Минералы Урала в школьной коллекции

ШКОЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

Конкурс исследовательских работ

Секция: ХИМИЯ. КРАЕВЕДЕНИЕ

Минералы Урала в школьной коллекции

Козманишвили Дмитрий

МОУ «СОШ №33», 10 класс, г. Озерск

Научный руководитель:

Кулакова Ирина Владимировна,

учитель МОУ «СОШ №33»

Г. Озерск, 2013/2014 учебный год

Содержание:

Введение ………………………………………………………………….......3

Теоретическая часть

1. Минералогия как наука……………………………………….……..5
2. Понятие минералов и горных пород……………………………….6

Практическая часть

1. Сбор минералов. Месторождения минералов……………………….……..8
2. Определение минералов……………………………………………………...9
3. Минералогия города Озерска………………………………………………10
4. Классификация минералов…………………………………………………11
5. Материалы для виртуальной экскурсии в геологический

мир Урала……………………………………………………………………14

Заключение……………………………………………………………………....15

Выводы………………………………………………………………….……….16

Литература…………………………………………………………………...17

Приложения……………………………………………………………….....18

Введение.

«Урал – это сокровищница России, это природная крепость, «жемчужина будущего». Так восторженно говорят о нашем крае уже многие столетия, те, кто хотя бы раз здесь побывал.

Во все века был приметен и славен наш край. Неизменным исполином встал он в грозную для России пору, с XVII  века представляя собой её важнейшую металлургическую и оружейную базу. Воспета уральская земля, выковавшая особый характер мастерства, искренности и удали.

К сожалению, человек во все времена строил своё благосостояние за счет природы, полагая, что её не ресурсы неисчерпаемы. Быть благодарным и добрым хозяином – значить относиться к природе бережно, возвращать ей первозданный облик. Чтобы быть хозяином, надо знать родной край, жить заботами родной земли, не быть к ней равнодушным.

Проблема: Почему же Урал называют сокровищницей России? Как об этом рассказать молодому поколению? Как выглядят все эти богатство? Почему следует знать всё о своей малой родине?

Актуальность: На уроках географии, экологии и химии ребятам много рассказывают о минералогическом многообразии Урала, но как гласит китайская мудрость «скажи мне – и я забуду, покажи мне – и я запомню…». Современные школьники все больше и больше перестают интересоваться наукой, её достижениями и возможностями. Необходимо показывать и рассказывать о них. В своей работе мы решили раскрыть некоторые увлекательные стороны геологии, её безграничные возможности и масштабы изучения объектов.

Объект: для решения проблемы мы собрали пока ещё маленькую, но уже интересную коллекцию уральских минералов, чего нет ни в одной школе города. Изучили их происхождение, историю. Классифицировали минералы в более понятную для учащихся систему, чтобы ученики могли видеть и восхищаться, трогать и познавать мир природы родного края.

Цель: В рамках социокультурной направленности развития школы и краеведения организовать выставку минералов Урала в школьном музее, подготовить материал для виртуальной экскурсии по изучению геологии родного края.

Задачи:

Для достижения цели и успешного получения результатов мы поставили следующие задачи:

1. Изучить минералогический состав некоторых месторождений минералов на Урале – Агаповского карьера, заброшенных карьеров Малый Куйбасс и Южный, опалового  месторождения во время летней геологической экспедиции;
2. Встретиться с известными геологами города и в ходе бесед узнать об особенностях некоторых минералов и их месторасположениях в городе;
3. Провести историко – краеведческое исследование по вопросу изучения минералов и их использованию на Урале;
4. Систематизировав собранные минералы, организовать школьную картотеку, которая поможет в дальнейшем при разработке виртуальной экскурсии в геологический мир Урала.

Методы исследования:

1. Теоретический анализ литературы;
2. Исследовательско – практический синтез материала;
3. Описательно – сравнительный анализ.

Теоретическая часть

1. Минералогия как наука

Минералогия (от минерал и логия), наука о природных химических соединениях – минералах, их составе, свойствах, особенностях и закономерностях физического строения (структуры), а также об условиях образования и изменения в природе.

Главная задача – создание научных основ для одной из старейших геологических наук, по мере развития которой от неё отделяются и вырастают новые самостоятельные науки:

• Описательная минералогия занимается изучением, накоплением и уточнением фактического материала, разработкой вопросов систематики; обобщением данных по морфологии, физическим свойствам минералов, их химическому составу, данных по изоморфизму.
• Генетическая минералогия выясняет условия, закономерности и процессы, приводящие к образованию определённых минеральных видов и минеральных ассоциаций – месторождений полезных ископаемых; определяет количественные значения физико-химических параметров (температуры, давления, химизм минералообразующей среды).
• Экспериментальная минералогия занимается выяснением условий возникновения минералов в природе. К этому направлению близка новая область минералогии – синтез минералов (алмазов, кристаллов пьезокварца, оптического флюорита, рубинов, гранатов и др.), широко используемых в технике.
• Прикладная и технико-экономическая минералогия разрабатывает проблемы, связанные с вовлечением в промышленное использование новых минеральных видов, включает минералогическое картирование месторождений. Она исследует растворимости, магнитные и другие свойства, поведение минералов в процессе обогащения руд и химико-технологической переработки концентратов (например, при обжиге, воздействии кислот).
• Региональная минералогия обобщает минералогическое изучение определённых территорий и рудных провинций для установления закономерностей распределения минералов и их ассоциаций в связи с историей геологического развития региона.
• Минералогия космических тел. Развитие этого направления стало возможным только с момента получения образцов лунных пород, исследования которых позволили сделать первые обобщения об особенностях минералообразованиях на поверхности Луны и в верхних слоях лунной коры. Большое значение имеет также изучение минерального состава метеоритов.

2. Понятие минералов и горных пород

Минерал (от позднелат. minera – руда), природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов на поверхности или в глубинах Земли (и других космических тел), главным образом как составная часть горных пород, руд, метеоритов.

Модификации минералов одинакового состава (например, алмаз – графит, кальцит – арагонит), но имеющие различную кристаллическую структуру, относятся к различным минеральным видам. И наоборот, изоморфные ряды минералов (например, оливины, вольфрамиты, колумбиты) с изменяющимся в определённых пределах составом, но с постоянной структурой, относят к одному минеральному виду. Минералы, у которых небольшие изменения в химическом составе, некоторых свойствах (например, окраске) или морфологических особенностях не приводят к резким различиям в структуре (например, в разновидностях кварца – горном хрустале, аметисте, цитрине, халцедоне), называются минеральными разновидностями.

В природе найдено и изучено около 2,5 тыс. минеральных видов и примерно столько же разновидностей. Ежегодно открывается около 30 новых минеральных видов.

Для химии минералов характерно большое преобладание соединений переменного состава, представляющих однородные смешанные кристаллы (твёрдые растворы).

Горные породы - природные агрегаты минералов более или менее

постоянного состава, образующие самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. Термин «горные породы» впервые в современном смысле употребил (1798) русский минералог и химик В. М. Севергин.

Горные породы представляют собой механические сочетания разных по составу минералов, в том числе и жидких. Процентное содержание минералов в горных породах, определяет её минеральный состав. Форма, размеры, взаимное расположение и ориентация минеральных зёрен или частиц в горных породах обусловливают её структуру и текстуру.

По происхождению горные породы делятся на три группы:

• магматические (изверженные),
• осадочные;
• метаморфические.

Магматические и метаморфические горные породы слагают около 90% объёма земной коры, остальные 10% приходятся на долю осадочных пород, однако последние занимают 75% площади земной поверхности.

Магматические горные породы образуются в результате застывания магмы. В глубоких частях земной коры магма охлаждается медленно, хорошо раскристаллизовывается, и из неё формируются кристаллические зернистые породы, называемые интрузивными (граниты, сиениты, диориты и др.). Магма, излившаяся на земную поверхность в виде лавы вулканов, остывает быстро (часть её может не раскристаллизоваться, а затвердеть в виде вулканического стекла), образуя эффузивные, или излившиеся, горные породы (базальты, андезиты, липариты и др.).

Главными породообразующими минералами магматических горные породы являются алюмосиликаты и силикаты (полевые шпаты, кварц, слюда и др.).

Осадочные горные породы образуются на земной поверхности и вблизи неё в условиях относительно низких температур и давлений в

результате преобразования морских и континентальных осадков.

Химический состав осадочных горных пород отличается от пород магматических широким диапазоном колебаний в содержании породообразующих компонентов.

Свойства горных пород обусловлены их минеральным составом и строением, а также внешними условиями.

Практическая часть

1. Сбор минералов. Месторождения минералов

Во время летних каникул состоялась геологическая экспедиция на различные месторождения минералов на Урале, руководителем которой был Кашицин Анатолий Александрович, педагог Детского Эколого-Биологического Центра города Озерска.

Первая остановка нашей экспедиции была в Агаповке – посёлке городского типа, центре Агаповского района Челябинской области, распложенном на левом берегу реки Урал, в 20 км к югу от Магнитогорска. 

Агаповский карьер (приложение 2, фото.2,3) – богатейшее месторождение флюсового известняка и доломита, важнейший источник их добычи для Магнитогорского металлургического комбината.

В результате постоянных взрывных работ, необходимых при добыче минералов и горных пород, на данном карьере образовалось множество кусков различных минералов. Разбирая эти завалы, мы с членами экспедиции отыскивали  минералы и разновидности кальцитов. На окраине этого села есть археологический памятник – Агаповские горы, где находят десятки поселений древнего человека. Здесь нам удалось найти несколько видов окаменелостей, вероятнее всего растительного происхождения (приложение 1).

После Агаповского карьера мы прибыли на Малый Куйбасс (приложение 2, фото. 4). Склоны этого отвала сильно отвесные, что очень опасно обвалами. Минералы этого месторождения собирали у оснований склонов. Здесь были найдены разнообразные минералогические разновидности кальцитов, халькопирит и др.

Еще нашей экспедиции удалось попасть на опаловое месторождение. Добыча минералов здесь была самой настоящей: мы брали геологический молоток и просто выбивали нужные куски породы. Однако, для коллекции данные минералы были подарены геологами города Извариным В.А., Баженовым П.А., Кашициным А.А.

Исследования закрытого карьера Южный (приложение 2,фото 1,5,6) привели к невероятным результатам. Оказывается, карьер Южный имел стратегическое значение для страны, добытые породы и минералы шли на нужды военно – промышленного комплекса. Это крупнейшее месторождение кварца в России. Разрабатывалось для нужд оборонной промышленности на пьезосырье. В настоящее время горные работы не проводятся, образцы можно собирать из отвалов, занимающих большую площадь.

Нам удалось увидеть отвалы горного хрусталя, пьезокварца и многих других минералогических видов кварца. Часть из них внесены в коллекцию (приложение 1).

2. Определение минералов

Существует множество различных методик определения минералов. Мы решили взять за основу определение по морфологическим признакам. Для некоторых минералов (в школьной лаборатории) применили метод химического анализа для подтверждения карбонатного состава.

1. Определение по морфологическим признакам.

Диагностика минералов производится предварительно в полевых условиях главным образом по внешним физическим признакам – форме выделения и их окраске, облику и характеру симметрии кристаллов, цвету черты, блеску, спайности, излому и относительной твёрдости. Все определенные минералы вошли в школьную картотеку (приложение 3).

2. Определение магнитных свойств

С помощью магнита и компаса мы определяли ферромагнитные свойства минералов. Получили следующие результаты:

Таблица 1

3. Определение карбонатного состава

Карбонатную группу минералов мы проверили реакцией «вскипания» с соляной кислотой HCl. С этой целью на край минералов мы капали несколько капель соляной кислоты. Результаты данных исследований имеется в виде видеоматериалов.

Таблица 2.

3. Минералогия города Озерска.

В нашем городе проживают удивительные люди - геологи. Это Кашицин Анатолий Александрович, Баженов П.А., Изварин. В.А.

Из бесед с ними мы узнали, что в городе богатое минералогическое разнообразие. Так, через территории городского кладбища и взрослой городской поликлиники проходит кварцевая жила. Это было обнаружено случайно, при выкапывании могил экскаватор поднял большие куски этого минерала.

Прямо на побережье озера Иртяш (район пляжа «Молодежный») на одном из скальных мысов встречаются гранаты – альмандины. На территории Центрального городского  парка также можно обнаружит большое многообразие силикатных минералов. Значит работу можно будет продолжит и на территории нашего города.

Исследовательская часть работы содержит и исторические материалы. Из бесед с Кашициным Анатолием Александровичем, Баженовым П.А., Извариным В.А. мы узнали интересные факты о горном хрустале.

Горный хрусталь находили на Урале еще в глубокой древности. Его хорошо знали уже древние уральские аборигены: при раскопках древних поселений по берегам бывших горных озер археологи нередко находят его прозрачные пластинчатые осколки, использовавшиеся в качестве скребков, ножей, наконечников стрел и копий.

Еще в 1668 г. рудознатец Дмитрий Тумашев в знаменитой челобитной уведомляет Сибирский горный приказ, что близ Мурзинской слободы он отыскал “хрустали белые”. Постепенно выяснилось, что на Урале горного хрусталя много, и потому в проекте строительства нового завода на р.Исети, составленном В.Татищевым в 1721 г., предлагалось организовать в Екатеринбурге гранильное дело (П.М.Зверев,1887). Новые находки горного хрусталя в окрестностях Екатеринбурга стали делом привычным, в особенности после закладки Березовского завода.

В самоцветную историю Урала горный хрусталь вошел как добывающийся в изобилии камень, на котором оттачивали свое мастерство многие поколения уральских ювелиров и камнерезов.

4. Классификация минералов

Наиболее понятной может стать классификацию минералов по их ценности и применению. Данную классификацию можно представить в виде схемы:

Минералы:

• Драгоценные камни:

• Драгоценные камни I порядка:

• Алмаз – C
• Изумруд – Be3Al2[Si6O18]
• Рубин – Al2O3

• Драгоценные камни II порядка:

• Александрит – BeAl2O4

• Драгоценные камни III порядка:

• Топаз – Al2[SiO4][F,OH]2

• Драгоценные камни IV порядка:

• Аметист – SiO2
• ***Гранат – A2B2[SiO4]4,

где А: Mg, Fe2+, Mn2+, Ca и В: Al, Fe3+, Cr

• Бирюза – CuAl6[PO4]4OH8∙5H2O
• Хризопраз – SiO2
• Хризопаз – SiO2
• Цитрин – SiO2

• Полудрагоценные камни:

• Полудрагоценные камни I порядка:

• ***Горных хрусталь – SiO2
• ***Кварц бесцветный – SiO2
• ***Кварц дымчатый – SiO2
• ***Кварц молочный – SiO2 
• Кварц розовый – SiO2
• Лазурит– Na8[AlSiO4]6[SO4]
• Нефрит – Сa2(Mg, Fe2+)5[Si4O11]2[OH]2
• ***Малахит – Cu2[CO3]3(OH)2 или CuCO3∙Cu(OH)2

• Полудрагоценные камни II порядка:

• ***Агат– SiO2

• Азурит – Cu3[CO3]2(OH)2 или 2CuCO3∙Cu(OH)2
• Гематит – 6Fe2O3
• ***Родонит – (MnCa)SiO3 

• Поделочные камни:

• ***Арагонит – CaCO3
• ***Кальциты – CaCO3
• Оникс – SiO2
• ***Флюорит– CaF2
• Халцедон – SiO2
• ***Яшма – SiO2

• Самородные минералы:

• Графит – C
• Сера – S

• Руды:

• Бораты:

• Ашарит – MgHBO3 или 2MgO∙B2O3∙H2O
• Гидроборацит – MgCaB6O11∙6H2O

• Галоиды:

• Галит (каменная соль) – NaCl
• ***Флюорит – CaF2

• Гирдоокислы:

• Бурый железняк (гётит) – HFeO2∙nH2O

• Карбонаты:

• ***Доломит – CaMg[CO3]2 
• Исландский шпат  – CaCO3
• ***Кальцит – CaCO3
• Магнезит – MgCO3
• Сидерит – FeCO3

• Оксиды:

• Боксит бурый – Al2O3∙nH2O
• Боксит черный – Al2O3∙nH2O
• Корунд – Al2O3
• ***Магнитный железняк (магнетит) – FeFe2O4
• Пиролюзит – MnO2

• Силикаты:

• Полевой шпат (микроклин) – Ca[AlSi3O8]
• Сфен – CaTi[SiO4]O

• Сульфаты:

• Ангидрит – CaSO4 
• Барит – BaSO4
• Гипсы – CaSO4∙2H2O
• Мирабилит – Na2SO4∙10H2O

• Сульфиды:

• Аурипигмент – As2S3
• Галенит – PbS
• Киноварь – HgS
• Молибденит –MoS2
• ***Пирит – FeS2
• ***Халькопирит – CuFeS2

• Фосфаты:

• Апатит
• Бирюза – CuAl6[PO4]4OH8∙5H2O

В основу современной классификации минералов положены различия в типах химических соединений и кристаллических решёток.

*** Минералы, внесенные в школьную коллекцию.

5. Материалы для виртуальной экскурсии в геологический мир Урала

Для систематизации и упорядочения полученного материала мы на каждый минерал завели картотечный лист, где описали:

• химический состав,
• внешний вид,
• происхождение названия,
• историческую справку,
•  области применение минерала. (приложение 3)

Данный материал может служить источником для создания виртуальной экскурсии в минералогический мир Урала.

Заключение

Изложенный нами материал показывает, насколько широк круг вопросов, затрагиваемых современной минералогией, и насколько разнообразны методы их изучения. Особо следует отметить, что эта работа может послужить началом исследовательской деятельности школьников по минералогии города.

Касаясь общих вопросов изучения минералов, нехотя окунаешься в удивительное историческое прошлое этих богатств природы. А если соединить необыкновенную красоту, изящество неповторимость каждого минерала с их значением и применением, то понимаешь важность их существования для человека и природы в целом. В то же время из-за ограниченного объема работы о каждом изученном минерале невозможно полно изложить весь найденный материал.

Теснейшим образом данная работа связана с химическим экспериментом, что позволяет иллюстративно объяснять генетическую основу наиболее важных минералов. Следует отметить, что это может служить началам изучения искусственно созданных минералов и областей их использования.

Данная работа несет и большое практическое значение: это и большой наглядный материал для учителей предметников, и богатейший источник информации для классных руководителей в разработке классных часов (приложение 4, фото 7-10). На базе данной информации можно построить профориентационную работу. Возможно кто – то из ребят захочет продолжить изучение минералов, но уже на профессиональном уровне. Изучаемые нами минералы уже заинтересовали учителей школы. На базе нашей школьной коллекции учитель ИЗО Задворных Марина Александровна уже провела открытый урок «Камнерезное искусство Урала».

Выводы:

1. Урал несомненно сокровищница самоцветов, изучение которых позволит с гордостью говорит о своей малой родине, что наглядно иллюстрирует экспозиция школьного краеведческого музея.
2. При продолжении изучения минералогического многообразия Урала особое внимание необходимо уделить геологии города Озерска, описать минералы в более полном объеме, провести картографию месторасположения минералов,  показать всю их значимость.
3.  материалы данной работы расширяют знания краеведческого экологического, географического, минералогического, химического характера. Все это позволит более грамотно и наглядно донести эти знания до других учеников школы.
4. На основе собранного в работе материала возможно создание курса лекций по различным вопросам изучения родного края.
5. В силу развития современных технологий, можно будет организовать более детальное изучение химического состава минералов.

Список литературы и других источников:

1. Годовиков А.А. Минералогия. М., – «Недра», 1975.
2. Гитис М.С., Моисеев А.П. Челябинская область. Краткий справочник. – Челябинск, 2006.
3. Ю. К. Воробьев. Минералы. Справочник, т. 1, М., 1960.
4.  Рамдор П., Рудные минералы и их срастания, пер. с нем., М., 1962.
5. Лазаренко Е. К., Курс минералогии, М., 1971.
6. Смольянинов Н. А., Практическое руководство по минералогии, 2 изд., М., 1972.
7. Лазько Е. М., О генезисе хрусталеносных образований и промышленных типах месторождений пьезокварца, - М., 1958 (Тр. Всесоюзного н.-и. ин-та минерального сырья, т. 2, в.1).
8. Бетехтин А. Г., Курс минералогии, 3 изд., М., 1961.
9. Маликов А.И., Поленов Ю.А., Попов М.П., Шукшаев А.П., Самоцветная полоса Урала, Екатеринбург.- «Сократ»,2007.
10. http://www.uralgeo.net/gor_hr.htm
11. http://www.vsevolodbondarev.com/html/minerals.htm