Изучение внутреннего строения минералов

Инженерная геология

 

Лабораторные работы

 

 

 

 

 

Иваново 2008

УДК

 

Алоян, Р.М. Инженерная геология: лабораторные работы / Р.М. Алоян, И. А. Сапронова. – Иван. гос. архит.- строит. ун-т. - Иваново, 2008. – 63 с.

 

В методическом указании представлены методы определения горных пород и минералов. Изложено руководство составления и чтения геологических карт и построения геологических разрезов.

 

Методическое указание предназначено для студентов, изучающих дисциплину «Инженерная геология».

 

Рецензенты: В. Н. Мазаник – кандидат

технических наук, доцент;

 

Ивановский государственный

архитектурно-строительный

университет, 2008

 

Р.М. Алоян, И.А. Сапронова, 2008

 

Введение

 

Важнейшим условием устойчивого роста темпов промышленного, гражданского и других видов строительства является непрерывное наращивание производства строительных материалов, а также повышение качества строительных изделий – деталей и элементов конструкций зданий и сооружений.

Основой промышленности строительных материалов при всех достижениях современного химического производства служит минеральное сырье, добываемое из земной коры. Минеральное сырье в одних случаях используют как естественный строительный материал (бутовый камень, облицовочные плиты, кровельная плитка и т.д.), а в других – как исходный материал для получения искусственных строительных изделий и материалов (известь, цемент, кирпич, стекло, каменное литье и т.д.).

Для решения задач по применению и пригодности природных минеральных образований для промышленности строительных материалов, оценке их запасов, поиску и разведке месторождений естественных строительных материалов, необходимо использование методов геологических наук. Необходимо также иметь сведения о природных и инженерно-геологических процессах, подземных водах, которые нарушают нормальную эксплуатацию карьеров строительных материалов.

Геология – наука о составе, строении и истории развития Земли. Основным объектом изучения является наружная оболочка Земли, которую называют земной корой (или литосферой).

Геология как наука основана на представлении о непрерывном развитии всей геологической среды – составной части космической среды. Геологи считают, что силы и процессы, изменяющие Землю сегодня, действовали в основном таким же образом и в геологическом прошлом.

Главнейшими современными процессами, определяющими геологические изменения в земной коре, являются денудация (разрушение горных пород и перенос разрушенного материала), аккумуляция (отложение и накопление осадков), магматическая деятельность, тектонические движения и некоторые другие.

Геология как наука достигла значительных успехов, в ее рядах работают крупные ученые и производственники. На территории России разведано множество богатейших месторождений и эксплуатируется значительное число карьеров природных строительных материалов. В настоящее время минеральные ресурсы по своему значению в жизнеобеспечении общества занимают второе место, уступая только сельскому хозяйству.

 

 

Лабораторная работа №1

 

Изучение внутреннего строения минералов

 

Земная кора состоит из различных горных пород и минералов.

Минералы (термин происходит от латинского minera – руда) – это природные химические соединения или самородные элементы, возникшие в результате разнообразных физико-химических процессов, происходящих в земной коре и на ее поверхности. Минералы в природе находятся преимущественно в твердом состоянии. Реже встречаются жидкие (ртуть, вода) и газообразные (горючие газы, углекислый газ) минералы.

Из всех минералов (около 3000) лишь очень немногие имеют широкое распространение в составе горных пород. Они называются породообразующими.

Минералы в большинстве являются кристаллическими веществами. Для них характерно наличие кристаллической решетки - строго определенной группировки атомов и ионов.

Кроме явно кристаллических веществ, в земной коре широкое распространение получили скрытокристаллические, к числу которых относятся коллоиды (дисперсные системы, состоящие из дисперсной среды и дисперсной фазы). Среди коллоидов различают золи (железистые воды), в которых дисперсная среда преобладает над дисперсной фазой, и гели (лимонит, опал), в которых, наоборот, преобладает дисперсная фаза. Потерявшие с течением времени воду гели подвергаются перекристаллизации, и называются метаколлоидами. Твердые коллоиды представляют собой скрытокристаллические вещества.

Аморфные (стеклообразные, бесформенные) вещества характеризуются отсутствием кристаллического строения, их физические свойства одинаковы во всех направлениях, т. е. изотропны.

Кристаллические структуры минералов очень разнообразны. К числу характерных свойств большинства кристаллических минералов относится свойство самоогранения при их росте, т.е. способность образовывать кристаллы. В кристалле различают следующие элементы: грани, или плоскости, ограничивающие кристаллы, ребра – линии пересечения граней, вершины – точки пересечения ребер, гранные углы кристалла – углы между гранями.

Грани, ребра и вершины кристаллов связаны зависимостью: число граней + число вершин = числу ребер + 2.

Все кристаллы одного и того же минерала имеют одинаковую структуру. Для всех кристаллов одного и того же вещества углы между соответствующими гранями одинаковы и постоянны – закон постоянства гранных углов.

Минерал – это продукт природных физико-механических процессов. По источнику энергии процессы минералообразования разделяются на две большие группы: эндогенные, связанные с внутренней энергией Земли, и экзогенные, связанные с энергией Солнца.

Процессы минералообразования:

Эндогенный процесс. Минералы формируются из магмы – силикатного огненно-жидкого расплава.

Экзогенный процесс. Минералы образуются как в континентальных, так и в морских условиях, в тесном контакте и взаимодействии между собой земной коры, атмосферы, гидросферы и биосферы. В сложных процессах минералообразования принимают участие кислород, углекислота из воздуха атмосферы, различного состава водные растворы, живые растительные и животные организмы, их остатки и продукты жизнедеятельности, колебания температур, солнечная энергия.

Метаморфический процесс. Минералы эндогенного и экзогенного генезиса могут на некоторой глубине в земной коре попасть в новые термодинамические условия. В этих условиях минералы начинают видоизменяться: одни разрушаются, другие перекристаллизовываются, третьи дают новые минеральные образования. Примером могут служить минералы – кварц, полевые шпаты, тальк, хлорит.

 

Задание№1. Изучить, выданные преподавателем, кристаллы и их симметрии (определить, зарисовать все элементы симметрии, записать их в виде формулы).

1. Симметрия кристаллов

Симметрия есть закономерная повторяемость в расположении фигур или их частей на плоскости или в пространстве.

Симметрия кристаллических многогранников заключается в закономерной повторяемости одинаковых граней, ребер и вершин в данном кристалле при его вращении и в зеркальном равенстве его частей.

Симметрия кристаллов определяется тремя элементами симметрии. Это центр (С), ось (L) и плоскость (Р).

Центр симметрии (или инверсии), С – условная точка внутри кристалла. Любая прямая, проведенная через эту точку по обе стороны от нее на равных расстояниях, встречает симметричные точки многогранника (рис.1). В кристалле так же, как и в любой другой фигуре, может быть только один центр симметрии или таковой вовсе отсутствует.

Ось симметрии, L – воображаемая прямая линия внутри кристалла, при вращении вокруг которой всегда на один и тот же угол происходит совмещение равных частей фигуры. При повороте на 360⁰ совмещение граней в разных кристаллах возможно два, три, четыре или шесть раз (то есть при каждом повороте на 180, 120, 90 и 60⁰). В зависимости от числа совмещений различают оси симметрии второго (L₂), третьего (L₃), четвертого (L₄) и шестого (L₆) порядков. Оси симметрии L₃ , L₄ , L₆ называют осями симметрии высшего порядка.

Плоскость симметрии, Р – условная плоскость, разделяющая кристалл на две равные части, зеркально повторяющие друг друга. Плоскостей симметрии в кристаллах бывает от одной до девяти. Если плоскостей симметрии в данном кристалле несколько, то перед обозначением плоскости ставится их число, например 3Р (три плоскости симметрии имеет спичечная коробка). Многие кристаллы вообще не имеют ни одной плоскости симметрии.

 

 

Рис.1 Расположение осей симметрии в кубе: L₂ – оси симметрии второго порядка, L₃ – оси симметрии третьего порядка, L₄ – оси симметрии четвертого порядка.

 

 

Рис.2 Плоскости симметрии (Р) в кубе.

 

Все кристаллические тела обладают той или иной степенью развития симметрии, число которых для каждого типа пространственной решетки строго определенное.

Виды элементов симметрии и их число для каждого многогранника записывается в виде формулы. Покажем это на примере многогранника типа куба: 3L₄ 4L₃ 6L₂ 9Р С. Это значит, что в кубе три оси четвертого порядка, четыре – третьего, шесть – второго, девять плоскостей и один центр симметрии.

 

 

2. Классификация кристаллов

Задание №2. Выявить сингонию и категорию по таблице1

Классификация некоторых кристаллов

Катего-рия	Сингония	Формула симметрии	Название вида по общей форме
Низшая     Средняя   Высшая	Триклинная Моноклинная Ромбическая Тригональная   Тетрагональная   Гексагональная   Кубическая	С L2РС 3L23РС L3 L33Р L4 L4РС L44Р L44L25РС L6 L6РС L66Р L66L27РС 3L44L36L29РС	Пинакоидальный Призматический Ромбо-дипирамидальный Тригонально-пирамидальный Дитригонально-пирамидальный Тетрагонально-пирамидальный Тетрагонально-дипирамидальный Дитетрагонально-пирамидальный Дитетрагонально-дипирамидальный Гексагонально-пирамидальный Гексагонально-дипирамидальный Дигексагонально-пирамидальный Дигексагонально-дипирамидальный Гексаоктаэдрический

 

Таблица 1

Кристаллические многогранники могут иметь различное количество элементов симметрии, но для каждого типа пространственных решеток их количество строго определенное, или, иначе говоря, элементы симметрии дают определенные комбинации. Таких комбинаций в кристаллических многогранниках возможно только 32. Комбинации назвали классами (или видами симметрии).

Разделение на 32 класса лежит в основе классификации кристаллов. 32 класса по некоторым сходным признакам, типичным формам кристаллов объединяют в семь сингоний, которые в свою очередь группируют в три категории: высшую, среднюю и низшую.

Итак, различают семь сингоний:

1,2,3 - триклинная, моноклинная и ромбическая – эти сингонии относятся к низшей категории, потому что они не имеют осей симметрии высшего порядка (L₃, L₄, L₆);

4,5,6- тригональная, тетрагональная и гексагональная сингонии относятся к средней категории, т.к. они имеют одну ось высшего порядка (L₃, L₄, L₆);

7- кубическая сингония – высшая категория, т.к. имеет несколько осей симметрии высшего порядка (L₃, L₄, L₆).

Разделение кристаллов на классы, объединение в сингонии и категории облегчает изучение физических свойств кристаллов (минералов).

 

 

Рис.3 Наиболее распространенные формы кристаллов различных сингоний: 1-3 – триклинная (а ≠ б ≠ с, α ≠ β ≠ γ ≠ 90⁰); 4-5 – моноклинная (а ≠ б ≠ с, α = γ = 90⁰, β ≠ 90⁰); 6-9 – ромбическая (а ≠ б ≠ с, α = β = γ = 90⁰); 10-13 – тригональная (а = б ≠ с, α = β = 90⁰, γ = 120⁰); 14-16 – гексагональная (а = б ≠ с, α = β =90⁰, γ = 120⁰); 17-20 – тетрагональная (а = б ≠ с, α = β = γ = 90⁰); 21-25 – кубическая сингония (а = б = с, α = β = γ = 90⁰).

 

3. Формы кристаллов

Задание№3. Определить форму кристаллов и дать им название.

Значение формы кристалла имеем большое значение при определении минералов, так как их облик отражает условия, в которых они образовались. Формы кристаллов очень разнообразны. Многие кристаллы просты, например куб, призма, пирамида. В других случаях кристаллы имеют сложную форму, и их наименование складывается с учетом формы и количества граней. Например, кристалл, имеющий 12 граней пятиугольной формы, будет называться пентагондодекаэдром.

Для понимания сложных названий кристаллов следует знать общепринятые термины: моно- один, ди- два, три- три, тетра- четыре, пента- пять, гекса- шесть, окта- восемь, дека- десять, додека- двенадцать, эдра- грань, гониа- угол, пинакос- доска, клино- наклонно.

По внешней форме кристаллы кристаллы разделяются на простые формы и комбинации (сложные формы).

Простые формы - многогранники, состоящие из одинаковых граней, имеющих симметричное расположение друг относительно друга (куб, октаэдр).

Простые формы бывают открытыми и закрытыми. Открытые формы не замыкают пространство и самостоятельно существовать не могут. Это моноэдр (одна грань), диэдр (две пересекающиеся грани), пинакоид (две параллельные грани), призма (три грани и более, пересекающиеся по параллельным ребрам), пирамиды (три грани и более, пересекающиеся в одной точке). Наименование призмам и пирамидам дается по очертаниям из поперечного сечения: ромбические, тетрагональные и т. д. (см. рис.3)

Закрытые формы замыкают пространство. К ним относят дипирамиду, ромбоэдр, тетраэдр, куб, октаэдр. Дипирамиды – одинаковые пирамиды, сложенные основаниями; более детальное название дипирамид устанавливается по форме сечения и числу граней; например тригональная дипирамида – сечение треугольное, граней шесть. Ромбоэдр – форма из шести ромбов. Тетраэдр – форма, образованная из четырех треугольников с непараллельными гранями. Октаэдр – форма из восьми равносторонних треугольных граней.

Комбинации (сложные формы) – это кристаллы, сочетающие ряд простых форм: гексагональная пирамида состоит из двух простых форм: гексагональной пирамиды и моноэдра, а прямоугольный параллепипед представляет собой сочетание трех различных по размеру пинакоидов. Форм кристаллов в виде комбинаций в природе существует бесконечно много.

 

Отчет по лабораторной работе должен в себя включать: с левой стороны листа - схематичное изображение кристалла (включая все элементы симметрии); с правой стороны листа: 1. формулу кристалла, 2. название кристалла, 3. сингонию, 4. категорию.

 

Лабораторная работа №2