Вещественный состав земной коры

Верхние толщи земной коры, находящиеся в сфере строительной деятельности человека, сложены минералами и горными породами. Подавляющая масса минералов слагает собой горные породы, но иногда они встречаются в виде отдельных образований.

Минералы изучает наука минералогия, горные породы — петрография, а техногенные каменные материалы — техническая петрография.

Горные породы при строительстве дорожных объектов служат земляным основанием или средой, являются готовым строительным материалом (щебень, камень, песок и т. д.), либо сырьем для производства тех или иных строительных материалов или изделий (цемент, кирпич, гончарные трубы и т. д.).

МИНЕРАЛЫ

Минералы представляют собой образования, каждое из которых имеет определенный химический состав, внутреннюю структуру и физико-механические свойства.

В настоящее время следует различать два вида минералов: 1) природного происхождения, рождение которых связано с процессами в земной коре, и 2) искусственного образования, создаваемые в процессах производственной деятельности человека.

Природные минералы. В земной коре содержится около 2200 видов минералов и почти 7000 их разновидностей, но наиболее часто и в больших количествах в земле встречается не более 50 представителей минералов. Такие минералы называют породообразующими, а остальные — редкими.

Каждый минерал формируется и может существовать в земной коре только в тех термодинамических условиях, в которых он родился. Для земной коры характерны три принципиально разных процесса минералообразования: 1) эндогенный; 2) экзогенный и 3) метаморфический.

Эндогенный процесс — минералы рождаются в недрах земной коры из магмы, которая представляет собой алюмосиликатный огненно-жидкий расплав. При остывании магма кристаллизуется и образуются минералы — кристаллические, плотные, с большой твердостью. Они хорошо противостоят воде, кислотам, щелочам. В этом процессе рождается около 700 минералов, например, такие как кварц Si02, полевые шпаты (ортоклаз K[AlSi308]), оливин (Mg,Fe)2[Si04]), роговая обманка (Ca,Na)2 (Mg,Fe,Al)5[(Al,Si)4On](OH)2 и др.

Экзогенный процесс развит на поверхности Земли. Минералы рождаются на суше и в водной среде. На суше образование минералов связано с процессом выветривания и разрушения горных пород, залегающих на поверхности земли. Из продуктов разрушения создаются новые минералы, такие как глинистые (каолинит А14[814Ою](ОН), монтмориллонит (А1,М§)2 (ОН)2 [8ЦОю] • пН20) и железистые образования типа минерала лимонита 2Бе203 • пН20. В водной среде (моря, озера, реки, подземные воды) минералы образуются в результате химических реакций между анионами и катионами. Так рождаются карбонаты (кальцит СаС03), сульфаты (гипс Са804 • 2Н20), галоиды (галит №С1) и др.

Следует отметить, что в водной среде рождается также ряд минералов, связанных с процессом жизнедеятельности животных организмов. Это минералы: опал 8Ю2 • пН20, кальцит СаС03 и др.

Всего в экзогенном процессе формируется около 1000 минералов и от эндогенных образований они отличаются ббльшим разнообразием свойств, например, глинистые минералы, будучи алюмосиликатами, стойки к воде, кислотам, щелочам, а сульфаты и галоиды растворяются в воде, мягкие карбонаты разрушаются в кислотах.

Метаморфический процесс. При формировании земной коры, в процессе накопления толщ слоев осадочных пород, экзогенные минералы попадают на большую глубину и подвергаются воздействию давления и высоких температур. В этих новых для них термодинамических условиях они видоизменяются. Так рождаются метаморфические минералы плотные и прочные. Наиболее типичными представителями являются слюды (мусковит КА12[А18130ю]), асбест М§6[8ЦОц](ОН)6 • Н20 и др. Всего в метаморфическом процессе в земной коре формируется около 500 минералов. Почти все они являются силикатами и алюмосиликатами, а это значит, что они стойки к процессу выветривания. Многие из них в связи с тем, что они формировались при высоких давлениях, имеют внешнюю форму листов (слюды) или нитей (асбест). Исключением является минерал кальцит, способный растворяться в воде и кислотах.

Структуры минералов. Большинство минералов имеет кристаллическое строение, но некоторые экзогенные минералы могут находиться в аморфном состоянии. В отличие от кристаллического аморфное состояние является неустойчивым и с течением времени переходит в кристаллическое состояние. Кристаллические минералы имеют форму многогранников и анизотропные свойства, т. е. неодинаковые свойства в разных направлениях кристаллов. Аморфные минералы кристаллическими решетками не обладают и свойства их изотропны, т. е. одинаковы во всех направлениях. На рис. 10 показаны кристалл кварца и аморфный опал.

Химический состав. Каждый минерал обладает своим химическим составом. Имеются минералы сходного химического состава, но они обязательно различаются по структурам.

Отдельные минералы состоят из одного химического элемента (сера Б, алмаз С), но большинство минералов представляют собой комплекс элементов (кварц 8Ю2, пирит Ре82). Только экзогенные минералы в своих кристаллических решетках могут содержать воду в молекулярном или гидроксильном виде, например гипс СаБ04 • 2Н20, каолинит АЬ^БцОюКОН^.

Химический состав минералов может выражаться в виде формул — эмпирических и структурных. Эмпирические формулы показывают, из каких химических элементов состоит минерал и в каком количестве они представлены. Структурные формулы кроме химического состава отражают суть внутреннего строения минерала. Это видно на примере каолинита: А12Оэ • 2БЮ2 • 2Н20 — эмпирическая формула, а АЩёцОюКООД — структурная.

Физические свойства. Каждый минерал имеет следующие физические показатели: внешнюю форму, оптические характеристики (окраску, прозрачность, блеск), твердость, плотность. Кроме этого для отдельных минералов свойственны присущие только им характеристики, такие как вкус, запах, магнитность, радиоактивность, растворимость в воде или кислотах и т. д. Приведем некоторые примеры: малахит — только зеленый, кальцит — «кипит» в соляной кислоте; галит (поваренная соль) — растворяется в воде; алмаз — исключительно прочный; слюда — имеет листоватое строение, а асбест — волокнистое и т. д.

Горные породы широко используют в строительстве и важнейшими при этом для них показателями являются плотность и прочность (твердость), а это зависит от минералов, которые слагают данные породы.

Плотность наиболее распространенных алюмосиликатных минералов находится в пределах 2,5—3 г/см3. По твердости минералы весьма различны. Твердость — это способность минералов противостоять внешним механическим воздействиям. Различают относительную и абсолютную твердость.

Относительная твердость показывает твердость минералов относительно друг друга. Для определения такой твердости используется 10-балльная шкала твердости Мооса, состоящая из 10 эталонных минералов различной твердости. С помощью этих минералов путем ца-

Кристаллы кварца (а) и аморфный опал (б)

Рис. 10. Кристаллы кварца (а) и аморфный опал (б)

рапанья можно определить ориентировочную твердость других минералов.

Абсолютную твердость определяют прибором склерометром, который дает ее значения в МПа (табл. 2).

Твердость минералов

Таблица 2

Эталонные минералы

Относительная твердость (шкала Мооса)

Абсолютная твердость, МПа

Тальк Мв3(ОН)2[5і4О10]

і

24

Гипс Са504 • 2Н20

2

360

Кальцит СаС03

3

1090

Флюорит СаР2

4

1890

Апатит Са5(Р,С1)[Р04]3

5

5360

Ортоклаз КА1[5і308]

6

7967

Кварц 8Ю2

7

11200

Топаз А12(Р,ОН)2[8Ю4]

8

14270

Корунд А1203

9

20600

Алмаз С

10

100600

Классификация минералов основана на химическом составе и состоит из 10 классов (табл. 3).

Классы и типичные для них минералы

Таблица 3

№ п/п

Класс

Минерал

і

Силикаты

Ортоклаз КА1[5і308]

2

Карбонаты

Кальцит СаС03

3

Оксиды

Кварц 8Ю2

4

Гидроксиды

Опал 8Ю2- пН20

5

Сульфиды

Пирит Ре82

6

Сульфаты

Гипс Са804 • 2Н20

7

Галоиды

Галит №С1

8

Фосфаты

Апатит Са5(Р,С1)[Р04]3

9

Вольфраматы

Вольфрамит (Ре,Мп)У04

10

Самородные элементы

Алмаз С

Силикаты (80 %)! — наиболее многочисленный класс, включающий до 800 минералов (алюмосиликатов), являющихся основой магматических и метаморфических пород. В состав силикатов входят полевые шпаты, пироксены, амфиболы, слюды и др.

Оксиды и гидроксиды (17 %) объединяют до 200 минералов. Наибольшее распространение имеют кварц, опал и лимонит.

Карбонаты (1,7 %). К ним относятся более 80 минералов, в земной коре чаще всего встречаются кальцит, магнезит и доломит.

Сульфаты (0,1 %) объединяют до 260 минералов. Среди них наибольшее значение имеют гипс и ангидрит.

Сульфиды (0,26 %) насчитывают до 200 минералов. Типичным представителем является пирит.

Галоиды (менее 0,5 %) содержат до 100 минералов. Наибольшее распространение имеет галит (поваренная соль).

Минералы других классов в земной коре присутствуют в меньших количествах.

Таким образом, земная кора почти на 94 % состоит из силикатов, алюмосиликатов, а также оксидов и карбонатов.

Радиоактивность минералов. Теперь известно, что не только природные минералы, но и ряд техногенных материалов бывают радиоактивными. 97 природных минералов обладают радиоактивностью за счет содержания радиоактивных химических элементов (II238, ТЬ232, Яа, К и др.). Из искусственно созданных в процессах ядерных реакций радиоактивных химических элементов отметим технеций, прометий, нептуний.

Минералы, содержащие радиоактивные элементы, дают излучение, интенсивность которого зависит от вида и количества этих элементов. Это видно из следующих примеров:

  • 1) минерал эшимит содержит ТЬ232 (до 30 %) — малое излучение, а пирохлор имеет всего 17 % и238 но дает большое излучение;
  • 2) минерал уранит содержит и238 (до 30 %) — малое излучение, а торбенит (до 60 %) и карбонит (до 64 %) — это уже большое излучение.

Радиоактивное излучение проявляют некоторые горные породы (граниты, глины и др.), но связано это с содержанием в них радиоактивных минералов.

В настоящее время все строительные материалы должны проверяться на радиоактивность. В связи с этим сформировалась наука «Строительная радиология».

'В скобках показано содержание минералов каждого класса в земной коре.

Искусственные минералы. Эти минералы появились в результате целенаправленной производственной деятельности человека. В настоящее время уже известно более 150 искусственно созданных минералов. Они создаются на промышленной основе и в двух направлениях: 1) как аналоги природных минералов и 2) как техногенные образования.

Аналоги — это искусственно полученные минералы, которые копируют такие природные минералы, как алмаз С, корунд А1203, кварц в виде горного хрусталя 8Ю2, барит Ва504 и ряд других, которые в природных условиях встречаются редко, но необходимы для промышленности и других отраслей экономики, поэтому их стали получать искусственно. Минералы-аналоги, а их уже десятки наименований, в ряде случаев превосходят природные минералы по качеству огранки и чистоте кристаллов. Искусственный алмаз и корунд прочнее природного алмаза на 40 %.

Техногенные минералы создают в промышленных условиях, в природных условиях такие минералы не образуются. Это минералы, из которых состоят цементы, огнеупоры, абразивы, фарфор, керамика и т.д. Каждый минерал имеет определенные, наперед заданные свойства. Так, например: 1) вяжущие свойства — алит (ЗСаО • ЗЮ2), белит (2СаО • 5Ю2), входящие в цементы; 2) огнеупорность — муллит (ЗА120 • 28Ю2), периклаз (М§0); 3) высокую прочность — карбид кремния (81С).

Техногенные минералы находят применение в дорожном строительстве, так как они представляют собой или входят в состав широко используемых строительных материалов.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >