2.3.1.3. Кристаллохимическая классификация минералов

Существует несколько классификаций минералов. Для решения инженерно-геологических задач используются следующие систематики:

– по распределению минералов (количественному содержанию и частоте встречаемости в земной коре) минералы делятся на две группы: редкие и породообразующие. В табл.4 (с.47, графа 3) приведена информация о видах и распространённости некоторых типичных представительней минералов.

– Согласно генетической классификации, минералы разделяются по способу образования, при этом учитываются их физические свойства и внешние признаки (гл. 2.2.1.2).

– В кристаллографической классификации за основу принята внешняя форма минералов. Военный учёный, акад. А.В. Гадолин в 1867 г. математически доказал и вывел 32 точечные группы симметрии кристаллов и получил за неё в 1868 г. Ломоносовскую премию.

– В основе кристаллохимической классификации лежат внутренняя структура и химический состав минералов. Эта классификация наиболее полно отражает свойства минералов, условия их образования в природе и является основной.

Согласно кристаллохимической классификации, все минералы делятся на 10 основных классов: I – силикаты; II – карбонаты; III – оксиды; IV – гидроксиды; V – сульфиды природные; VI – сульфаты; VII – галоиды; VIII – фосфаты; IX – вольфраматы; X – самородные элементы. Ниже – краткое описание этих классов, в частности, сведения по дефиниции (истолкованию), распространённости, растворимости, роли и значимости для строительной и иной промышленной отрасли, а также их особенностях.

1. Силикаты (лат. silex – кремень) – соли кремниевых кислот nSiO₂·mH₂O. Сложные соединения, в состав которых входят Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, O, H и др. элементы, образующие кристаллические решётки с основным элементом в виде кремний-кислородного тетраэдра SiO . Чрезвычайно широко распространены полевые шпаты, слюда, глины, асбест (хризотил), тальк, гранит, гнейс, базальт, изумруд, топаз, аквамарин и др. Силикаты подразделяются на 10 характерных групп, одна из которых – группа амфиболов, включающая хризотил-асбест, расщепляющийся на волокна диаметром 0,1 мк. Эти волокна канцерогенны и небезопасны в производстве, применении и эксплуатации асбестовых материалов и изделий. Асбоцементные материалы и изделия требуют особых мер защиты при производстве, эксплуатации и ликвидации.

2. Карбонаты – соли угольной кислоты H₂CO₃. Распространены они широко, преимущественно в осадочных скальных породах (кальцит (спартаит), магнезит, доломит, малахит). Широко используются в строительстве как естественные строительные материалы, добываемые в карьерах⁶, и перерабатываемые в щебень, каменную крошку, дроблёный песок и минеральный порошок. Не менее широко карбонаты применяются в заводском производстве искусственных строительных материалов: гидравлических вяжущих веществ (цементов разных типов), наполнителей, сухих строительных смесей⁷. Относятся к карстующимся малорастворимым породам.

III. Оксиды – соединения химических элементов с кислородом О₂. Формируются в условиях экзогеных процессов минералообразования. Распространены повсеместно. Примеры: кварц, корунд, гематит, шпинель. Используются в металлургии, стекольной и фарфоровой промышленности, а также в оптике, при изготовлении ювелирных и художественных изделий, пьезоэлектрических датчиков⁸, абразивных изделий (точильные круги, наждаки и пр.).

IV. Гидроксиды – минералы, содержащие водные оксиды металлов. Представляют собой осадочные породы морских водоёмов: опал, лимонит, гётит, гидрогётит. Имеют локальное распространение и используются в составе трепела, опоки, наполнителей, а также для производства краски – железной охры.

V. Сульфиды природные – соли сероводорода⁹ H₂S в виде сернистых соединений металлов и некоторых полуметаллов. Обнаруживают себя в магме, в зоне вторичного обогащения, в осадочных породах, а также в метеоритах и образцах, доставленных с Луны. Составляют основу руд цветных и редких металлов в соответствующих месторождениях. Наиболее известны руды металлов: пирит (серный колчедан), халькопирит, сфалерит, киноварь, галенит и др. для производства серной кислоты, меди, цинка, ртути, свинца.

В поверхностных отложениях земной коры сульфиды и их аналоги с элементами только I и II групп таблицы Д.И. Менделеева (Li, K, Na, Ba) являются растворимыми, а с элементами III…VIII групп (As, Mo, Bi, Fe) – нерастворимыми. Руды в таких отложениях отличаются неустойчивостью, легко разрушаются и окисляются с переходом в легкорастворимые сульфаты. Неудивительно, что месторождения сульфидов предрасположены к карстопроявлениям сульфидного типа, что наблюдается на территории юго-восточной окраины Башкортостана¹⁰.

VI. Сульфаты – соли серной кислоты H₂SO₄. Распространённость довольно частая. Относятся к типичным минералам осадочных образований (гипс, ангидрит, барит, мирабилит). Являются основным сырьём для получения воздушного вяжущего (строительного и формовочного) гипса, а также ангидритового цемента, включающего 10…20 %-ные добавки (медный купорос, известь, доменный шлак). Сульфаты слагают толщи растворимых карстующихся пород, требующих повышенного внимания, чем при наличии, к примеру, в толщах земной коры карбонатных пород. Растворимость сульфатов изменяется в широком диапазоне в зависимости от минерального состава, дисперсности и скважности (гл. 4.4.3).

VII. Галогены – соли соляной кислоты HCl. Составная часть осадочных пород (галит, карналлит, сильвин, сильвинит, флюорит). Используется в пищевой промышленности (галит), в химической промышленности (сильвин), в металлургии, оптике, для получения эмалей и цветных стёкол (флюорит). Обладают хорошей растворимостью.

VIII. Фосфаты – соли ортофосфорной кислоты H₃PO₄. В природе встречаются соли метафосфорных кислот, имеющих общую формулу H_nP_nO_3n, где n может принимать значения от 3 до 8. В основном, эти кислоты не выделены в свободном состоянии, известны в виде смесей, в водных растворах или в виде соответствующих солей. Распространение ограниченное. Основной представитель – апатит, разрабатываемый для получения удобрений, фосфора (г. Апатит), в т.ч. для спичечной промышленности.

IХ. Вольфраматы – соли вольфрамовой кислоты H₂WO₄. Распространённость небольшая. Представлены такими минералами, как вольфрамит и шеелит. Оба минерала добываются как руда. Незаменимы в электротехнике, в режущих и буровых инструментах. Вольфрам отличается очень высокой плотностью 19,3 г/см³, тугоплавкостью (3400 ºС), твёрдостью и износоустойчивостью. Вольфрамат натрия используют в производстве пигментов. Вольфрамат кальция, бария, магния – люминофоры.

Х. Самородные элементы – минералы, химический состав которых отвечает отдельным химическим элементам, т.е. они не состоят в композиции с другими элементами, «радикалами», водой. Генезис – магматический, гипергенный, метаморфический. Включают металлы (платина, золото, серебро, медь) и металлоиды (алмаз, графит, сера). Одними из первых обнаружены человеком (пример – золото, открытое 5000 лет назад).

В табл. 4 приведены справочные сведения о 10 перечисленных выше классах минералов, в т.ч. информация о количестве видов, распространённость (в % массы земной коры), типичные представители и химическая формула.

Таблица 4 – Кристаллохимическая классификация минералов