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 названы породообразующими. К ним относятся кварц, полевые шпаты, слюды, железисто-магнезиальные минералы, карбонаты и сульфаты.

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°С кварц не реагирует с известью Са(ОН)2, но в среде насыщенного водяного пара и при температуре 150 — 200°С 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°С кварц из β-модификации переходит в α-модификацию, скачкообразно увеличиваясь в объеме примерно на 1,5%. При температуре 870°С кварц переходит в тридимит, значительно увеличиваясь в объеме, так как плотность тридимита равна 2260 кг/м3, а 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 К2О, Na2О, CaO. Полевые шпаты имеют плоскости спайности, легко раскалываются по этим плоскостям и отличаются различной окраской. Твердость их равна 6 (на одну единицу ниже, чем у кварца). По характеру проявления спайности полевые шпаты делят на ортоклазы и плагиоклазы. Ортоклазы K2O∙Al203∙6Si02 — прямо раскалывающиеся минералы; плагиоклазы — косо раскалывающиеся. К последним относятся альбит, или натриевый полевой шпат Na2O∙Al2O3∙6SiO2, и анортит, или кальциевый полевой шпат CaO∙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 2Н2О), входящий в состав глин, а иногда и кальцит (СаСО3).

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 слюда биотит непрозрачна и имеет темный, а иногда и черный цвет; мусковит прозрачен, так как не имеет этих примесей. 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. Твердость 5,5 — 7,5, плотность 3000 — 3600 кг/м3. 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 СаСО3 — 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 MgCQ3∙CaCO3 — минерал, который по химическому составу представляет собой двойную углекислую соль магния и кальция. Доломит по физическим свойствам аналогичен магнезиту.

Гипс CaSO4 2H2O представляет собой минерал пластинчатого, волокнистого или зернистого строения, мягкий (твердость 2), плотность 2300 кг/м3. 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 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 сплошные массы могут 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.