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 эти минералы принято называть породообразующими, к таковым относятся кварц, полевые шпаты, слюды, железисто-магнезиальные минералы, карбонаты и сульфаты.
Кварцпо химическому составу является диоксидом кремния Si0 2. 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/м 3, 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 Са(ОН) 2, но в среде насыщенного водяного пара и при температуре 150–200 °C вступает с ней в реакцию, образуя гидросиликаты. Это свойство кварца используется при получении каменных материалов из смеси кварцевого песка и извести, именуемых силикатными. При повышении температуры кварц претерпевает физические изменения. Так, при температуре 575 °C кварц из (3-модификации переходит в a-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/м 3, (3-кварца – 2650 кг/м 3. При температуре 1710 °C кварц плавится, образуя после быстрого остывания кварцевое стекло.
Полевые шпатыпо химическому составу представляют собой алюмосиликаты – соединения кремнезема с оксидом алюминия и оксидами щелочных металлов. 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– прямо раскалывающиеся минералы; плагиоклазы– косо раскалывающиеся. К последним относятся альбит (натриевый полевой шпат) и анортит (или кальциевый полевой шпат). Полевые шпаты имеют предел прочности на сжатие 120–170 МПа, плотность – от 2500 (ортоклаз) до 2760 кг/м 3(анортит). По сравнению, например, с кварцем они легко выветриваются. Продуктами выветривания являются алюмосиликаты, в частности каолинит, входящий в состав глин, а иногда и кальцит.
Слюды —водяные алюмосиликаты сложного и разнообразного состава. Их делят на два вида: биотит и мусковит. В биотитесодержатся примеси в виде оксида магния и железа, вследствие чего этот минерал непрозрачен и имеет темный, а иногда и черный цвет; мусковитпрозрачен, так как не имеет этих примесей. Слюды легко расщепляются на тонкие упругие пластинки, что характеризует их совершенную спайность. Плотность мусковита 2760–3100 кг/м 3, а биотита 2800–3200 кг/м 3, 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 минераламотносятся 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/м 3, 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 состав изверженных горных пород.
Важнейшими породообразующими минералами осадочных горных пород являются кальцит, магнезит, доломит, гипс и ангидрит.
Кальцит(известковый шпат) является одним из наиболее распространенных минералов земной коры.
Кальцит образует крупно-, средне– и мелкозернистые породы; плотность его 2700 кг/м 3, твердость 3. Он растворим в воде (0,03 г в 1 л), бурно реагирует с кислотами. Вода разрушает кальцит, так как при этом образуется кислый углекислый кальций, который растворим в воде более чем в 100 раз по сравнению с СаС0 3.
Магнезит, в отличие от кальцита, встречается в природе значительно реже, он имеет несколько большую твердость и меньшую растворимость, чем кальцит.
Доломит —минерал, который по химическому составу представляет собой двойную углекислую соль магния и кальция. Доломит по физическим свойствам аналогичен магнезиту.
Гипспредставляет собой минерал пластинчатого, волокнистого или зернистого строения, плотность 2300 кг/м 3, 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).
Ангидрит —безводная разновидность гипса. Плотность ангидрита 2800–3000 кг/м 3, твердость 3–3,5; цвет – от красновато-белого до серого. При длительном воздействии воды ангидрит способен перейти в гипс с незначительным увеличением объема.
Каолинитпредставляет 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, апатит (кальциевая соль фосфорной кислоты) и другие встречаются в горных породах в качестве второстепенных минералов.
