title-icon
Яндекс.Метрика
» » Вещественный состав горных пород

Вещественный состав горных пород

В составе горных пород различают твердую (минеральную) и подвижные (жидкую и газовую) фазы. Петрографическая принадлежность горной породы, а также важнейшие ее свойства как физического тела определяются составом и строением минеральной фазы. Определенное влияние на свойства горных пород оказывают Подвижные (особенно жидкая) фазы, заполняющие поровое пространство. Так, поровые водные растворы служат причиной снижения прочности (размягчаемости) горных пород, объемных деформаций (разбухания и усадки) высокодисперсных пород, появления ионной электропроводимости и т. д.
Вещество минеральной фазы горных пород индивидуализировано в виде минералов в абсолютном большинстве кристаллического строения. Свойства минеральных составляющих оказывают непосредственное влияние на свойства горных пород.
Б свою очередь свойства минералов зависят от их химического состава и внутреннего строения. Химический состав является ведущей стороной природы свойств минералов, поэтому основные типы минералов разделяют на классы по характеру электроотрицательности анионов (величина электроотрицательности определяется энергией притяжения атомов валентных электронов при соединении с другим атомом).
Внутреннее строение минералов при данных термодинамических условиях зависит от химического состава, состояния химических связей и свойств атомов. Структурными особенностями обусловлены наиболее существенные различия в свойствах минералов данного класса. Поэтому подклассы минералов выделяются по структурным признакам.
Межатомные связи в кристаллических решетках минералов обеспечиваются силами межатомных взаимодействий различной природы. Выделяются ионная, ковалентная, металлическая, молекулярная межатомные структурные связи. Наибольшей прочностью отличаются ковалентные связи, наименьшей — молекулярные. Ионные и металлические связи занимают промежуточное положение. Для большинства минералов характерно сочетание двух и более типов структурных связей. Лишь у некоторых минералов (например, у кварца и галита) структурные связи одного типа. Кроме того, существуют промежуточные типы структурных связей. Акад. Н.В. Беловым предложено изображать взаимопереходы между различными типами структурных связей в виде тетраэдра, в вершинах которых лежат представители ионной, ковалентной, металлической и молекулярной связей, а на ребрах — многочисленные соединения с промежуточными типами структурных связей.
Атомы (ионы) обычно входят в структуры кристаллических решеток минералов в определенных сочетаниях, образующих многогранники, полиэдры. В центре этих полиэдров размещаются катионы, в вершинах — анионы. Полиэдры можно рассматривать как элементарные структурные образования кристаллических решеток минералов. В зависимости от координационного числа катиона возникают сочетания в виде плоских треугольников, тетраэдров или трехгранных призм, кубов и т. д.
Структурные связи в кристаллических решетках обнаруживают ту или иную направленность, проявляющуюся в различной мере у связей разных типов. Преимущественное направление связей (сцепления) атомов и их сочетаний (полиэдров) в пространстве определяет структурный мотив (структурный тип) кристаллической решетки минерала. Основными структурными типами кристаллических решеток минералов являются координационный, каркасный, островной, кольцевой, цепной и слоистый. Наибольшее число минеральных видов имеют островное строение. Лишь 50 видов от их общего числа, составляющего более 2500, имеют каркасную структуру. Однако они слагают основную массу земной коры. К этой группе, в частности, относятся полевые шпаты, кварц и некоторые другие наиболее распространенные породообразующие минералы. Минералы координационной и островной структур отличаются наивысшей ретикулярной плотностью (т. е. наиболее плотной упаковкой атомов). Ретикулярная плотность минералов слоистой и каркасной структур минимальная. Однако эта плотность кристаллической решетки одного и того же минерального вида меняется с изменением направления. Такая особенность лежит в основе анизотропности свойств минералов.
Большая группа свойств минералов обнаруживает тесную зависимость от особенности внутреннего строения и в первую очередь от структурного мотива кристаллической решетки минерала и типа внутрикристаллизационных структурных связей. К ним относятся прочностные и деформационные (т. е. механические) и акустические свойства. Их объединяет то, что в основе тех и других лежат упорядоченные движения нейтральных комплексов, контролируемые структурными факторами. Электронные (электрические, магнитные, оптические) свойства, напротив, обнаруживают более тесную связь с особенностями вещественного (в том числе фазового состава). В их основе лежат движения заряженных частиц и комплексов. В этом отношении теплофизические свойства занимают промежуточные положения, и они, как известно, обусловлены неупорядоченными движениями нейтральных комплексов.
Твердость, иначе местная прочность минерала на вдавливание, зависит от структурного мотива и природы структурных связей. Для минералов ионной связи она прямо пропорциональна ретикулярной плотности кристаллической решетки. Соответственно она снижается с уменьшением межатомных расстояний. Твердость таких кристаллов возрастает также с увеличением валентности и координационного числа атомов. В минералах с промежуточными типами структурных связей заметно возрастание твердости с увеличением степени ковалентности связей. В минералах координационной структуры с существенно металлической связью твердость возрастает с переходом от плотнейшей кубической упаковки к плотнейшей гексагональной. Наименьшей твердостью обладают структуры с молекулярными связями.
В зависимости от отмеченных факторов абсолютная твердость минералов варьирует от 2,4 (тальк) до 10060*10в7 Н/м2 (алмаз).
Сжимаемость минералов характеризуется объемным коэффициентом сжимаемости р, значения которого колеблются от 0,2—0,8 до 3,2—6,4*10в-11 м2/Н (табл. 1). Сжимаемость минералов уменьшается с возрастанием ковалентности связи и возрастает при появлении молекулярной связи (тальк, графит, некоторые цепные и кольцевые силикаты с молекулярными связями между слоями, цепями и кольцами).

Минералы координационной и островной структур, отличающиеся высокой ретикулярной плотностью, слабосжимаемы. Высокой сжимаемостью отличаются минералы, состоящие из крупных малозарядных (одновалентных) ионов (галит, сильвин, квасцы). Сжимаемость обратно пропорциональна валентности и координационному числу.
Упругие и акустические свойства. Наблюдается множественность абсолютных значений упругих параметров в минералах. В минералах кубической сингонии их три, а в минералах триклинной сингонии достигает 21. Анизотропность упругих свойств минералов нередко весьма значительна, о чем можно судить по скоростям распространения упругих волн. Так, в микроклине скорость распространения продольных упругих колебаний в разных направлениях варьирует в пределах 5,1—8,15 км/с, а скорость распространения поперечных волн — в пределах 2,14—4,91 км/с. Наименьшие значения модуля нормальной упругости наблюдается в направлениях, по которым нет спайности.
На упругих свойствах минералов сказывается изоморфное замещение атомов. Так, в плагиоклазах при переходе от кислых к основным наблюдается возрастание скорости распространения упругих колебаний и соответственно модулей упругости.
Минералы кубической сингонии в отношении упругих (акустических) свойств изотропны.
Спайность минералов. К своеобразным проявлениям механических свойств минералов относится спайность, т. е. способность раскалываться или расщепляться по плоскостям в строго определенных направлениях — параллельно плоским сеткам кристаллической решетки. В минералах с металлической и ковалентной связями спайность всегда проходит параллельно направлению наиболее удаленных друг от друга плоских сеток. В минералах с промежуточной ионно-ковалентной связью образование спайности зависит от состава плоских сеток. Спайность отчетливая, когда смежные сетки состоят из одинаковых ионов, и менее отчетлива, когда они построены из равного числа разноименных ионов. В минералах с островным, цепным и слоистым мотивами плоскости спайности обычно не разрывают связи между полиэдрами, образующими острова, цепи и слои. Минералы кубической сингонии в отношении теплофизических свойств изотропны, кристаллы остальных сингонии всегда анизотропны.

title-icon Подобные новости