Химический способ распознавания минералов, его достоинства и недостатки

2. Химический способ распознавания минералов, его достоинства и недостатки

Для определения минералов пользуются различными методами: кристаллографическим – при изучении кристаллов минералов, измерении углов между гранями, установлении вида симметрии кристаллов; рентгенометрическим – для установления внутренней кристаллической структуры; кристаллооптическим – при определении ряда оптических показателей, свойственных данному минералу; химическим – при проведении полного химического анализа.

Как известно, ни одно месторождение не может быть разведано и оценено без выполнения большого количества химических анализов и других лабораторных исследований. Все шире, вместо классической аналитической химии, внедряются современные физические и физико-химические методы исследования: спектроскопия, колориметрия, пламенная фотометрия, рентгеноспектральный анализ, квантометрия и др. методы. Радиоактивационные (ядерные) методы химического анализа открывают новые возможности, позволяют с меньшими затратами быстро и точно определять состав минералов и горных пород. Успешно развивается изотопная геология.

Все эти методы требуют сложного лабораторного оборудования и довольно дороги, поэтому в практике дорожного строительства с достаточной точностью минералы можно определять макроскопическим (полевым) методом по внешним признакам.

3. Классификация обломков и частиц осадочных горных пород, принятая в дорожном строительстве

Изверженные горные породы подвергаются медленному выветриванию, в результате которого видоизменяются и разрушаются. Интенсивность процессов видоизменения и разрушения пород связана, с одной стороны, с их составом и свойствами, а с другой - с характером воздействия таких природных агентов, как вода, воздух, колебания температуры.

Продукты разрушения изверженных горных пород, представляющие собой обломки различных размеров, тонкие минеральные частицы и растворенные в воде химические вещества, остаются на месте своего образования или перемещаются с помощью воды, ветра, ледников или силы тяжести.

В результате накопления минеральных масс на дне водных бассейнов или на суше образуются осадки, которые после их преобразования создают горные породы, получившие название осадочных.

Осадочные породы слагают самую верхнюю часть земной коры и занимают значительную площадь. Они образуются в результате трех процессов: 1) накопления или осаждения обломочного материала, получившегося при разрушении ранее сформировавшихся горных пород (изверженных, осадочных и метаморфических); 2) химического осаждения растворенных веществ; 3) жизнедеятельности организмов.

Важным признаком многих осадочных пород является их слоистость, т.е. расположение пород в толще земной коры параллельными слоями или пластами. Отдельные слои отличаются друг от друга окраской, составом и свойствами. Для многих осадочных пород характерна также большая пористость, наличие окаменелых остатков ранее живших организмов (раковин, костей, игл и т.д.) или их отпечатков.

В образовании осадочных пород, кроме минералов первичного происхождения (кварц, слюда, ортоклаз и др.), принимают участие минералы вторичные - кальцит, гипс, ангидрит, каолинит, монтмориллонит и др. Во многих случаях вторичные минералы преобладают в породе (глинистые породы).

Осадочные горные породы, учитывая их происхождение, разделяют на четыре группы, представленные в табл. 1. При этом, учитывая наличие или отсутствие цементизации, производят более дробное их деление.

 

Таблица 1 - Классификация осадочных пород

Группа пород	Породы (по виду связи)
	рыхлые	связные	сцементированы ые
Крупно-обломочные и песчаные	Окатанные: валуны, галька, гравий	-	Конгломераты
	Неокатанные: камни, щебень, дресва	-	Брекчии
	Пески	-	Песчаники
Глинистые	-	Супеси, суглики, глины	Сланцеватые глины (аргиллиты), алевролиты
Химические	-	__	Галоиды (каменная соль и др.), сульфаты (гипс, ангидрит) и др.
Органические (органогенные)			Карбонатные (известняки и доломиты), кремнистые (трепел, опока), углеродистые (каменный и бу­рый угли)

Свойства рыхлых пород и их пригодность для использования в дорожном строительстве сильно зависят от преобладания в составе породы обломков тех или иных размеров; классификация пород по этому признаку представлена в табл. 2.

Таблица 2 - Классификация крупных обломков, принятая в дорожном строительстве

Диаметр обломков и частиц, мм	Наименование обломков и частиц
	окатанных	неокатанных
>200 200-100 100-70 70-2,0	Валуны Булыжник Галька Гравий	Крупные камни Камни Щебень крупный Щебень, дресва

В случае значительного преобладания обломков или частиц того или иного размера, горная порода именуется по их размеру.

Валуны и булыжник представляют собой крупные, в различной степени окатанные обломки изверженных, осадочных и метаморфических горных пород - гранитов, известняков, песчаников и др.

Наибольшее количество крупнообломочного материала накапливается у подножия гор. Здесь мощность таких отложений может достигать 10 м и более.

Образование валунов связано с геологической деятельностью ледников. Они повсеместно встречаются в Карелии, Прибалтике, Ленинградской области и в других районах северо-западной части СССР, куда занесены ледниками, надвигавшимися с севера. Валуны и булыжник применяют для изготовления щебня, мощения дорог и кладки фундаментов. Среди валунов и булыжников могут встречаться разности, сложенные сильно разрушенными породами, поэтому их необходимо подвергать тщательному осмотру и сортировке.

Галька и гравий представляют собой окатанные обломки горных пород средней крупности. В природе они часто встречаются в смеси с песчаными, пылеватыми и глинистыми частицами, а иногда с валунами.

По преобладанию тех или иных пород или минералов различают гравий кремнистый, кварцевый, гранитный, известняковый, опоковый и т.д.

Галька и гравий образовались в результате геологической деятельности ледников, морей, рек и временных водных потоков.

Ледниковый гравий и гравий временных водных потоков характеризуются слабой окатанностью и повышенным содержанием пылеватых и глинистых частиц. Гравий морской и речной, наоборот, отличаются большой окатанностью, особенно морской, и весьма малым содержанием пылеватых и глинистых частиц.

На территории СССР галька и гравий распространены по берегам рек и морей, по всей средней и северной частям страны, когда-то занятым ледником, а также в предгорных и горных районах.

Гальку и гравий широко применяют в дорожном строительстве для устройства гравийных покрытий или оснований под усовершенствованные покрытия.

Песок является рыхлой, несвязной породой и представляет собой скопление мелких обломков различных минералов, преимущественно кварца, полевых шпатов, слюды и пр. Среди песчаных частиц могут содержаться в том или ином количестве более крупные гравийные зерна и более мелкие пылевато-глинистые частицы.

По минеральному составу различают пески кварцевые, когда почти все песчаные частицы состоят из кварца, слюдистые, когда кроме кварца содержится заметное количество слюды, полевошпатовые, когда зерна песка состоят из кварца и полевых шпатов, и др. Учитывая физические свойства и минеральный состав частиц, песчаными называют частицы размером 2-0,05 мм (см. табл. 2).

По строительным стандартам, учитывая, что отделить от песка гравийные частицы размером более 5 мм значительно легче и с меньшими затратами энергии, чем частицы более 2 мм, песком называют рыхлые породы, содержащие частицы менее 5 мм. При этом учитывают и то, что включение в состав песка мелких гравийных частиц размером 2-5 мм улучшает качество песка как строительного материала, а удаление из массы гравия или щебня частиц размером 2-б мм улучшает строительные свойства этих материалов.

Сцементированные обломочные горные породы. Рыхлые обломочные горные породы в природных условиях могут подвергаться уплотнению, а затем и цементации каким-либо естественным веществом. Наибольшее значение из них имеют конгломераты, брекчии и песчаники. Естественным цементом могут быть глинистые частицы, углекислая известь, окись кремния, гидроокись железа и т.д. По составу цементирующего вещества эти породы называют глинистыми, известковыми, кремнистыми, железистыми и др. (например, железистый песчаник, известковый конгломерат и т.д.). Изредка встречаются также породы, в которых природным цементом служит битум (вязкое органическое вещество, состоящее из смеси углеводородных соединений); такие породы носят название битуминозных.

Конгломерат представляет собой гравий или гальку, сцементированный тем или иным природным цементом. Чаще всего таким цементом служит углекислая известь, но могут также встречаться конгломераты с глинистым, железистым, кремнистым и другими цементами.

Образование конгломератов связано с движением воды, богатой солями, в пустотах обломочной породы и отложением солей на поверхности обломков и между ними. Дальнейшее физико-химическое изменение этих веществ приводит к цементации породы, прочность которой зависит от качества природного цемента, его количества и характера распределения в массе породы. Наибольшую прочность имеют кремнистые конгломераты.

В местах залегания конгломераты обычно весьма неоднородны и часто связаны постепенными переходами с рыхлым гравием или галькой. Встречаются конгломераты сравнительно редко, в виде ясно выраженного слоя или гнездообразных скоплений в гравийных месторождениях. Конгломераты известны в Крыму, Средней Азии, на Урале и в других местах. После дробления породы они используются в дорожном строительстве в качестве щебня.

Когда каким-либо природным веществом сцементированы неокатанные обломки (естественный щебень), такую породу называют брекчией. Брекчии встречаются у подножий крутых горных склонов, где накапливаются продукты разрушения горных пород. Большинство брекчей сцементировано глинистым или известковым веществом.

Песчаники образовались в результате цементации каким-либо природным веществом песков различного минерального состава.

Песчаники разделяются: по крупности песчаных зерен - на крупно-, средне- и мелкозернистые; по характеру природного цемента - на глинистые, известковые, кремнистые, железистые, битуминозные и др.; по минеральному составу - на кварцевые, слюдистые и аркозовые.

Кремнистые песчаники, сцементированные кремнеземом, в которых зерна кварца нельзя отличить от цемента даже при рассмотрении в лупу, называют кварцитами. Они характеризуются пределом прочности при сжатии 100 МПа и выше и отличаются большой морозостойкостью. Их широко применяют для изготовления штучных камней (брусчатки, шашки для мощения, бордюрных и облицовочных камней), реже - для щебня.

Известковые песчаники могут иметь различную прочность и морозостойкость, что связано с количеством цемента, характером распределения его в массе породы и пористостью породы. Некоторые из них отличаются высокой прочностью и значительной морозостойкостью, другие же, наоборот, имеют небольшую прочность (20-40 МПа) и часто неморозостойки.

Глинистые и железистые песчаники чаще бывают малопрочными и неморозостойкими. Только в некоторых случаях прочность их достигает 40-50 МПа. Лучшие разновидности этих песчаников могут быть использованы лишь для изготовления бутового камня для кладки фундаментов и нижних слоев дорожных покрытий.

Органогенные породы. К ним относятся породы, в образовании которых приняли участие животные или растительные организмы. Большинство населяющих моря и океаны организмов как крупных, так и микроскопических, имеют скелет. Материалом для него служат растворенные в морской воде углекислый кальций и окись кремния. После отмирания организмов скелетные образования падают на морское дно, где образуют осадки. Известковая и кремнеземистая масса претерпевают там сложные изменения (перекристаллизацию, уплотнение, химическое взаимодействие и т.п.), постепенно превращаясь в сцементированную горную породу.

В процессе образования органогенных горных пород можно выделить ряд этапов. Уже при накоплении осадков имеет место частичное уплотнение их, а в нижней части осадочной толщи - даже некоторая цементация. Примером этого вида образования могут служить скопления ракушки или малопрочного известняка-ракушечника, встречающиеся слоем мощностью до 5 м и более вдоль берегов Азовского, Черного и Каспийского морей.

На последующих стадиях формирования породы происходят сложные изменения в накопившемся материале: содержащийся в раковинах углекислый кальций частично кристаллизуется в форме минерала кальцита, связывая при этом отдельные элементы породы. Наряду с этим происходит разложение остатков органического вещества, заполнение одних пустот и образование других.

В дальнейшем органогенная порода претерпевает изменения, связанные с внутренним взаимодействием составных частей породы и перекристаллизацией всей массы. В результате этого порода становится более прочной. Перечисленные процессы протекают весьма медленно и часто исчисляются десятками и сотнями миллионов лет.

Из органогенных пород наибольшее значение как каменные дорожно-строительные материалы получили известняки и доломиты.

Известняки представляют собой горную породу, главной составной частью которой является углекислый кальций. Последний может находиться в кристаллическом состоянии (кальцит) или в форме массы, внешне лишенной кристаллического строения и остатков скелетных частей организмов.

Кроме СаСО3 в известняках могут содержаться примеси глины, песка, окиси кремния, MgCO3 и органических веществ.

Различные примеси оказывают существенное влияние на свойства известняков: прочность, водопоглощение, морозостойкость и др.

Чистые разновидности известняков (более 95% СаСО3) обычно имеют белый цвет; примеси глины и окислов железа делают их серыми, желтыми, розовыми и даже красными. Темно-серый или черный цвет свидетельствует о присутствии углистых или битуминозных веществ. Примесь глины повышает водопоглощение и снижает морозостойкость известняков. Примеси углекислого магния и окиси кремния часто весьма благоприятно влияют на строительные свойства породы, так как при этом возрастают ее прочность и устойчивость против атмосферных воздействий. В особенности это относится к кремнистым известнякам.

Чистые известняки и песчанистые известняки в куске вскипают от действия 10%-ной соляной кислоты при комнатной температуре. Глинистые известняки вскипают слабо, а кремнистые и доломитовые - лишь в порошке при нагревании.

Известняки могут иметь самое разнообразное строение и сложение. По этим признакам их делят на следующие разновидности.

Кристаллические, или мраморовидные, в которых простым глазом можно различить кристаллы известкового шпата (кальцита). Плотные, в которых составляющие породу зерна совершенно не различимы невооруженным глазом. Пористые, содержащие большое число видимых пустот. Различают мелкопористые и крупнопористые (дырчатые) известняки, когда в породе имеются отдельные весьма крупные пустоты. Землистые, или меловидные, обычно мягкие, легко истирающиеся; к ним относится также мел. Раковистые, содержащие некоторое количество хорошо сцементированных раковин. Если же порода состоит из слабо сцементированных раковин или из их обломков, то такой известняк называют ракушечником.

Наибольшей прочностью и морозостойкостью обладают плотные кремнистые, доломитовые и чистые разновидности известняков. мраморовидные известняки того же химического состава обладают большой прочностью, однако они могут быть пронизаны скрытыми трещинами, что приводит к их разрушению под действием мороза за сравнительно короткий промежуток времени. Наименьшей прочностью и морозостойкостью отличаются глинистые и меловидные известняки, а также известняки-ракушечники.

Необходимо отметить относительно небольшую твердость известняков, определяющую большое истирание их в дорожных покрытиях, а также способность к прочному сцеплению с битумами и другими органическими вяжущими материалами. Последнее является важным положительным свойством известняков.

Доломиты. Доломиты представляют собой плотные, иногда кристаллические горные породы, состоящие в основном из минерала доломита (СаСО3-МgСОз). По внешнему виду и физико-механическим свойствам доломиты близки к доломитовым известнякам, с которыми они связаны постепенными переходами.

При действии соляной кислоты доломиты вскипают только при нагревании в виде порошка. Твердость доломитов несколько выше, чем известняков - 3,5-4,0. Все сказанное о свойствах и применении в строительстве прочных известняков относится и к доломитам. Кроме того, они используются в цементной промышленности для изготовления магнезиальных цементов.

Мергели - это породы, состоящие из смеси углекислого кальция (кальцита) и глины. Содержание СаСО3 в мергеле в среднем составляет 50-60 %. При содержании СаСО3 в количестве 25-50 % породу называют глинистым мергелем.

Мергели образуются в морских бассейнах, лагунах и пресноводных озерах, т.е. в местах одновременного отложения карбонатного и глинистого материала. По физико-механическим свойствам мергели близки к глинистым известнякам. Применяются в качестве сырья для изготовления цемента в цементной промышленности. Опоками называют сцементированные горные породы, состоящие в основном из аморфного кремнезема (SiO2 • nH2O). Подобно известнякам они образуются на дне морей из кремниевых панцирей диатомовых водорослей. Опоки характеризуются очень малой плотностью (1,1-1,8 т/м³) и большим объемом тончайших пор (20-45%), размер которых настолько мал, что они не видны невооруженным глазом. При погружении куска опоки в воду выделяется большое количество пузырьков воздуха; иногда при этом порода растрескивается и распадается на обломки.

Опоки обычно имеют желтую окраску с серым или зеленым оттенком. Прочность их при сжатии колеблется в пределах 3-25 МПа. Все виды опок неморозостойки.

Опоки характеризуются хрупкостью, раковистым изломом, а также своей химической активностью, которая выражается в том, что они могут вступать в химическое взаимодействие с гашеной известью.

По химическому составу и происхождению к опокам близка порода, называемая трепелом. Он имеет такую же, как и опоки, окраску, но отличается от них рыхлым землистым сложением. Трепел, как и опоки, широко применяется в цементной, лакокрасочной, нефтяной, пиротехнической и других видах промышленности. Опоки и трепел широкий полосой залегают вдоль всего восточного склона Уральского хребта.

Химические породы. Породы этой группы (см. табл. 1) образовались в результате выпадения осадков из солевых растворов при повышении их концентрации или химического взаимодействия между различными солями. К этим породам относятся гипс, известковый туф, оолитовый известняк и др.

Гипс представляет собой горную породу, состоящую из мелкокристаллического или волокнистого минерала того же наименования (CaSO4 • 2H2O). Цвет гипса - белый, желтый, серый, розовый. Гипс характеризуется незначительными твердостью (1,5-2,0) и прочностью.

Безводный природный гипс называется ангидритом; он отличается от гипса несколько большей твердостью (3,0-3,5). Гипс и ангидрит служат сырьем для изготовления вяжущих материалов (алебастра, гипсо-ангидритового цемента и др.), а также применяются в химической промышленности.

Известковый туф - крупнопористая горная порода, состоящая почти целиком из углекислой извести, образовался путем выделения углекислой извести из горячих источников при выходе их на поверхность и охлаждении.

Оолитовый известняк представляет собой породу, состоящую из мелких округленных зернышек кальцита, сцементированных естественным кальцитовым цементом. Строительные качества оолитовых известняков невысокие. Они неморозостойки и характеризуются прочностью при сжатии порядка 15-20 МПа.