Минералы. Физика горных пород – это учение о физико-технических свойствах и физических процессах в горных породах

МИНЕРАЛЫ И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

2012.09.05

Физика горных пород – это учение о физико-технических свойствах и физических процессах в горных породах, закономерностях изменения свойств и принципах их использования при решении задач горного производства.

Физика горных пород (ФГП) оформилась в самостоятельный раздел горной науки в 1960-х годах.

По объектам исследований ФГП близка к геологическим наукам: кристаллографии, минералогии, петрографии. Без знания минерального состава и структурно-текстурных особенностей пород и условий их залегания невозможно изучение физических свойств пород, обоснованное объяснение физических явлений, происходящих в них.

По методам исследований ФГП близка к физике твердого тела, однако изучаемые ею объекты значительно разнообразнее, более сложные и зависят от большего количества случайных факторов. Законы возникновения и влияния всех этих факторов учесть одновременно практически невозможно. Поэтому в ФГП широко применяют закономерности и корреляционные зависимости физических свойств пород от различных факторов, установленные экспериментально с использованием теории вероятностей и математической статистики.

Литосфера ( от греческого lithos –камень) – внешняя, относительно прочная оболочка твердой Земли мощностью 450–500 км.

Земная кора – твердая внешняя оболочка литосферы Земли толщиной 6–33 км является потенциальной зоной добычи полезных минералов.

Земную кору формируют 12 основных химических элементов с примерным содержанием:

кислорода О₂ – 47 %;

кремния Si – 29,5 %;

алюминия Al – 8,05 %;

железа Fe – 4,65 %;

кальция Са – 2,6 %;

натрия Na – 2,5 %;

калия К – 2,5 %;

магния Mg – 1,87 %;

титана Ti – 1,45 %;

марганца Mn – 0,1 %;

углерода С и хлора Сl – незначительное количество.

Тип, название и физические свойства горных пород и процессы, происходящие в них при разработке месторождений полезных ископаемых, зависят главным образом от их минерального состава (относительного содержания в породе минералов) и строения (вида сложения горных пород из минералов и минеральных агрегатов). Поэтому надежные данные о вещественном составе, строении горных породных массивов являются важнейшей исходной информацией, необходимой для решения всего комплекса горно-строительных и эксплуатационных работ.

Под минералом понимают природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов в земной коре. В большинстве это твердые кристаллические химические соединения. К минералам относят все самородные металлы и неметаллы. Всего известно около 3 000 различных минералов.

Минералы различают, соответственно, по их химическому составу, внутреннему строению и физическим свойствам.

Ведущим фактором, определяющим свойства минералов, является их химический состав.

По химическому составу минералы делят на шесть основных групп:

1. самородные элементы (группы золота, железа, платины, серы, углерода и др.);

2. сульфиды (соли сероводородной кислоты). Сульфиды представлены главным образом пиритом FeS₂ (серный колчедан), галенитом PbS (свинцовый блеск), киноварью HqS, сфалеритом ZnS (цинковая обманка) и халькопиритом СиFeS₂ (медный колчедан).

3. оксиды;

4. силикаты;

5. галоидные соединения. К галоидным соединениям относят флюорит CaF₂ (плавиковый пшат), галит NaCl (каменная соль), сильвин КСl, карналлит KCl×MgCl₂×6H₂O.

6. соли кислородных кислот.

Абсолютное большинство минералов относят к типу кислородных соединений. К кислородным соединениям относят окислы и гидроокислы (магнетит, гематит, корунд, хромит и др.), силикаты и алюмосиликаты (полевые пшаты, амфиболы, каолинит, асбесты, слюды, тальк, хлориты, кварц, опал, нефелин и др.), сульфаты (барит, гипс, ангидрит), вольфрамиты (вольфрамит, шеелит), фосфаты (апатит) и карбонаты (соли угольной кислоты, например, кальцит, доломит, сидерит, малахит, азурит, арагонит и др.).

По внутреннему строению минералы бывают кристаллическими и аморфными. Подавляющее большинство минералов имеет кристаллическое строение, которое характеризуется тем, что образующие их частицы (атомы, ионы, радикалы) расположены закономерно, наподобие узлов пространственных решеток.

Известно семь типов (сингоний) кристаллических решеток, характеризующих отношения величин кристаллических осей и углов между ними:

триклинная, моноклинная, ромбическая, тетрагональная, тригональная, гексагональная и кубическая.

По физическому состоянию минералы делят на:

- твёрдые (угли ископаемые, горючие сланцы, торф, рудные и нерудные п. и.);

- жидкие (нефть, минеральные воды);

- газообразные (газы природные горючие и инертные).

Процессы и условия образования минералов очень сложны и чрезвычайно разнообразны. Их можно разделите на три группы:

эндогенные, экзогенные и метаморфические.

Эндогенный процесс минералообразования совершается в недрах земной коры. Характерной особенностью этого процесса является высокая температура и давление.

Минералы, образующиеся при эндогенных процессах, обладают в основном большой плотностью, твердостью и стойкостью к воде, кислотам, щелочам.

Экзогенный процесс приурочен к поверхности Земли, где протекают сложные явления взаимодействия литосферы с гидросферой, атмосферой и биосферой.

В этом процессе минералы образуются на суше, а также путем выпадания их из водных растворов (озер, морей и др.). В частности, выпаданием из водных растворов образуются минералы – соли: галит, сильвин, мирабилит и др.

В экзогенном процессе ряд минералов возникает и за счет жизнедеятельности организмов.

Экзогенные минералы весьма разнообразны по своим свойствам, большей частью они имеют низкую плотность и твердость и активно взаимодействуют с водой.

Метаморфический процесс характеризуется перерождением ранее образовывавшихся минералов (эндогенного и экзогенного происхождения) под влиянием высоких давлений и температур, а также газов и воды.

Под воздействием этих факторов происходит перекристаллизация минералов и изменение их первоначального состава. Таким путем образуются, например, роговая обманка, тремолит, актинолит и др.