Твердая оболочка Земли - земная кора, составляет лишь 1,5 % от общего объема земного шара. Но, несмотря на это, именно земная кора, а точнее ее верхний слой, представляет для нас наибольший интерес, так как он является источником Минерального сырья.
Минералы - это относительно однородные природные тела, имеющие определенные химический состав и физические свойства. Название «минерал» происходит от латинского слова «Минера», что в буквальном переводе означает - руда, рудный. Наука, изучающая состав, структуру и свойства минералов, их происхождение и условия залегания, называется минералогией. Для производителей, применяющих в работе станки для лего кирпича, представляются полезными знания о минералах и их свойствах, так как технология гиперпрессования предполагает использование горных пород в качестве сырья.
Минералы образуются в результате физико-химических процессов, совершающихся в земной коре. Как и вся окружающая нас природа, они состоят из химических элементов. Образно говоря, минерал - это своего рода здание из кирпичиков - химических элементов, построенное по определенным законам природы. И подобно тому, как из примерно одинакового количества кирпичей человеком возведено на Земле множество различных зданий, из сравнительно небольшого числа химических элементов природой создано в земной коре более 3 тыс. разнообразных минералов. Всего с учетом многочисленных разновидностей насчитывается более 7 тыс. их наименований, которые даются каждому минералу по какому-либо признаку.
В земной коре минералы чаще встречаются не самостоятельно, а в составе горных пород. Они во многом определяют физико-механические свойства горных пород и с этой точки зрения представляют наибольший интерес для технологии обработки камня.
Большинство минералов встречается в природе в твердом состоянии. Твердые минералы могут быть кристаллическими или аморфными, различаясь внешне геометрической формой - правильной у кристаллических и неопределенной у аморфных.
Форма минералов зависит от расположения в них атомов. В кристаллических минералах атомы располагаются в строго определенном порядке, образуя пространственную решетку, благодаря которой многие минералы (например, кристалл кварца) имеют вид правильных многогранников. Кристаллические минералы анизотропны, т. е. физические свойства их различны по разным направлениям. В аморфных минералах (обычно они имеют форму натеков) атомы расположены беспорядочно. Такие минералы изотропны, т. е. физические свойства их одинаковы по всем направлениям.
В соответствии с общепринятой в настоящее время химической классификацией все минералы могут быть разделены на девять классов:
- І. Силикаты - соли кремневых кислот, среди которых выделяют подгруппы минералов, имеющих некоторую общность состава и строения: полевые шпаты, разделяющиеся по химическому составу на плагиоклазы и ортоклазы, пироксены, амфиболы, слюды, оливин, тальк, хлориты и глинистые минералы. Это самый многочисленный класс, насчитывающий до 800 минералов.
- ІІ. Карбонаты - соли угольной кислоты, включающие до 80 минералов и в их числе наиболее распространенные кальцит, магнезит и доломит.
- ІІІ. Окислы и гидроокислы - объединяют около 200 минералов, среди которых наиболее распространены кварц, опал, лимонит, гаматит.
- IV. Сульфиды - соединения элементов с серой, насчитывающие до 200 минералов. Типичный представитель - пирит.
- V. Сульфаты - соли серной кислоты, включающие около 260 минералов, среди которых наибольшее распространение получили гипс и ангидрит.
- VI. Галонды - соли галоидных кислот, насчитывающие около 100 минералов. Типичные представители галоидов - галит (поваренная соль) и флюорит.
- VII. Фосфаты — соли фосфорной кислоты. Типичный представитель - апатит.
- VIII. Вольфраматы - вольфрамокислые соединения.
- IX. Самородные элементы - алмаз и сера.
Физические свойства минералов
Все минералы обладают определенными физическими свойствами, основные из которых делятся на три группы: морфологические особенности, определяемые внешней формой; оптические свойства, включающие цвет, прозрачность и блеск; механческие свойства, выражаемые показателями твердости и плотности, степенью спайности и видом излома.
В природных условиях кристаллы минералов в основном имеют неправильные очертания, четко ограненные кристаллы встречаются довольно редко. Разнообразные формы минералов могут быть разделены на три основных вида:
- изометрические, развитые в пространстве примерно одинаково во всех трех направлениях (пирит и галит);
- столбчатые, игольчатые и т. п., вытянутые в одном направлении (кварц и асбест):
- плоские, листоватые и чешуйчатые, вытянутые в двух направлениях (слюда и графит).
Цвет минералов
Цвет минералов в первую очередь зависит от их состава. По цвету они могут быть разделены на светлые и темные, в составе светлых минералов преобладают кремний и алюминий, а железо и магний содержатся в малых количествах или вообще отсутствуют (кварц, полевые шпаты, гипс, кальцит и др.). В составе темных минералов преобладают железо и магний за счет уменьшения или отсутствия кремния и алюминия. Именно значительное содержание железа и магния способствует темной окраске минералов (роговая обманка, биотит, или черная слюда, авгит, оливин, рубин и др.).
Для многих минералов цвет строго постоянен, например у хлорита он всегда зеленый. У некоторых минералов наблюдается изменение цвета или появление оттенков; это связано с наличием в данных минералах каких-либо примесей. Так, например, обычно бесцветный кварц может стать молочным, фиолетовым и даже черным.
Кроме разделения по цвету, минералы делят также по прозрачности, т. е. по свойству пропускать свет, на три группы: прозрачные (кварц), полупрозрачные (гипс) и непрозрачные (графит). Причем, многие минералы становятся прозрачными только в тонких пленках.
Спайность минералов
Спайность минералов определяется исключительно внутренней структурой кристаллического вещества и не зависит от его внешней формы. Под спайностью понимают способность минералов раскалываться при ударе по определенным направлениям с образованием гладких плоскостей, называемых плоскостями спайности. Наличие спайности может быть установлено путем осмотра поверхности излома минерала при отраженном свете. Исследуемый минерал при этом следует поворачивать в разные стороны.
Спайность минералов можно оценить следующим образом: весьма совершенная, при которой минерал способен расщепляться на тонкие листочки (слюда); совершенная, когда при расколе молотком минерал дает обломки, ограниченные правильными плоскостями (кальцит); средняя, при которой образуются обломки с относительно правильными гранями (полевые шпаты); несовершенная, когда на осколках минерала местами заметны небольшие гладкие площадки (оливин и апатит); весьма несовершенная, при которой минерал раскалывается по неопределенным направлениям (кварц).
Поверхность разрыва и раскалывания минералов характеризует излом: по плоскостям спайности - у кальцита, раковистый - у кварца, землистый - у каолинита и т. д.
Твердость минералов определяется их внутренней структурой и составом. Под твердостью минералов понимают способность их противостоять внешнему механическому воздействию, в частности прочерчиванию поверхности одного минерала более твердым другим минералом или каким-либо острым предметом.
Каждому минералу присуща определенная твердость, которая ориентировочно оценивается по десятибалльной шкале твердости минералов, предложенной более 100 лет назад немецким ученым Ф. Моосом и носящей его имя.
Истинная твердость минералов, которая в наше время может быть точно определена с помощью склерометров и выражается в паскалях (Па) или мегапаскалях (МПа), резко отличается от твердости, определяемой по шкале Мооса. Однако, несмотря на это, шкала Мооса прочно вошла в обиход при определении твердости минералов, которые подобраны в ней от самого мягкого - талька, до самого твердого - алмаза. Каждый последующий минерал по шкале тверже предыдущего, порядковый номер минерала обозначает его твердость. По шкале Mooca большинство минералов имеет твердость от 2 до 6.
Для определения твердости данного минерала его свежую поверхность прочерчивают осколком другого минерала с известной твердостью. Практически в качестве условных эталонов твердости можно использовать ноготь - твердость 2,5, стекло - 5, лезвие ножа - 5÷5,5 (рис. 1).
Рис. 1. Определение твердости минералов
