Горные породы и минералы

Камни вокруг нас кажутся очень разными: одни светлые, другие почти чёрные, одни легко крошатся, другие настолько твёрдые, что их трудно поцарапать. В геологии такие природные материалы изучают как горные породы и минералы. Эти понятия связаны, но обозначают не одно и то же.

Минерал — природное неорганическое вещество с определённым химическим составом и упорядоченным внутренним строением. Горная порода — природная масса, состоящая из одного или нескольких минералов либо другого природного минерального материала. Например, гранит обычно содержит несколько минералов, среди которых часто встречаются кварц, полевые шпаты и слюды. Поэтому гранит — порода, а кварц — минерал.

Главное различие между породой и минералом

Самый удобный способ запомнить разницу — сравнить породу со смесью строительных деталей. Минералы можно представить как отдельные «кирпичики», из которых сложена порода. Это сравнение не идеально, потому что некоторые породы устроены сложнее, но для начального понимания оно подходит.

Минерал имеет характерный химический состав и внутреннюю кристаллическую структуру. Порода определяется прежде всего происхождением и сочетанием минералов. Поэтому два куска гранита могут немного отличаться цветом и размером зёрен, но оба относиться к одной группе пород.

Как узнают минералы

По одному цвету определить минерал нельзя: один и тот же минерал может иметь разные оттенки из-за примесей, а разные минералы могут выглядеть похоже. Поэтому геологи используют сразу несколько признаков.

Твёрдость

Твёрдость показывает, насколько минерал сопротивляется царапанию. Для сравнения минералов часто используют шкалу Мооса от 1 до 10. В ней тальк имеет твёрдость 1, а алмаз — 10. Минерал с большим номером может поцарапать минерал с меньшим номером.

Шкала не означает, что алмаз «в десять раз твёрже» талька. Числа показывают порядок твёрдости, а не равные ступени.

Блеск

Блеском называют то, как поверхность минерала отражает свет. Он может быть металлическим, стеклянным, перламутровым, шелковистым и другим. Например, свежая поверхность кварца часто имеет стеклянный блеск.

Цвет черты

Если минералом провести по специальной неглазурованной фарфоровой пластинке, остаётся порошок определённого цвета — черта. Иногда цвет черты помогает отличить внешне похожие минералы. Проводить такой тест дома случайной посудой не стоит: можно повредить предмет или получить острые осколки.

Спайность и излом

Некоторые минералы раскалываются по определённым плоскостям. Это свойство называют спайностью. Другие ломаются неровно или раковисто. Например, кварц обычно не имеет хорошей спайности и часто образует раковистый излом.

Почему минералы образуют кристаллы

Атомы внутри минерала расположены не беспорядочно, а по определённому повторяющемуся принципу. Благодаря этому при подходящих условиях минерал может образовывать кристаллы с характерной формой.

Но красивый правильный кристалл растёт только тогда, когда ему хватает пространства и времени. В обычной горной породе минеральные зёрна часто мешают друг другу, поэтому внешняя форма кристалла может быть неполной или вообще незаметной.

Три главные группы горных пород

Горные породы делят на три основные группы по происхождению: магматические, осадочные и метаморфические. Такое деление показывает не просто внешний вид камня, а историю его образования.

Магматические породы

Магматические породы образуются при охлаждении и затвердевании расплавленного вещества. Если расплав находится под землёй, его называют магмой. Когда он выходит на поверхность, говорят о лаве.

При медленном охлаждении глубоко в земной коре кристаллы успевают вырасти крупнее. Так образуются многие крупнозернистые породы, например гранит. Если лава быстро остывает у поверхности, зёрна обычно очень мелкие. Базальт — распространённая вулканическая порода такого типа.

Осадочные породы

Осадочные породы образуются из осадка, который накапливается слоями. Частицы могут возникать при разрушении более старых пород и переноситься реками, ветром или ледниками. Со временем осадок уплотняется, а его частицы могут скрепляться минеральным цементом.

Песчаник состоит главным образом из сцементированных песчаных зёрен. Конгломерат содержит более крупные округлые обломки. Известняк часто формируется из карбонатного материала и может содержать остатки морских организмов.

Именно в осадочных породах особенно часто находят окаменелости, потому что осадки могут быстро покрывать и сохранять остатки организмов.

Метаморфические породы

Метаморфические породы возникают, когда уже существующая порода сильно изменяется под действием высокой температуры, давления и химически активных флюидов, но не плавится полностью. Минералы перекристаллизуются, возникают новые структуры и иногда новые минералы.

Например, известняк при метаморфизме может превратиться в мрамор, а песчаник, богатый кварцем, — в кварцит. Если порода расплавится, это уже будет начало образования магматической породы, а не метаморфизм.

Круговорот горных пород

Горная порода не обязана навсегда оставаться одного типа. На Земле постоянно идёт круговорот горных пород. Магматическая порода может подняться к поверхности, разрушиться, превратиться в осадок, а затем — в осадочную породу. Если она окажется глубже и попадёт под высокую температуру и давление, может стать метаморфической.

При ещё большем нагревании порода способна расплавиться. После охлаждения расплава возникнет новая магматическая порода. При этом нет единственного обязательного пути: порода может несколько раз разрушаться и переноситься, метаморфическая порода может снова метаморфизоваться, а любая порода у поверхности подвергается выветриванию.

Как горные породы связаны с почвой

Минеральная часть многих почв в конечном счёте связана с разрушением горных пород. Выветривание дробит породу и изменяет минералы. Получаются песчаные, пылеватые и глинистые частицы. Затем к ним добавляется органическое вещество, действуют вода, воздух и живые организмы — так развивается почва.

Однако почва не всегда образуется из породы, лежащей прямо под ней. Материал может быть принесён рекой, ветром или ледником. Поэтому происхождение почвенного материала бывает сложным.

Кварц — один из самых известных минералов

Кварц состоит из диоксида кремния и очень распространён в земной коре. Он встречается в гранитах, песчаниках и многих других породах. Кварцевые зёрна устойчивы к выветриванию, поэтому часто составляют значительную часть песка.

Кварц бывает бесцветным, белым, дымчатым, фиолетовым и других оттенков. Фиолетовую разновидность называют аметистом. Разный цвет связан с примесями и особенностями кристаллической структуры.

Полевые шпаты

Полевые шпаты — большая группа минералов, очень распространённых в земной коре. Они входят в состав гранита и множества других магматических пород. При химическом выветривании полевые шпаты могут изменяться и участвовать в образовании глинистых минералов.

Это хороший пример связи геологии и почвоведения: минерал в горной породе постепенно разрушается, а продукты его изменения становятся частью рыхлого материала, из которого развивается почва.

Слюды

Слюды легко узнавать по способности раскалываться на тонкие пластинки. Они бывают светлыми и тёмными. В граните нередко можно заметить блестящие пластинки слюды рядом с кварцем и полевыми шпатами.

Но по одному блеску нельзя уверенно определять минерал. В природе много похожих веществ, поэтому геолог всегда сравнивает несколько признаков.

Кальцит и известняк

Кальцит — минерал, состоящий из карбоната кальция. Он является главным компонентом многих известняков и мраморов. Кальцит реагирует с разбавленной кислотой с выделением пузырьков углекислого газа, но проводить химические опыты с неизвестными камнями без учителя или взрослого не следует.

Известняк широко используют как строительный материал и сырьё для производства цемента и извести. Мрамор ценят как декоративный камень.

Гранит и базальт: две магматические породы

Гранит обычно имеет заметные кристаллы разных минералов. Он формируется при медленном охлаждении магмы на глубине. Его часто используют в строительстве, облицовке и памятниках.

Базальт обычно тёмный и мелкозернистый. Он образуется при быстром охлаждении лавы на поверхности или близко к ней. Огромные площади океанического дна состоят главным образом из базальтовых пород.

Эти два примера показывают, как скорость и место охлаждения расплава влияют на вид породы.

Песчаник и известняк: осадочные породы

Песчаник легко представить: песчаные зёрна постепенно накапливаются, уплотняются и скрепляются природным цементом. Цвет песчаника зависит от состава зёрен и цемента.

Известняк образуется иначе. Большая его часть состоит из карбоната кальция. Он может возникать из скоплений раковин и скелетных остатков морских организмов или при химическом осаждении вещества из воды.

Поэтому даже внутри одной большой группы — осадочных пород — существуют разные пути образования.

Мрамор и гнейс: что происходит при метаморфизме

Мрамор возникает при перекристаллизации известняка. Его кристаллы кальцита становятся более крупными и плотными, а первоначальная слоистость и окаменелости обычно исчезают.

Гнейс — метаморфическая порода, часто имеющая светлые и тёмные полосы. Такая полосчатость связана с перераспределением минералов при высоких температуре и давлении. Гнейс может образовываться из разных исходных пород, в том числе из гранитоподобных.

Минералы в жизни человека

Минеральные ресурсы окружают нас повсюду. Железные руды дают сырьё для получения железа, кварцевый песок используется в производстве стекла, глинистые минералы — в керамике, гипс — в строительных материалах. Медные минералы нужны для получения меди, которая используется в электрических проводах.

При этом изделие не обязательно состоит из того же минерала, который добыли из земли. Часто руда проходит дробление, обогащение, плавку и другие технологические процессы, а затем металл становится частью совершенно нового материала.

Что такое полезное ископаемое

Полезными ископаемыми называют природные минеральные образования земной коры, которые человек использует как сырьё или источник энергии. К ним относят руды металлов, строительные материалы, соли, уголь, нефть и природный газ. Поэтому выражения «минерал» и «полезное ископаемое» не являются полными синонимами.

Например, кварц — минерал. Песок, содержащий много кварцевых зёрен, может быть полезным ископаемым, если его добывают и используют. Нефть является полезным ископаемым, но минералом её не называют.

Как геологи изучают камни

В полевых условиях геолог описывает цвет, размер зёрен, слоистость, наличие кристаллов и другие признаки. Для минералов сравнивают твёрдость, блеск, спайность и цвет черты. Затем образцы могут изучать под микроскопом или исследовать химическими и физическими методами.

Внешнего вида иногда недостаточно. Очень похожие образцы могут иметь разный состав, а одна и та же порода в разных местах выглядит по-разному. Поэтому точное определение требует опыта и, иногда, лабораторных приборов.

Безопасный школьный способ наблюдать породы

Для коллекции лучше использовать небольшие образцы, которые разрешено собирать. Нельзя откалывать камни от памятников природы, зданий и геологических объектов, где сбор запрещён. Не стоит брать неизвестные ярко окрашенные порошкообразные минералы голыми руками или пробовать камни на вкус.

Образец можно рассмотреть лупой и записать:

• основной цвет и дополнительные оттенки;
• видны ли отдельные зёрна;
• есть ли слои или полосы;
• блестит ли поверхность;
• пористый камень или плотный;
• есть ли заметные кристаллы.

Даже без точного названия такое описание уже учит наблюдать признаки, которыми пользуются геологи.

Почему камни рассказывают историю Земли

Породы сохраняют сведения об условиях своего образования. Застывшая лава говорит о вулканизме. Слои песчаника показывают накопление осадка. Морские окаменелости в известняке могут свидетельствовать, что территория когда-то находилась под водой. Метаморфические породы указывают на воздействие высокой температуры и давления в глубине земной коры.

Изучая последовательность слоёв, минералы, возраст пород и их взаимное положение, геологи восстанавливают события, происходившие миллионы и миллиарды лет назад.

Что важно не перепутать

• Порода и минерал — не одно и то же.
• Цвет не является надёжным единственным признаком минерала.
• Метаморфическая порода изменяется без полного плавления.
• Магма находится под землёй, а расплав, вышедший на поверхность, называют лавой.
• Почва связана с разрушением пород, но не является просто «измельчённым камнем».
• Круговорот пород не имеет одного обязательного маршрута.

Краткий план доклада

1. Что такое минерал и горная порода.
2. Как отличают минералы по свойствам.
3. Магматические породы и их образование.
4. Осадочные породы и накопление осадка.
5. Метаморфические породы и действие температуры и давления.
6. Круговорот горных пород и связь пород с почвой.
7. Значение минералов и горных пород для человека.

Вывод

Минералы — природные вещества с определённым химическим составом и внутренним строением, а горные породы состоят из одного или нескольких минералов и других природных минеральных материалов. По происхождению породы делят на магматические, осадочные и метаморфические. Они постоянно преобразуются в ходе круговорота горных пород: разрушаются, превращаются в осадки, изменяются под давлением и температурой, плавятся и снова кристаллизуются. Изучая породы и минералы, человек узнаёт историю Земли, понимает происхождение почв и получает важнейшее сырьё для строительства, техники и повседневной жизни.