Учебно-методическое пособие. к самостоятельной работе и лабораторным занятиям

к самостоятельной работе и лабораторным занятиям

по дисциплине «Почвоведение с основами геологии»

для студентов направлений 110400 «Агрономия»,

110500 – «Садоводство» и 120700 – «Землеустройство и кадастры»

Екатеринбург 2013

МИНЕРАЛЫ И ИХ РОЛЬ В ПЛОДОРОДИИ ПОЧВ.- Методические указания к самостоятельной работе и лабораторным занятиям по дисциплине «Почвоведение с основами геологии» для студентов направлений 110400 «Агрономия», 110500 – «Садоводство» и 120700 – «Землеустройство и кадастры».- УрГАУ, 2012, 36с.

 

 

Рекомендована методической комиссией факультета

 

Протокол № от 201г.

Председатель ___________

 

Составитель: к.с.-х.н., профессор УрГСХА Байкин Ю.Л.

 

Рецензент: д.с.-х.н., профессор Кандаков Н.В.

 

 

© УрГСХА, кафедра агрохимии, земледелия агроэкологии

 

 

Содержание

 

Общая характеристика минералов …………………………..4

Классификация минералов……………………………………5

Внутреннее строение минералов……………………………..5

Агрегаты минералов…………………………………………..6

Физические свойства минералов……………………………..7

Краткий определитель минералов…………………………...16

Роль минералов в плодородии почв………………………….31

Литература……………………………………………………..35

 

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МИНЕРАЛАХ

Минералы - это природные химические соединения или самородные элементы, возникающие в результате разнообразных физико-химических процессов, протекающих в земной коре и на ее поверхности.

Изучением минералов занимается раздел геологии - минералогия. Различают твердые, жидкие и газообразные минералы. К жидким минералам относят воду, самородную ртуть, к газообразным - газы атмосферы и некоторые газы, выделяющиеся из почвы и земной коры (метан, сероводород, аммиак, сернистый ангидрид и прочие). Минералогия изучает, главным образом, твердые металлы. Из минералов состоят различные горные породы и основная масса твердой фазы почв. Минералы встречаются также в рассеянном виде или образуют незначительные скопления в земной коре.

В настоящее время в природе известно более 2500 минералов, не считая разновидностей, но только незначительная часть их (около 50) имеют существенное значение образовании горных пород, слагающих земную кору. Они называются породообразующими.

По условиям образования минералы подразделяются на две крупные группы: 1) эндогенные (греч. "эндо" - внутри) минералы, связанные с процессами происходящими внутри земной коры и верхней мантии, - магматизмом и метаморфизмом. Минералы эндогенного происхождения являются первичными; 2) экзогенные (греч. "экзо" - снаружи) минералы, образующиеся на поверхности земной коры в результат выветривания (химического изменения) или путем осаждения из водных растворов. Экзогенные минералы являются вторичными. Минералы входят в состав всех горных пород. Многие минералы являются полезными ископаемыми. К ним относятся драгоценные и поделочные камни, металлические руды, минералы, применяемые в производстве металлов в качестве флюсов; минералы, используемые в производстве стекла, огнеупоров, абразивов, минеральных удобрений (агроруды), химических реактивов и т.д.

Первичные и вторичные минералы составляют 90% и более массы твердой фазы почв и оказывают влияние на ряд ее физико-химических свойств, в том числе и на ее плодородие. Естественно, что от того, какие минералы, в каком количестве и в каком соотношении составляют почву, в значительной степени будут зависеть и ее агрономические качества. Поэтому знание свойств основных почво- и породообразующих минералов, пути и продукты их преобразования в почвах, умение диагностировать эти минералы являются важным звеном в изучении дисциплины "Почвоведение".

 

КЛАССИФИКАЦИЯ МИНЕРАЛОВ

 

В основу современной классификации минералов положен кристаллохимический принцип, т.е. химический состав и кристаллическое строение.

Выделяют следующие основные классы минералов:

1. Самородные элементы.

2. Сульфиды.

3. Галоиды.

4. Оксиды и гидрооксиды

5. Соли кислородных кислот (карбонаты, сульфаты, нитраты, фосфаты, бораты, силикаты и др.)

 

ВНУТРЕННЕ СТРОЕНИЕ МИНЕРАЛОВ

 

По внутреннему строению твердые минералы могут быть аморфными или кристаллическими. В кристаллических минералах ионы, атомы или молекулы расположены в определенном порядке, от которого зависит форма кристалла. В аморфных минералах те же частицы вещества расположены хаотично. Кристаллические минералы имеют ряд особенностей, резко отличающих их от аморфных. Аморфное вещество в отличие от кристаллического не имеет определенной точки плавления, поэтому при нагревании переходит в жидкое состояние, постепенно размягчаясь.

Особенность кристаллических веществ - анизотропность, проявляющаяся в том, что в зависимости от направления в кристалле меняются свойства: механические, термические, электрические, химические и т.п. Аморфные вещества изотропны, т.е. свойства у них во всех направлениях одинаковы. Важным свойством кристаллических веществ является их способность самоограняться и образовывать кристаллы определенной формы, характерной и постоянной для данного состояния. Так, например, кристаллы каменной соли имеют форму куба, минералы берилла - форму шестигранной призмы и т.д.

 

АГРЕГАТЫ МИНЕРАЛОВ

 

Агрегатами называются естественные скопления минералов. Наиболее часто встречаются следующие агрегаты:

1. Зернистые - сросшиеся зерна минералов (апатит, каменная соль, пирит и т.д.)

2. Плотные, когда нельзя различить контуры отдельных зерен даже в лупу (халцедон).

3. Землистые - напоминают внешним видом рыхлую почву, легко растираются между пальцами (каолинит).

4. Игольчатые, призматические, волокнистые (гипс-селенит, асбест).

5. Листоватые, пластинчатые, чешуйчатые - состоят из легко отделимых кончиком ножа листочков или чешуек.

6. Натечные формы - образуются в результате выделения минералов в твердом виде из раствора. Имеют вид сосулек (сталактиты и сталагмиты), почек и т.д. (малахит, гематит).

7. Конкреции - характеризующиеся шарообразной, почковидной, вытянутой и другими формами и имеют радиально-лучистое строение. Конкреции бывают различных размеров - от нескольких миллиметров до нескольких метров (фосфорит, пиролюзит, боксит).

8. Секреции - образуются в результате заполнения минеральным веществом пустот в горных породах. Отложение вещества идет от периферии к центру. Секреции крупных размеров (более 10 мм в поперечнике) называют жеодами (кальцит, кварц).

9. Друзы - крупные кристаллы, прикрепленные одним концом к общему основанию (горный хрусталь).

10. Щетка - мелкие кристаллы, плотно сидящие рядом на каком-либо основании.

11. Оолиты - небольшие (1-4 мм) размеров шарики, имеющие концентрическое скорлупозатое строение (бурый железняк, пиролюзит).

12. Дендриты - формы, возникающие при быстрой кристаллизации в тонких трещинах или вязком веществе (например, в глине). Напоминают веточки дерева (например, ледяные узоры на окнах).

 

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ

 

Внешними признаками минералов наряду с формой их кристаллов являются их физические свойства6 твердость, плотность, спайность, хрупкость, упругость, пластичность, ковкость, оптические свойства (окраска, блеск, прозрачность и т.д.), магнитные и электрические свойства, а также вкус, запах и ощущение при прикосновении, т.е. восприятие минералов на ощупь гладкими, твердыми, шероховатыми и т. п. Все они позволяют определить минерал по внешним признакам. Наиболее важные признаки описываются ниже.

Блеск - это свойство минерала определенным образом отражать падающий на него свет.

По характеру блеска минералы делят на две группы:

1. Минералы с металлическим блеском (блеск стального ножа, металлической оправы часов и т.д.). К этой группе относят минералы с полуметаллическим или металловидным, т.е. с более слабым металлическим блеском4

2. Минералы с неметаллическим блеском.

Среди них различают:

а) алмазный - сильный, искрящийся цвет (киноварь, сфалерит, алмаз и др.);

б) стеклянный - блеск поверхности оконного стекла, менее сильный, чем алмазный (наблюдается на многих минералах);

в) перламутровый - отливающий радужными отблесками (кальцит, опал и др.);

г) шелковистый - мерцающий. Характерен исключительно для минералов, имеющих волокнистое строение. Сходен с блеском шелковой ткани, при повороте куска минерала отблеск скользит вдоль волокон (гипс, асбест);

д) жирный - поверхность минерала кажется смазанной маслом (сера, апатит, нередко галит и сильвин)

е) восковой - более слабый, чем жирный (халцедон).

Минералы, не имеющие блеска, имеют матовую поверхность.

Твердость - это сопротивление твердого тела механическому разрушению в поверхностном слое.

Немецкий минералог Ф.Мосе в 1811 г.. предложил шкалу, в которой эталонные минералы располагаются в порядке возрастающей твердости. Каждый ее минерал, начиная с гипса, царапают острым углом все предыдущие минералы.

Шкала твердости минералов Мооса

Класс твердости	Эталонный минерал	Способ определения (чем царапается)	Группа твердости
1.	тальк	ногтем	Мягкие (1 - 2)
2.	гипс	ногтем
3.	кальцит	медной монетой
4.	флюорит	железным гвоздем	Средней твердости (3 - 5)
5.	апатит	стеклом
6.	полевой шпат	стальным ножом
7.	кварц	твердыми минералами	Твердые (6 - 10)
8.	топаз
9.	корунд
10.	алмаз

Для определения классов твердости исследуемого минерала им последовательно царапают минералы шкалы, начиная с менее твердых. Этим способом устанавливаются два минерала, из которых один царапается исследуемым минералом, а другой нет. Твердость испытуемого минерала будет находиться между твердостью этих минералов шкалы или равна твердости последнего минерала.

Точно установление твердости минерала в классах шкалы Мооса обычно не производят. Для определения минералов в большинстве случаев достаточно установить группу твердости (мягкие, средние, твердые). Мягкие минералы царапаются ногтем. На минералах средней твердости ноготь царапины не оставляет, а минералы не оставляют царапины на стекле. Твердые минералы царапают, а наиболее твердые (алмаз, корунд) режут стекло. Твердость ногтя, по шкале Мооса, примерно равна 2,5, стекла - 5,5. При определении твердости на стекле нужно убедиться действительно ли на нем образовалась царапина, а не след от порошка испытуемого минерала. Для этого нужно след протереть и установить, сохранилась ли царапина.

Цвет минерала. По цвету среди минералов различают цветные, бесцветные и окрашенные (примесями или облучением). Минералы, цвет которых отличается наибольшим постоянством, используются в качестве эталонов окраски:

 

Цвет	Минерал	Цвет	Минерал
Белый	- Каолинит	Зеленый	- Малахит
Желтый	- Аурипигмент, сера	Синий	- Азурит
Оранжевый	- Крокоит	Фиолетовый	- Аметист
Красный	- Киноварь	Бурый	- Лимонит
Розовый	- Родонит	Черный	- Графит

Кроме основных цветов при характеристике минерала выделяют оттенки: темно-зеленый (оливин), латунно-желтый (пирит), свинцово-серый (молибденит) и прочие.

Окраска многих минералов в зависимости от наличия каких-либо примесей может быть различной. Так, кварц, бесцветный в виде горного хрусталя может быть окрашен в фиолетовый (аметист0, серый (раухтопаз), черный (морион), желтый (цитрин) и другие цвета.

При повороте образцов некоторых минералов под определенным углом к свету на их поверхности проявляются различные оттенки (радужные, золотистые, красные, синие и др.). Такая окраска носит название побежалости и вызывается тонкими окисленными пленками на поверхности минералов (халькопирит).

Характерным признаком при определении минералов лабрадора и беломорита является иризация - появляющийся на гранях их кристаллов при повороте к свету красивый синий отлив.

Черта. Если провести исследуемым минералом по твердой шершавой поверхности (неглазурованная фарфоровая пластинка, обожженный кирпич, напильник и т.п.) на последней многие минералы оставляют след, называемый " Чертой". Черта - это цвет порошка минерала. У ряда минералов цвет минерала и черты совпадают, у других резко отличается. Так, блестящий, латунно-желтого цвета пирит оставляет черную черту, халькопирит (бронзово-желтый) - зеленовато-черную, гипс (белый) - белую. Твердые минералы обычно черты не дают.

Спайность. Под спайностью понимают способность минераловраскалываться по определенным направлениям с образованием поверхностей, ограниченных ровными плоскостями. Поверхности спайности расположены параллельно возможным граням кристаллов. Спайность связана с расположением атомов в кристаллической решетке.

Степень проявления спайности и число ее направлений неодинаковы для разных минералов.

1. Спайность весьма совершенная наблюдается у слюд и других листоватых минералов в одном направлении.

2. Спайность совершенная. При раскалывании образуются только ровные спайные выколки, с ровными блестящими поверхностями. Совершенная спайность может быть выражена у одних минералов в одном направлении (топаз) у других в двух направлениях (полевые шпаты) или в трех направлениях (галенит, кальцит, галит).

3. Спайность средняя. На минерале образуются как плоскости так и неровные поверхности (авгит, роговая обманка).

4. Спайность несовершенная. При раскалывании минерала плоскости спайности практически не видны, преобладают неровные поверхности (апатит, сера).

5. Спайность весьма несовершенная. Спайность отсутствует (кварц, корунд).

6. При раскалывании минералов, лишенных спайности или обладающих плохой спайностью, возникают незакономерные поверхности излома, которые по внешнему виду могут характеризоваться как: раковистые (опал, халцедон), неровные (кварц), зернистые (пирит), занозистые (гипс), крючковатые (самородное серебро), землистые (лимонит) и т.п.

Плотность - это масса единицы объема минерала.

По плотности выделяют три группы минералов:

1) легкие - плотность до 2.4 г/см³

2) средние - от 2,4 до 3,0 г/см/см³

3) тяжелые - более 3,0 г/см³

Точное определение плотности, для которого требуются специальные весы на лабораторных занятиях не проводится. Для определения группы плотности берут образец минерала с известной плотностью и сравнивают с ним близкий по объему кусок исследуемого минерала прикидкой тяжести на руке.

 

ПРИЗНАКИ ОТДЕЛЬНЫХ МИНЕРАЛОВ.

1. Магнитность - свойство немногих минералов, в т.ч. магнетита. Для проверки на магнитность образец подводят к концу свободно вращающейся стрелки компаса. Если минерал магнитен, стрелка отклоняется и следует за минералом при вращении его вокруг компаса.

2. Жирность на ощупь - ощущается, если провести пальцем по поверхности минерала с твердостью 1 (тальк, графит).

3. Запах - некоторые минералы распознаются по запаху, который появляется после определенного воздействия на исследуемый образец. Так, глинные минералы издают запах сырой глины, если подышать на образец. Два куска фосфорита при трении друг о друга издают запах жженой кости. Многие сернистые минералы при действии раствора кислоты выделяют сероводород. Мышьяковистые минералы при раскалывании издают чесночный запах.

4. Ряд минералов, в особенности легкорастворимые соли, можно различить на вкус, например, каменная соль (солевая), сильвин - жгуче-соленый и т.д. Для определения растворимости минерала нужно наскоблить ножом небольшое количество минерала и смочить несколькими каплями воды. Вкус определяется на обмытой поверхности куска минерала.

5. Пластичность - свойство минерала во влажном состоянии сохранять приданную форму. Характерна для глинистых минералов.

6. Вскипание от разбавленной (10%) соляной или серной кислоты. Поверхность минерала или его порошок смачивают из пипетки каплей 10% HCl или H₂SO₄ (может быть уксусная кислота). Из кальцита, мела, мрамора с шипением или потрескиванием выделяется углекислый газ, образующий быстро опадающую пену. Доломит и магнезит слабее реагируют с кислотой (см. определитель). После пробы на вскипание минерал следует обмыть водой.