульфиды, активно разрушаются и переходят в окисленные минералы – сульфаты, оксиды или карбонаты. Главным минералом в этой зоне химического выветривания является лимонит, а ниже ее остается зона первичных неокисленных руд.

Осадочный процесс. Разрушенные горные породы и минералы транспортируются различными агентами, сортируются и отлагаются в виде механических осадков. Происходит также химическое осаждение из истинных и коллоидных растворов, как, например, при образовании гипса, галита, каркаллита и других минералов. Минералы, образовавшиеся при участии живых организмов, называют биолитами. С помощью биохимических процессов образованы некоторые месторождения фосфоритов, самородной серы, руд железа и марганца. К биолитам относятся карбонатные породы (известняки, мел), которые образовались из скоплений организмов с известковым скелетом; каменный уголь, торф.

Осадочные горные породы при движениях земной коры попадают в более глубокие зоны литосферы и подвергаются метаморфизму. Вследствие этого процесса известняк переходит в кристаллическую зернистую породу – мрамор; песчаник – в кварцит. Метаморфизму подвергаются и магматические породы.

Выделяют контактный, дислокационный и региональный метаморфизм.

Контактный метаморфизм обусловлен контактом магматической и осадочной породы. Если магматический расплав с температурой около 1000⁰С, высоким содержанием газов под большим давлением внедряется в осадочную породу, она реагирует с ним, происходят ее физико–химические преобразования.

Дислокационный метаморфизм – это дробление и истирание горных пород, образование тектонитов, т.е. катакластических пород, брекчий, милонитов.

Региональный метаморфизм – это процессы перекристаллизации под действием сверхвысоких давлений на больших глубинах при тектонических напряжениях в местах разрыва.

Залегание осадочных пород. Формой залегания осадочных образований является пласт или слой. Это геологическое тело, сложенное однородной осадочной породой, ограниченное двумя параллельными поверхностями, примерно одной мощности со значительной площадью. Например, это пласт известняка, пласт песчаника и т.д. Ограничивающая снизу поверхность называется подошвой, а сверху – кровлей. Толщина пласта называется его мощностью. Резкое локальное увеличение мощности пласта называют раздувом, сокращение – пережимом, постепенное уменьшение мощности вплоть до исчезновения пласта – выклиниванием. Возможны также линзовидные и гнездообразные формы залегания.

Характеристикой положения пласта является угол падения. Он образован плоскостью пласта и горизонтальной плоскостью. Наличие угла падения может быть причиной выхода пласта на поверхность, называемого обнажением пород.

Расположение пластов может быть согласным и несогласным. При согласном залегании пласты практически параллельны друг другу, причем эти пласты могут быть горизонтальными, наклонными или складчатыми. Обычно это происходит при постепенном накоплении осадков и прогибе поверхности земли, когда молодые пласты располагаются над более древними. Несогласное залегание вызвано наличием перерывов в осадкообразовании. Причиной этого может быть, например, временное поднятие участка земной поверхности, когда накопление осадков прекращается, а уже отложенные подвергаются эрозии.

Нарушение первоначального горизонтального залегания горных пород называется дислокацией. Они бывают пликативные и дизъюнктивные.

Пликативные дислокации происходят без разрыва сплошности пластов и делятся на моноклины, флексуры и складки. У моноклинов пласты равномерно наклонены в одну сторону. Флексурами называют уступообразные нарушения моноклинно лежащих пластов. Складки бывают антиклинальные и синклинальные. Антиклинальными называют выпуклые складки, в которых пласты падают в противоположные стороны. Синклинальными называют вогнутые складки, в которых пласты падают навстречу друг другу.

Дизъюнктивные дислокации сопровождаются разрывом сплошности пластов в виде трещин без смещения пластов и в виде разрывов со смещением пластов. Плоскость разрыва, по которой происходит смещение пластов, называется сместителем, а величина относительного смещения пластов называется амплитудой разрыва. Разрывы делятся на сбросы, взбросы, надвиги и сдвиги.

При сбросе угол наклона сместителя к горизонту обычно 40 – 60⁰; при вертикальном сместителе сброс называют вертикальным. При взбросе угол наклона сместителя более 60⁰. Надвиг – это взброс по пологому сместителю (с углом наклона менее 60⁰), когда висячее крыло надвинуто на лежачее. Большие надвиги (до 30–40км) называют тектоническими покровами или шарьяжами. При сдвигах крылья смещаются в горизонтальном направлении.

Ступенчатые сбросы, где центральная часть опущена относительно периферийных блоков называются грабенами, а взбросы, в которых центральная часть приподнята по отношению к периферийным блокам называют горстами.

Элементы, формы и типы рельефа. Рельеф – это совокупность форм земной поверхности. Как уже отмечалось изучением рельефа занимается геоморфология.

К элементам рельефа относятся поверхности, линии и точки. Поверхности могут быть горизонтальными, наклонными, выпуклыми, вогнутыми и сложными.

Линии являются результатом пересечения поверхностей. Различают:

-водораздельную линию; она разделяет поверхностный сток противоположных склонов;

- водосливную; она проходит по дну долин, балок, оврагов и является результатом пересечения двух поверхностей склонов;

- подошвенную, которая ограничивает основания склонов;

- бровка, где происходит резкий перегиб склона.

Характерные точки рельефа:

- вершинные с наибольшей высотой в данной местности;

-донные - наиболее низкие точки понижений рельефа;

- перевальные; это дно понижений гребней хребтов;

- устьевые, т.е. устья рек.

Формы рельефа образованы из элементов и делятся на две группы: положительные и отрицательные, соответственновыпуклые и вогнутые к плоскости горизонта. Примерами положительных форм являются:

- нагорье – обширная возвышенность из системы горных хребтов и вершин, например, Памир или Кавказ;

-горный кряж – невысокий горный хребет с пологими склонами и плоской вершиной, например Донецкий кряж;

-горный хребет - вытянутая возвышенность с относительной высотой более 200м и крутыми склонами;

-гора – изолированная возвышенность с относительной высотой более 200м и крутыми склонами;

-плато – приподнятая равнина, ограниченная хорошо выраженными склонами;

-холм – обособленная куполообразная возвышенность с пологими склонами и относительной высотой до 200м;

-курган – искусственный холм.

Примеры отрицательных форм рельефа:

- котловина- понижение значительной глубины с крутыми склонами;

-впадина – неглубокое понижение с пологими склонами;

- долина – вытянутое углубление с уклоном в одном направлении и склонами различной крутизны;

-овраг – вытянутое углубление с крутыми обнаженными склонами;

- балка – вытянутое углубление с пологими, покрытыми растительностью склонами.

Различают три типа рельефа – равнинный, холмистый и горный.

Равнина имеет малые колебания высот – до 200м. По отношению к уровню моря равнины делятся на:

-отрицательные (депрессии, впадины), лежащие ниже уровня моря;

-низменные – до 200м над уровнем моря;

-возвышенные – 200-500м выше уровня моря;

-нагорные с отметками выше 500м.

По форме они подразделяются на горизонтальные, наклонные, вогнутые и выпуклые.

По происхождению равнины делятся на:

- структурные, которые обусловлены геологическим строением. Лава при излиянии из вулканов заполняет неровности рельефа и, застывая, образует ровную поверхность, называемую столовой равниной;

-аккумулятивные, которые образовались при накоплении материала в море или на суше. Примером могут служить лессовые равнины, образовавшиеся за счет отложения пыли, принесенной из пустынь. Прикаспийская низменность представляет собой аккумулятивную равнину, образовавшаяся за счет поднятия морского дна.

-скульптурные; возникают за счет разрушения горных пород на поверхности Земли.

Горный рельеф имеет крупные с относительной высотой более 200м возвышенности (горы, хребты) и понижения (впадины, котловины и т.д.). Холмистый рельеф – это переходный тип между равнинным и горным. Он представляет собой холмы высотой до 200м и понижения между ними в виде ложбин и котловин.

Дата добавления: 2013-12-12