Породообразующие Минералы

Строительные свойства горных пород в значительной степени зависят от их минералогического состава. Одни минералы отличаются высокой прочностью, твердостью, химической стойкостью (кварц), другие имеют низкую прочность, размокают в воде (гипс). Отдельные минералы обладают спайностью и способны легко расщепляться по одному или нескольким направлениям (слюда), понижая этим прочность породы, в состав которой они входят, и т. д.

Отличительными показателями минералов служат их химический состав и физические свойства - плотность, твердость.

Среди большого разнообразия природных минералов только небольшая их часть принимает основное участие в образовании горных пород. Поэтому они названы породообразующими минералами (полевые шпаты, слюды, железисто-магнезиальные минералы, карбонаты и сульфаты).

Породообразующий минерал кварц по химическому составу представлен диоксидом кремния SiO2. Это наиболее распространенный минерал земной коры, находящийся в природе в виде самостоятельной горной породы (кварцевых песка и стекла, горного хрусталя) или входящий в состав полиминеральных горных пород. Плотность кварца 2650 кг/м3, твердость 7, предел прочности при сжатии около 2000 МПа. Кварц стоек к действию кислот, за исключением плавиковой, и обладает высокой атмосферостойкостью. При температуре 18...20°C кварц не реагирует с известью Ca(OH)2, но в среде насыщенного водяного пара и при температуре 150... 200°C вступает с ней в реакцию, образуя гидросиликаты. Этим свойством кварца пользуются, получая искусственные каменные материалы из смеси кварцевого песка и извести, называемые силикатными. При повышении температуры кварц претерпевает физические изменения. Так, при температуре 575°C кварц из β-модификации переходит в α-модификацию, скачкообразно увеличиваясь в объеме примерно на 1,5%. При температуре 870°C кварц переходит в тридимит, значительно увеличиваясь в объеме, так как плотность тридимита равна 2260 кг/м3, β-кварца - 2650 кг/м3. При температуре 1710°С кварц плавится, образуя после быстрого остывания кварцевое стекло.

Полевые шпаты по химическому составу представляют собой алюмосиликаты - соединения кремнезема с оксидом алюминия и оксидами щелочных металлов K2O, Na2O, CaO. Полевые шпаты имеют плоскости спайности, легко раскалываются по этим плоскостям и отличаются различной окраской. Твердость их равна 6. По характеру проявления спайности полевые шпаты делят на ортоклазы и плагиоклазы. Ортоклазы K2O•Al2O3•6SiO2 - прямо раскалывающиеся минералы; плагиоклазы - косо раскалывающиеся. К последним относятся альбит, или натриевый полевой шпат Na2O•Al2O3•6SiO2, и анортит, или кальциевый полевой шпат СаО•Al2O3•2SiO2. Полевые шпаты имеют предел прочности на сжатие 120...170 МПа, плотность - от 2500 (ортоклаз) до 2760 кг/м3 (анортит). По сравнению, например, с кварцем они легко выветриваются, т. е. разрушаются под действием атмосферных агентов - влаги, углекислого газа. Продуктами выветривания являются алюмосиликаты, в частности каолинит Al2O3•2SiO2•2H2O, входящий в состав глин, а иногда и кальцит CaCO3.

Слюды водяные алюмосиликаты сложного и разнообразного состава. Их делят на два вида: биотит и мусковит. В биотите содержатся примеси в виде оксида магния и железа, вследствие чего биотит непрозрачен и имеет темный, а иногда и черный цвет; мусковит прозрачен, так как не имеет этих примесей. Породообразующие минералы слюды легко расщепляются на тонкие упругие пластинки, что характеризует их совершенную спайность. Плотность мусковита 2760... 3100 кг/м3, а биотита 2800...3200 кг/м3, твердость 2...3. Биотит входит в состав многих изверженных горных пород. Выветривается он быстрее, чем мусковит. Последний встречается в изверженных и осадочных горных породах.

К железисто-магнезиальным минералам относятся пироксены (наиболее распространенный представитель - авгит), амфиболы (роговая обманка) и оливин. Железисто-магнезиальные минералы имеют сложный химический состав; в основном это силикаты магния и железа. Они имеют темную окраску зеленого, бурого, а иногда и черного цвета. Плотность 3000...3600 кг/м3, твердость 5,5...7,5. Минералы этой группы (за исключением оливина) обладают высокой ударной вязкостью и стойкостью против выветривания. Продуктом выветривания оливина является серпантин, одна из разновидностей которого, хризолит-асбест, имеет волокнистое строение и состоит из тончайших, очень прочных волокон. Перечисленные минералы входят преимущественно в изверженные горные породы.

Важнейшими породообразующими минералами осадочных горных пород являются кальцит, магнезит, доломит, гипс и ангидрит.

Кальцит CaCO3 (известковый шпат) является одним из наиболее распространенных минералов земной коры. Кальцит образует крупно-, средне- и мелкозернистые породы; плотность его 2700 кг/м3, твердость 3. Кальцит растворим в воде (0,03 г в 1 л), бурно реагирует с кислотами. Вода, содержащая СО2, действует на кальцит разрушающе, так как при этом образуется кислый углекислый кальций Са(НСО3)2, который растворим в воде более чем в 100 раз по сравнению с СаСО3.

Магнезит MgCO3 в отличие от кальцита встречается в природе значительно реже, он имеет несколько большую твердость и меньшую растворимость, чем кальцит.

Доломит MgCO3•СаСО3 - минерал, который по химическому составу представляет собой двойную углекислую соль магния и кальция. Доломит по физическим свойствам аналогичен магнезиту. Часто можно встретить как производят лего кирпич из отсевов известняка и доломита.

Гипс CaSO4•2H2O представляет собой минерал пластинчатого, волокнистого или зернистого строения, плотность 2300 кг/м3, мягкий - твердость 2. Гипс имеет белый цвет, иногда окрашен примесями в различные цвета: серый, красноватый, желтоватый и черный. Гипс обладает сравнительно легкой растворимостью в воде (примерно в 75 раз большей, чем кальцит).

Ангидрид CaSO4 - безводная разновидность гипса. Плотность ангидрита 2800...3000 кг/м3, твердость 3...3,5; цвет от красновато-белого до серого. При длительном воздействии воды ангидрит способен перейти в гипс с незначительным увеличением объема.

Каолинит представляет собой водный силикат алюминия. Отдельные пластинки и чешуйки его бесцветны, а сплошная масса может иметь белый, желтоватый, буроватый и голубовато-зеленоватый цвета. Твердость 2,5.

Пирит, серный колчедан FeS2, апатит (кальциевая соль фосфорной кислоты) и другие встречаются в горных породах в качестве второстепенных минералов.