Диагностические особенности породообразующих минералов

Методические указания для выполнения лабораторных и самостоятельной работы, студентами строительных специальностей по курсу «Инженерная геология»; Макеевка: ДонНАСА, 2009г.

Рецензент

кандидат геолого-минералогических наук / Оглоблин В.Ф. /

Учебно-методический материал утвержден на заседании кафедры:

протокол №13 от «14» апреля 2009 г.

Учебно-методический материал утвержден УМС строительным институтом:

протокол №_____ от «____» ___________________________ 20 г.

Тираж _____ экземпляров

содержание

1...... Введение…………………………..……….................................................4

2...... Лабораторная работа №1 «Описание диагностических особенностей пародообразующих минералов по образцам»………………….……………5.

3..... Лабораторная работа №2 «Описание характеристик магматических горных пород по образцам»……………… …………………………………………..20

4...... Лабораторная работа №3 «Описание характеристик осадочных горных пород по образцам» …………………………………………………………..23

5...... Лабораторная работа №4 «Описание характеристик метаморфических горных пород по образцам»………………...............................................26

6...... Расчетно – графическая работа:……………………………………………...28

- построение инженерно – геологических разрезов и стратеграфических колонок;

- расчет величины расходов единичных водопритоков

- вывод о благоприятности инженерно-геологических условий

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

Введение

Для практического закрепления теоретического материала по некоторым курсам «Инженерной геологии» (минералы и горные породы, построение инженерно – геологических разрезов, грунтовые воды) учебной программой предусмотрено выполнение четырех лабораторных работ (аудиторное занятия) и расчетно – графической работы (самостоятельная работа студентов)

Для выполнения лабораторных работ в данных методических указаниях изложены физические свойства и приведены характеристики наиболее распространенных породообразующих минералов; приведены характеристики некоторых магматических, метаморфических и осадочных пород.

Для выполнения самостоятельной работы приведены данные инженерно-геологических изысканий по четырем скважинам (25 вариантов):

¾ мощности четырех инженерно-геологических элементов (ИГЭ);

¾ описание каждого из инженерно-геологических элементов;

¾ уровень залегания грунтовой воды;

¾ коэффициент фильтрации каждого ИГЭ;

¾ расстояние между осями скважин.

При составлении данных методических указаний были использованы:

¾ Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Инженерная геология»(1990г. составители: доц.Новодережкин О.П., доц..Оглоблин В.Ф.)

¾ Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Инженерная геология», 1997г. (составители: КазачекТ.В., Новодережкин О.П., Оглоблин В.Ф., Дружко Е.Б.)

При выполнении и подготовке каждой лабораторной работы студенты оформляют пояснительную записку, в тетради. Расчетно-графическая работа оформляется на четырех листах чертежей формата А4:

Состав расчетно-графической работы

1. Титульный лист

2. Разрез (1 лист)

3. Стратиграфические колонки (4 листа)

4. Расчеты (1 лист)

Все листы расчетно-графической работы должны быть скреплены.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Определение диагностических особенностей породообразующих минералов по образцам.

1.Порядок ведения работы: Студентам предлагаются образцы минералов (не менее двух). По результатам диагностических признаков (физические свойства, текстура) не обходимо ответить на следующие вопросы:

¾ Как называется минерал?;

¾ К какому классу он относится?;

¾ Каков химический состав минерала?;

¾ Условия образования минералов;

¾ Указать основные физические характеристики минерала (твердость, плотность или удельный вес, цвет, цвет черты, блеск, излом, спайность, особенности и разновидности минерала)

¾ Использование минерала в промышленности.

2.Оформляется работа в тетради, где необходимо изложить следующее:

¾ Дать формулировку понятиям «минерал», «породообразующий минерал», изложить принципы классификации минералов, условия их образования:

¾ Для выданных образцов минералов ответить на указанные выше вопросы (в произвольной форме)

3.Уровень знания студента по этой работе оценивает преподаватель.

Для облегчения выполнения и оформления этой работы в данных методуказаниях даются краткие теоретические формулировки, физические свойства минералов и приводятся описания основных породообразующих минералов. При описании диагностических характеристик минералов разрешается пользоваться учениками и методическими указаниями кафедры.

В данной лабораторной работе необходимо дать определение понятиям «минерал», привести химический состав (эмпирическую или структурную формулу), строение кристаллических минералов, указать твердость, плотность, цвет (цвет черты), особые свойства, спайность, излом, происхождение, разновидности (если они имеются) и залежи, а также применение в промышленности.

Физические свойства породообразующих минералов.

Минералы - природные химические соединения элементов или самородные элементы, возникшие в результате физико-химических процессов внутри земной коры или на ее поверхности. Минералы образовались и продолжают образовываться в результате самых разнообразных природных процессов: из расплавленной магмы при ее остывании; из горячих газов и паров, выделяющихся из магмы; из горячих водных растворов; из холодных вод при их испарении; при смешивании вод разного состава; в результате жизнедеятельности бактерий и организмов. В зависимости от окружающей обстановки минералы могут разрушаться, изменять состав, строение и свойства.

Вземной коре обнаружено более 3500 минералов, но широкое распространение имеют лишь немногие из них. Около 50 минералов играющие главную роль в образовании горных пород называются породообразующими.

Минералы подразделяются на три группы: первичные, образовавшиеся при остывании магмы; вторичные, образовавшиеся из первичных минералов вследствие их химического и биологического разрушения; видоизмененные, образовавшиеся из первичных и вторичных минералов вследствие их видоизменения под действием высокой температуры и давления.

Процессы зарождения минералов зависят от условий их образования и источнику энергии их формирования. По этим признакам они делятся на:

¾ Эндогенные, идущие в глубина земной коры и связанные с полной кристаллизацией минералов из того или иного магматического расплава;

¾ Экзогенные, связанные с разрушением горных пород, переотложением и осаждением новых минералов;

¾ Метаморфические, образовавшиеся в связи с изменением внешних условий, например, при отложении поверхностных участков земной коры, внедрении магматических масс. При этом эндогенные и экзогенные минералы претерпевают множественные изменения.

Минералы в природе встречаются в твердом (кварц, полевые шпаты), жидком (ртуть, вода) и газообразном состояниях (метан, углекислый газ и др.).

Минералы имеют кристаллическое, скрытокристаллическое и аморфное строение. Кристаллическое строение минералов обусловлено закономерным распределением в пространстве составляющих их частиц (ионов, атомов и молекул), образующих пространственную кристаллическую решетку. Аморфное строение минералов (горный воск, газы) характеризуется беспорядочным расположением слагающих их частиц.

Подавляющее большинство минералов – твердые кристаллические тела, физические и химические свойства которых определяются составом и структурой кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка – правильное расположение материальных частиц (атомов, ионов, молекул) в кристалле и кристаллическом веществе, характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях.

Кристаллическая решетка состоит из повторяющихся ячеек, расположение частиц в которых характеризует структуру кристаллов. В соответствии с симметрией кристалла элементарная ячейка может иметь формулу косоугольного или прямоугольного параллелепипеда, квадратной или шестиугольной призмы, куба. От кристаллической решетки, т.е. атомарной структуры кристалла, следует отличать т.н. пространственную решетку, которая является геометрической схемой переносов, присущих данной кристаллической решетке, и изображается в виде совокупности точек-узлов. Наличием кристаллической решетки объясняется анизотропия (неодинаковость некоторых свойств вещества) кристаллов.

Основными физико-механическими свойствами минералов являются: строение; цвет; цвет в порошке; блеск; прозрачность; спайность; излом; твердость; удельный вес. Некоторым минералам присущи особые свойства, в числе которых: магнитность (магнетит), реакция с HCl (карбонаты), вкус (галоиды) и др.

Строение минералов. Выделяют кристаллическое и аморфное строение. Основным признаком кристаллического строения является строго определенная группировка слагающих атомов и молекул, которые занимают определенные места в пространстве, образуя кристаллическую решетку (кварц, кальцит). Аморфное строение характеризуется беспорядочным расположением атомов и молекул (горный воск).

Цвет минералов. Зависит от структурных особенностей и присутствия в минералах красящих элементов (хромофор) и механических примесей. Так, содержание хрома обусловливает появление ярких цветов – красного (рубин) или ярко-зеленого (изумруд). Содержание железа часто придает минералам черную окраску (магнетит) или лишает их прозрачности (биотит). Присутствие в минералах посторонних тонкодисперсных механических примесей иногда способствует появлению несвойственной им окраски. Так, примесь атомарного золота в кварце придает ему рубиновую окраску.

Цвет минерала в порошк, (цвет черты). Необходимость в определении данного показателя обусловлена тем, что минералы в порошке иногда имеют иной цвет, чем в куске. Так, пирит в куске имеет соломенно-желтый цвет, а в порошке – почти черный; гематит в куске – свинцово-черный, а в порошке – кроваво-красный. Цвет черты определяют у мягких минералов с твердостью до 5 включительно трением о шероховатую поверхность фарфоровой пластинки..

Блеск минералов. Характеризует способность минералов отражать своими гранями падающий на них свет. Различают блеск металлический и неметаллический. Металлический блеск подразделяют на: металлический (пирит) и металловидный (гематит). Неметаллический - на алмазный (алмаз), стеклянный (кварц), перламутровый (слюда), жирный (апатит), шелковистый (асбест), восковой (горный воск), матовый (каолинит).

Спайность минералов. Способность раскалываться при ударе с образованием четко выраженных и ориентированных блестящих поверхностей – плоскостей спайности, что обусловлено их кристаллохимическим строением. Различают пять видов спайности: весьма совершенную – плоскости спайности ориентированы в одном направлении (слюды, графит); совершенную – плоскости спайности ориентированы в трех направлениях (кальцит); среднюю – плоскости спайности расположены в двух направлениях (роговая обманка, ортоклаз). Несовершенная спайность – плоскости спайности обнаруживаются с трудом (апатит), весьма несовершенная – спайность отсутствует (кварц).

Излом. Характеризует поверхность минералов, образующуюся при их раскалывании и не имеющую плоскостей спайности. Выделяют: раковистый излом – напоминает внутреннюю поверхность раковины (кварц, опал); занозистый – характерен для минералов с волокнистым строением (асбест, роговая обманка); ступенчатый – напоминает ступени лестницы, характерен для минералов с совершенной или средней спайностью (кальцит, ортоклаз); землистый – встречается у мягких минералов, имеющих матовую шероховатую поверхность излома (лимонит, каолинит); крючковатый – характерен для ковких минералов, имеющих изогнутые, острые края (медь, золото); неровный – вид излома, который не может быть отнесен ни к одному из перечисленных выше видов.

Твердость. Способность минерала сопротивляться внедрению в него другого вещества. Определяется путем царапания испытуемого минерала другим минералом, обладающим известной эталонной твердостью. Для оценки относительной твердости минералов имеется специальный набор 10 минералов-эталонов различной твердости, шкала Мооса. Твердость условно обозначается баллами от 1 до 10.

1. Тальк 6. Ортоклаз

2. Гипс 7. Кварц

3. Кальцит 8. Топаз

4. Флюорит 9. Корунд

5. Апатит 10. Алмаз

Особые свойства минералов. Некоторым минералам присущи особые свойства, в числе которых – магнитность, взаимодействие с соляной кислотой, вкус, запах и др.

Плотность определяется как отношение массы твердой составляющей минералов к занимаемому объему. По величине плотности минералы условно разделяют на: легкие 0,9…2,5 г/см3 (гипс), средние 2,5…4,0 г/см3 (кварц), тяжелые 4,0…8,0 г/см3 (барит) и очень тяжелые 8 г/см3 (киноварь, золото).

Диагностические особенности породообразующих минералов.

В зависимости от химического состава и кристаллического строения все минералы подразделяются на десять классов:

1.КЛАСС СИЛИКАТОВ (от лат. - кремень) – солеобразные химические соединения с кремнекислородным комплексным анионом различного типа. Силикаты кристаллические очень распространены среди природных соединений (свыше1/3 минералов относятся к классу силикатов).

По химической конструкции силикаты очень сложны и разнообразны. В основе всех кристаллических силикатов лежит группа (Si O₄)^4-, образующая симметрию тетраэдра, в центре которой расположен ион Si^-4, окруженный четырьмя ионами кислорода. Кремнекислородные тетраэдры могут соединяться через один или более общих кислородов, образуя сдвоенные группы (Si₂O₇)^6-, или замкнутые кольца из трех (Si₃O₉)^6- или шести (Si₆O₁₈)¹² тетраэдров или иные пространственные связи тетраэдров (цепочки, ленты, слои, каркасы, островные, кольцевые, шаровые).

a) Островные силикаты:

Оливин (MgFe)₂SiO₄. Твердость 6,5—7. Удельный вес (средний) 3,3—3,4 г/см³. Цвет оливково-зеленый, зелено-буроватый (бутылочный). Черты не дает. Блеск стеклянный. Спайность несовершенная. Излом неровный. Оливин — породообразующий минерал основных и ультраосновных магматических пород (базальтов, габбро, перидотитов, пироксенитов).

Альмандин Fe ₃Al(SiO₄)₃ – минерал из группы железистоглиноземистых гранатов. Твердость 7.0-7.5. Удельный вес (тяжелый) 4,3 г/см³. Цвет темно-коричневый с фиолетовым оттенком. Блеск стеклянный, жирный. Черта серая. Спайность средняя. Встречается в кристаллических сланцах, пегматитах и некоторых гранитах.

Красиво окрашенный прозрачный альмандин – драгоценный камень.

Топаз – Al₂(F,OH)₂SiO_4, твердость 8.0, удельный вес – (средний) 3.5г/см³ Призматические призрачные кристаллы розового, голубого, желтого цветов. Излом раковистый, блеск стеклянный.

б)Кольцевые силикаты:

Берилл – минерал, силикат бериллия и алюминия Be₃Al₂(Si₆O₁₈) кристаллизуется в гексагенальной системе, кристаллы призматические. Блеск стеклянный. Цвет изумрудно-зеленый, голубой, желтый, белый. Твердость 7,5-8,0, удельный вес 2,6-2.9 г/см³. Встречается в гранитных пегматитах, грейзенах. Прозрачные бериллы – драгоценные камни. Разновидности берилла: аквамарин-зеленовато-голубой, изумруд-чистого зеленого цвета и др.

Турмалин – минерал боросиликат сложного химического строения, содержащий Na, Ca, Li, Mg, Fe, Be,Si, Al,(O,OH)₃₀. Цвет зависит от состава: розово-зеленый, синий (индиголит); красный (рубеллит); черный(шерл); бурый (дравит) и др. кристаллизуется в виде сильно вытянутых призматических кристаллов. Твердость 7-7,5. Удельный вес(средний) 2,9-3,3. Спайность отсутствует. Излом занозистый. Встречается обычно в гранитных пегматитах. Прозрачные кристаллы турмалина – драгоценный камень.