Минеральная вода — виды, классификация и лечебные процедуры. Что такое минерал? Классификация минералов по происхождению

Классификация минеральных веществ

Как правило, изучение любых биологически активных веществ (включая минералы) начинается с их классификации.

Простейшая классификация минеральных элементов основана на количественном признаке. Суммарное количество каждого из элементов может быть очень разным, поэтому различают так называемые макроэлементы и микро- (или ультрамикро)-элементы. Микроэлементы (МЭ) - это группа химических элементов, которые содержатся в организме человека и животных в очень малых количествах, в пределах 10-3-10-12%. По определению Н.А. Агаджаняна и А.В. Скального (2001), «МЭ - это не случайные ингредиенты тканей и жидкостей живых организмов, а компоненты закономерно существующей очень древней и сложной физиологической системы, участвующей в регулировании жизненных функций организмов на всех стадиях развития». Деление минералов по количественному признаку достаточно условно, так как один и тот же элемент может выступать в организме и как макроэлемент, и как микроэлемент. Примером этого может служить кальций, который содержится в огромных количествах в костях, и в этом случае он - безусловно - макроэлемент. Но тот же кальций выполняет в клетках роль вторичного посредника гормонального сигнала, в этом случае его количество измеряется в микрограммах, и он, безусловно, - микроэлемент.

Хотя классификация по количественному признаку проста и удобна, она не помогает ответить на вопрос о биологической роли каждого конкретного элемента в организме. Еще меньше этот способ разделения минеральных элементов на группы по их количеству может быть полезен при определении сочетанного действия минералов в организме, будь то синергическое или антагонистическое действие. Поэтому исследователи разных биологических и медицинских специальностей предлагают свое видение этого вопроса.

Минералы резко отличаются друг от друга по своим физико-химическим свойствам и биологическому действию. Функции биоминералов в организме чрезвычайно разнообразны и зависят от множества факторов: концентрации в биологических субстратах, от свойств самого биосубстрата, от взаимодействия их между собой и с другими биологически активными веществами в организме. В этом случае они могут выступать как «неорганические витамина» - (в составе ферментов, с гормонами, с другими биологически активными соединениями).

Начало серьезного изучения роли макро- и микроэлементов для жизнедеятельности организма относится в концу 19 века. Уже тогда встал вопрос о классификации минеральных элементов применительно к особенностям питания человека (цит. по: Петровский К.С., Ванханен В.Д., 1981). В основу этого варианта классификации положено свойство минералов изменять кислотно-щелочное равновесие.

Изучение минерального состава пищевых продуктов показало, что одни из них характеризуются преобладанием состава минеральных элементов, обусловливающих в организме электроположительные (катионы), другие вызывают преимущественно электроотрицательные (анионы) сдвиги. В связи с этим пищевые продукты, богатые катионами, имеют щелочную ориентацию, а пищевые продукты, богатые анионами, -- кислотную ориентацию. Учитывая важность поддержания в организме кислотно-щелочного состояния и возможное влияние на него кислотных и щелочных веществ пищи, авторы этой классификации посчитали целесообразным разделить минеральные элементы пищевых продуктов на вещества щелочного и кислотного действия. Кроме того, как самостоятельная группа биомикроэлементов выделены минеральные элементы, встречающиеся в пищевых продуктах в небольших количествах, проявляющих в организме высокую биологическую активность.

Минеральные элементы щелочного характера (катионы): Кальций, Магний, Калий, Натрий.

Минеральные элементы кислотного характера (анионы): Фосфор, Сера, Хлор.

На современном уровне знаний приведенная выше классификация уже несколько устарела, т.к. метаболизм любого минерального элемента нельзя рассматривать только с точки зрения его щелочности или кислотности.

Наибольший интерес для физиологов, биохимиков и специалистов в области питания человека представляет классификация, основанная на биологической роли элементов. Согласно этой классификации из 81 элемента, обнаруженного в организме человека выделяют 15 жизненно необходимых или эссенциальных элементов: кальций, фосфор, калий, хлор, натрий, цинк, марганец, молибден, йод, селен, сера, магний, железо, медь и кобальт. При «абсолютном дефиците» (по Авцыну А.П. с соавт., 1991) эссенциальных веществ наступает смерть.

Кроме того, различают условно эссенциальные элементы: фтор, кремний, титан, ванадий, хром, никель, мышьяк, бром, стронций и кадмий.

Выделяют также достаточно большую группу элементов, которые достаточно часто накапливаются в организме, поступая с пищей, вдыхаемым воздухом или питьевой водой, но их биологически полезная функция пока не определена. Напротив, некоторые из этих элементов являются, несомненно, токсическими. К общеизвестным токсическим веществам относятся свинец, ртуть, кадмий, бериллий и некоторые другие. Подразделение элементов на эссенциальные и токсичные в значительной степени условно. Так, некоторые в основном токсичные элементы (мышьяк, свинец и даже кадмий) некоторыми авторами относятся к эссенциальным, по крайней мере, для лабораторных животных. С другой стороны такие сугубо эссенциальные МЭ как медь, марганец селен, молибден, йод, фтор, кобальт при определенных условиях могут вызвать симптомы интоксикации.

Классификация элементов по их биогенной активности также не лишена недостатков. Прежде всего, она не отражает изменений биологических свойств биоминералов в зависимости от их дозы, сочетанности с другими элементами, их синергизма или антагонизма. Кроме того, биологическая роль биоминералов может изменяться от целого ряда других факторов: условий жизни, возраста, вредных привычек и т.д.

В.И. Смоляр (1989) выделил пять критериев биогенности химического элемента или МЭ:

1) присутствие в тканях здорового организма;

2) небольшие различия в относительном содержании в различных организмах;

3) При исключении из рациона четко воспроизводятся морфологические изменения, обусловленные его недостаточностью;

4) специфические нарушения биохимических процессов при гиперэлементозе;

5) обнаруженные изменения устраняются путем введения недостающего элемента.

В нашей стране по предложению академика РАМН А.П. Авцына и его коллег (1983г.) для обозначения всех патологических процессов, вызванных дефицитом, избытком или дисбалансом макро- и микроэлементов, введено понятие микроэлементозов и предложена рабочая классификация микроэлементозов человека, в основу которой был положен принцип первоочередного выделения этиологического фактора химической природы. Отсюда каждый микроэлементоз следует именовать в соответствии с названием МЭ, дефицит или токсическое действие которого вызвало заболевание. Микроэлементозы могут быть явными, т.е. клинически выраженными, либо латентными или потенциальными.

Согласно его классификации (Авцын А.П. с соавт., 1991), все микроэлементозы можно разделить на природные эндогенные, природные экзогенные и техногенные. Если природные микроэлементозы не связаны с деятельностью человека, то техногенные связаны с производственной деятельностью человека. Это: 1)промышленные (профессиональные), связанные с производственной деятельностью человека. При этом болезни и синдромы, вызванные избытком определенных микроэлементов (МЭ) и их соединений непосредственно в зоне самого производства. 2)Так называемые «соседские» микроэлементозы, развивающиеся по соседству с производством. 3)Трансгрессивные микроэлементозы развиваются в значительном отдалении от производства за счет воздушного или водного переноса МЭ.

В независимости от многообразия и значения той или иной классификации, для простоты и удобства чаще используют простейшую - основанную на количественном признаке.

2. Общие понятия о макроэлементах, их роль и влияние на организм человека

Кальций

«Без кальция клетка жить не может…, но при его избытке она мгновенно погибает», И.П. Павлов.

Из всех элементов в человеческом организме кальций содержится в максимальном количестве: на каждый килограмм массы тела приходится около 20 г кальция. Таким образом, в организме взрослого человека находится 1-1,5 кг этого крайне полезного элемента.

Биологическая роль кальция весьма многообразна. Основное его физиологическое значение -- пластическое. Кальций служит основным структурным компонентом в формировании опорных тканей и оссификации костей. В костях скелета сосредоточено 99% общего его количества в организме. Оставшаяся часть постоянно присутствует в крови и других жидкостях организма. Поскольку старые костные клетки распадаются, для своевременного образования новой костной ткани запасы кальция должны постоянно пополняться, в противном случае организм будет восполнять нехватку из собственных зубов и костей, разрушая их и ослабляя.

Кальций является постоянной составной частью крови. Он участвует в процессе свертывания крови. Действие тромбокиназы в превращении протромбина в тромбин осуществляется только в присутствии ионов кальция. Кальций входит в состав клеточных структур: он присутствует в мембранных системах, играя важную роль в функции клетки, снижает проницаемость сосудов, усиливает сопротивляемость организма к токсинам и инфекциям, обладает противовоспалительным действием.

Нельзя переоценить значение этого элемента для полноценного внутриутробного развития плода: соли кальция закладывают основу жизненно-важных систем и процессов организма ребенка.

Кальций относится к трудноусвояемым веществам. Его усвояемость в значительной степени зависит от сопутствующих ему веществ в составе пищи. На усвояемость кальция оказывает отрицательное влияние избыток фосфора и магния. В таких случаях ограничивается образование усвояемых форм кальция, а образующиеся неусвояемые формы выводятся из организма.

Оптимальное усвоение кальция происходит при соотношении кальция и фосфора 1: 1,3 и соотношении кальция и магния 1: 0,5. В последнее время высказываются предложения о принятии более физиологически соответствующего соотношения кальция и фосфора 1: 1. В возрасте от 1 до 6 мес в качестве оптимального предлагается соотношение кальция и фосфора 1,5: 1, от 6 до 12 мес -- соответственно 1,3: 1 и в возрасте 1 год и старше 1:1.

Это соотношение может быть сохранено и во взрослом состоянии. На усвояемость кальция оказывает влияние и калий, избыток которого ухудшает его всасывание. Некоторые кислоты (инозитфосфорная, щавелевая) образуют с кальцием прочные нерастворимые соединения, которые не усваиваются организмом. В частности кальций хлеба, крупы и других злаковых продуктов, содержащих значительное количество инозитфосфорной кислоты, плохо усваивается. Отрицательное влияние на усвояемость кальция оказывает избыток или недостаток жира в суточном пищевом рационе.

Лучшим источником кальция в питании человека являются молоко и молочные продукты. Кальций является наиболее важным макроэлементом молока. Он содержится в легкоусваиваимой форме и хорошо сбалансирован с фосфором. Содержание кальция в коровьем молоке колеблется от 100 до 140 мг%. Его количество зависит от рационов кормления, породы животного, стадии лактации и времени года. Летом содержание Са ниже, чем зимой.

Са присутствует в молоке в трех формах: В виде свободного или ионизированного кальция -- 10 % от всего кальция (8,5ч11,5 мг%); В виде фосфатов и цитратов кальция -- около 68 % ;Кальция, прочно связанного с казеином -- около 22 %

Пол-литра молока или 100 г сыра обеспечивают суточную потребность взрослого человека в кальции (800 мг). Беременные и кормящие матери нуждаются в повышенном обеспечении кальцием--1500 мг в сутки. Дети школьного возраста должны получать 100--1200 мг кальция в сутки. Также он встречается в зеленых овощах: чесноке, петрушке, капусте, сельдерее и в некоторых ягодах и фруктах.

Ряд продуктов, например шпинат, щавель, злаковые, напротив, мешают усвоению кальция из продуктов питания, поэтому стоит учитывать это взаимодействие при составлении пищевого рациона.

В таблицах отдела Приложение приводится содержание кальция в некоторых продуктах питания.

Магний

Человек не может быть полностью здоровым без магния. Любой процесс, происходящий в организме, не обходится без солей и ионов магния. Этот элемент контролирует процессы деления и очищения клеток, формирование белка и обмен веществ. Взрослому человеку следует употреблять 400-600 мг магния. Рекомендуемое употребление магния в сутки (мг в сутки) приводится в таблице №15 отдела Приложение.

Эта норма потребления вполне может быть удовлетворена при сбалансированном правильном питании. Полезно знать, что при гиперфункции щитовидной железы, псориазе, артрите, нефрокальцинозе и дислексии у детей содержание магния в организме повышено.

Физиологическое значение и биологическая роль магния изучены недостаточно, однако хорошо известна его роль в передаче нервного возбуждения и нормализации возбудимости нервной системы. Магний обладает антиспастическими и сосудорасширяющими свойствами, а также свойствами стимулировать перистальтику кишечника и повышать желчевыделение. Имеются данные о снижении уровня холестерина при «магниевой» диете. Принимает активное участие в иммунных процессах, обладает противоаллергическим, противовоспалительным, противострессовым, противотоксичным действием, способствует усвоению кальция из кишечника, а также всасыванию калия, фосфора, витаминов группы B, C, и E является неотъемлемым участником многих биохимических процессов организма и регуляции жизненно-важных функций, поддерживает в норме активность клеточных мембран. Магний обладает антиспастическими и сосудорасширяющими свойствами, а также свойствами стимулировать перистальтику кишечника и повышать желчевыделение. Имеются данные о снижении уровня холестерина при «магниевой» диете.

Применение магния очень эффективно при лечении многих заболеваний: нервных расстройств, инфаркта миокарда, лейкемии, мышечной слабости, склерозе. Магний незаменим при борьбе с раком.

При недостатке магния в стенках артерий, сердца и мышцах увеличивается содержание кальция. При дефиците магния в почках развиваются дегенеративные изменения с нефротическими явлениями, болезненные мышечные сокращения, ускоряются процессы старения, в крови повышается уровень холестерина, снижается иммунитет, в результате ухудшения эластичности капилляров нарушается микроциркуляция и возникает анемия.

Содержание магния в организме сверх нормы встречается крайне редко, так как почки незамедлительно выводят избыток этого элемента. Поэтому опасность отравления магнием даже при повышенном его поступлении с продуктами питания маловероятна. Такие отравления возникают в основном при избыточном внутривенном введении магнийсодержащих препаратов либо при нарушении работы почек.

Магний в продуктах питания

Магний содержится в хлорофилле, который является зелёным фотосинтетическим пигментом, содержащимся в большинстве растений, в морских и сине-зелёных водорослях. Хлорофилл также содержится в зелёных овощах, например в шпинате и брокколи.

Много магния находится в таких продуктах питания как фасоль (103 мг), горох (88 мг), шпинат (82 мг), арбуз (224 мг), молоко сухое (119 мг), халва тахинная (153 мг), орехи фундук (172 мг).

Вполне возможно обеспечить суточную потребность в магнии с помощью хлеба ржаного (46 мг) и хлеба пшеничного (33 мг), чёрной смородины (31 мг), кукурузы (36 мг), сыра (50 мг), моркови (38 мг), салата (40 мг), шоколада (67 мг).Содержание магния в мясе и мясных продуктах следующее: свинина - 20 мг, телятина - 24 мг, кролик - 25 мг, ветчина - 35 мг, колбаса любительская - 17 мг, колбаса чайная - 15 мг, сосиски - 20 мг.

Картофель содержит магний в количестве 23 мг на 100 г продукта, капуста белокочанная - 16 мг, свекла - 22 мг, томаты - 20 мг, лук зелёный и лук репчатый - 18 мг и 14 мг соответственно.

Относительно небольшое количество магния содержится в яблоках и сливах - всего лишь по 9 мг на 100 г продукта.

Меньше всего магний усваиваются из таких продуктов, как пшено, мясо и рыба.

Раньше люди получали часть магния с водой, особенно если вода была из подземных скважин. Но современные методы очищения и смягчения воды резко сокращают уровень содержания магния в водопроводной воде. Воду, в которой содержится много минералов, в том числе и магний, называют "жёсткой", и её обычно смягчают.

Достаточное количество различных бобовых, злаковых, орехов или овощей в нашем ежедневном рационе, вероятно, могло бы удовлетворить нашу необходимую среднесуточную потребность в магнии. Однако полностью полагаться на данное утверждение нельзя, и на это есть следующие веские причины:

1. Чем больше возраст человека, тем меньше питательных веществ он может усвоить из еды. Соляная кислота в нашем желудке, которая является основным компонентом, помогающим нам усваивать питательные вещества, с возрастом производится в организме всё меньше.

2. В наших продуктах питания намного меньше питательных веществ, чем 50 лет назад. Почвы постепенно истощаются, и поэтому всё меньше полезных питательных веществ содержится в продуктах. В почву вносятся дополнительные удобрения, но в них содержатся только 3 минеральных вещества: азот, фосфор и калий. Как правило, выращиваемые продукты подбираются по урожайности и финансовой привлекательности, но никак не по содержанию питательных веществ в них. В то время как, нашему организму необходимо получать из еды питательные вещества и минералы, фермер стремится вырастить максимальный урожай с минимальными финансовыми затратами. Да и при покупке продуктов мы чаще всего исходим из стоимости, чем из содержания в них питательных веществ.

Калий

Калий - очень важный внутриклеточный элемент, который необходим для нормальной деятельности мягких тканей организма. Железы внутренней секреции, капилляры, сосуды, клетки нервов, мозга, почек, печени, сердечные и другие мышцы не могут полноценно функционировать без этого элемента. Калий составляет 50% всех жидкостей в организме.

Значение калия в жизнедеятельности организма заключается прежде всего в его способности усиливать выведение жидкости из организма. «Калиевые» диеты могут использоваться при необходимости повышения диуреза и усиления выведения натрия. Калий играет важную роль в процессе внутриклеточного обмена. Он участвует в ферментативных процессах и в превращении фосфопировиноградной кислоты в пировиноградную. Важное значение имеет калий в образовании буферных систем (бикарбонатная, фосфатная и др.), предотвращающих сдвиги реакции среды и обеспечивающих ее постоянство. Ионы калия играют большую роль в образовании ацетилхолина и в процессах проведения нервного возбуждения к мышцам.

Основная роль калия в организме (совместно с натрием) - поддержание функционирования клеточных стенок. Еще одна крайне важная обязанность элемента - сохранение концентрации основного питательного вещества для сердца (магния) и его физиологических функций.

Калий нормализует сердечный ритм, сохраняет кислотно-щелочной баланс крови, является противосклеротическим средством: предотвращает накопление солей натрия в клетках и сосудах.

Калий способствует снабжению мозга кислородом, повышая умственную активность, снижает кровяное давление, очищает организм от токсинов и шлаков, помогает при лечении аллергических заболеваний.

Калий поддерживает энергетический уровень организма, повышает выносливость и физическую силу.

Нехватка элемента в организме приводит к дисфункциям почек и надпочечников, нарушению сердечного ритма и обменных процессов в миокарде, быстрой утомляемости, физическому и эмоциональному истощению, провоцирует возникновение эрозии в слизистых оболочках, снижает скорость заживления ран. Ломкие и тусклые волосы, сухая кожа - также признаки дефицита калия. У беременных возникают патологии развития плода и осложнения при родах.

Калий хорошо представлен в пищевых продуктах как растительного, так и животного происхождения. Значительное количество калия содержится в картофеле (568 мг на 100 г продукта), за счет которого в основном и удовлетворяется потребность в калии. Обычные сбалансированные пищевые рационы обеспечивают поступление калия в количестве, удовлетворяющем потребность организма. Суточная потребность взрослых людей в калии составляет 3--5 г.

Как видим, значение калия для поддержания здоровья и нормальной работоспособности человека просто неоценимо.

Калий в продуктах питания

Первым шагом к достижению минерального равновесия в нашем организме должно стать уменьшение доли соли в нашем повседневном рационе. Следующим шагом должно стать увеличение потребления калия. Самыми богатыми источниками калия являются культурные растения: свежие фрукты, свежие овощи, проросшее зерно, бобовые и недробленное зерно -- именно эти продукты являются основой нашей системы здорового питания. Для того чтобы добиться оптимальных результатов, вам следует употреблять в пищу продукты, богатые калием, на протяжении всего дня. Все фрукты и большая часть овощей содержат калия в десятки, а то и в сотни раз больше, чем натрия. Поэтому каждому из нас должна быть очевидна важность увеличения в нашем рационе доли именно этих продуктов питания.

Апельсины, бананы и печеный картофель издавна являются общепризнанными источниками калия. Поэтому регулярно включайте их в свой ежедневный рацион.

Дыня является ещё одним превосходным источником калия. Почаще включайте её в свое меню. Для разнообразия можно употреблять её сок или готовить из неё пюре -- мякоть у этого плода достаточно нежная.

Очень велико содержание калия в арбузах. Используйте на все сто процентов сезон созревание этих плодов и ешьте их как можно больше. Опять же, для разнообразия вкусовых ощущений можно изготавливать из них сок или пюре -- очистите их от корки и все.

Бобовые, такие как фасоль обыкновенная, фасоль лима и чечевица, также содержат много калия, а кроме того ещё и белок. Из всех бобовых получаются замечательные супы.

Вы можете повысить содержание калия в супах домашнего приготовления, если добавите в них пастернак, брюкву или тыкву. Например, употребление в пищу такого широко известного и доступного калийсодержащего продукта питания как картофель в количестве 500 грамм в день полностью обеспечивает суточную потребность человека в данном элементе. Однако следует помнить, что избыточное потребление картофеля может привести к появлению «лишних килограммов» из-за большого количества содержащегося в нём крахмала.

Всегда добавляйте тертую морковь к салатам и сандвичам собственного приготовления -- этим вы ещё более увеличите содержание калия в собственном рационе.

Плоды авокадо содержат очень много калия и служат превосходным дополнением к различным салатам и сандвичам. Кроме того, авокадо содержит высококачественный белок и весьма важные для организма жирные кислоты.

Употребляя только что приготовленные соки из свежих овощей, вы не только испытаете подлинное наслаждение, но к тому же снабдите свой организм существенным количеством калия. К примеру, один стакан свежеприготовленного морковного сока содержит приблизительно 800 мг этого элемента.

Вы можете смешать в миксере несколько видов свежих фруктов и приготовить себе богатый калием завтрак или закуску. Такое ароматное пюре будет непревзойденным «калиевым коктейлем» для удовлетворения потребностей организма в этом элементе.

Для того чтобы сохранить в продуктах питания максимальное количество калия, рекомендуется готовить их на пару либо отваривать в минимальном объеме воды.. Ни в коем случае не употребляйте калий в виде каких-либо химических соединений или лекарственных форм: это приведет к раздражению пищеварительного тракта, а при больших дозах это даже может стать опасным для жизни.

Цифровые данные содержания калия в зерновых и зернобобовых, муке и крупах, хлебе и хлебобулочных изделиях, макаронных изделиях, овощах и бахчевых, фруктах и ягодах, молочных продуктах, твороге и сыре, мясе, птице и яйцах, рыбе представлены в отделе Приложение.

Роль калия при занятиях физической культурой и спортом

Калий является очень важным микроэлементом, необходимым для нормального обеспечения многих физиологических реакций в организме человека. При занятиях физической культурой и спортом тренирующимся людям требуется дополнительное количество этого элемента. Удовлетворить такую возрастающую потребность в калии можно с помощью специальной диеты, предусматривающей обязательное включение в рацион достаточного количества калийсодержащих продуктов питания.

Организм взрослой женщины содержит в среднем около 225 грамм калия (это примерно на 10% меньше, чем в организме мужчины). Суточная потребность человека в калии составляет 2 - 4 грамма. При интенсивных физических нагрузках в организм должно поступать не менее 5 грамм этого микроэлемента в день. Обеспечить такое количество калия вполне можно за счёт употребления в пищу калийсодержащих продуктов питания.

Почему же калийсодержащие продукты особенно полезны именно для людей, активно занимающихся физической культурой и спортом? Дело в том, что при выполнении различных физических упражнений во время тренировок значительно увеличивается нагрузка на сердечно-сосудистую систему. А калий как раз обеспечивает нормальную работу данной системы органов человека, регулируя артериальное давление и сердечный ритм. Кроме того, калий участвует в процессах мышечного сокращения и расслабления, обеспечивает прохождение импульсов в нервных волокнах, регулирует распределение жидкости в организме. Если при составлении рациона калийсодержащим продуктам уделять должное внимание, то все вышеперечисленные физиологические процессы в организме тренирующегося человека будут постоянно протекать на нужном уровне. Калий также способен предотвращать инсульты, уменьшать усталость и нервозность.

Недостаточное количество этого элемента в организме приводит к возникновению пониженного давления, аритмии, увеличению в крови уровня холестерина, мышечной слабости, повышению хрупкости костей, нарушению работы почек, развитию бессонницы и депрессии. При этих патологиях дальнейшие тренировки становятся опасными для здоровья. Для снятия вышеперечисленных симптомов зачастую применяют не только включение в рацион необходимых продуктов питания, но и назначают приём специальных калийсодержащих препаратов. Такие патологические состояния возникают в основном при использовании мочегонных средств (чем часто грешат многие спортсмены для того чтобы за счёт потери влаги быстро снизить вес тела и попасть на соревнованиях в желаемую весовую категорию) и некоторых гормональных препаратов (в частности, гормонов коры надпочечников). Усиленное потоотделение, которое обязательно происходит у человека при выполнении физических упражнений во время тренировок, а также частые поносы или рвота также ведут к недостатку калия в организме. В этих случаях для восстановления нормального баланса данного элемента также не обойтись без употребления калийсодержащих продуктов.

Натрий

Биологическое действие натрия многообразно. Он играет важную роль в процессах внутриклеточного и межтканевого обменов. Соли натрия присутствуют преимущественно во внеклеточных жидкостях -- лимфе и сыворотке крови. Исключительно важная роль принадлежит соединениям натрия (гидрокарбонаты, фосфаты) в образовании буферной системы, обеспечивающей кислотно-щелочное состояние. Соли натрия имеют большое значение для создания постоянства осмотического давления протоплазмы и биологических жидкостей организма. Постоянство содержания натрия в организме поддерживается путем выделительной регуляции, благодаря которой при недостаточном поступлении натрия с пищей его выделение сокращается.

Натрий принимает активное участие в водном обмене. Ионы натрия вызывают набухание коллоидов тканей и таким образом способствуют задержке в организме связанной воды.

Природное содержание натрия в пищевых продуктах незначительно. В основном он поступает в организм за счет хлорида натрия, добавляемого в произвольных количествах в пищу.

Нормальное потребление натрия взрослыми людьми составляет 4 - 6 г в сутки, что соответствует 10--15 г хлорида натрия. Такое количество натрия при систематическом потреблении может быть признано безвредным. Во время тяжелых физических нагрузок, в условиях жаркого климата, при усиленном потоотделении потребность в натрии повышается (иногда в два раза). Количество пищевой соли в питании человека должно рассчитываться индивидуально. При заболеваниях сердца и почек рекомендуют ограничить ее потребление - эти органы перегружаются при переработке крови с излишком натрия.

Излишек этого макроэлемента вызывает отеки лица и ног: ионы натрия провоцируют набухание коллоидов тканей, что, в свою очередь, способствует задержке и накоплению воды в организме. При большом количестве соли в пищевом рационе, при дисфункции коры надпочечников, склонности к гипертонии, сахарном диабете, неврозах, при нарушении водно-солевого обмена и выделительной функции почек количество натрия в организме повышается. Симптомы избытка: гиперактивность, впечатлительность, быстрая возбудимость, потливость, повышенная жажда.

Продукты питания (не соленые!) содержат различное количество натрия и представлены в разделе Приложение в виде таблиц.

Фосфор

Фосфор - очень важный для жизнедеятельности организма элемент. Как и кальций, фосфор в значительном количестве содержится в костной ткани, вместе с кальцием отвечает за прочность и устойчивость костной ткани, также входит в состав нуклеиновых кислот и белков.

Потребность организма в солях фосфора - даже больше, чем в солях кальция: 1,6-2 г в сутки. Беременные и кормящие женщины должны потреблять 3-3,8 г ежедневно, дети - 1,5-2,5 г.

Однако не менее важно соотношение фосфора и кальция (примерно 2 к 3), поскольку эти два элемента находятся в неразрывной связи друг с другом. Вследствие нарушения этого баланса могут возникать различные патологии: излишек кальция приводит к возникновению мочекаменной болезни, избыточное количество фосфора провоцирует выведение кальция из костей. Впрочем, в организме присутствует весьма полезный элемент, контролирующий фосфорно-кальциевый обмен - это витамин D.

Фосфору принадлежит ведущая роль в функции центральной нервной системы. Обмен фосфорных соединений тесно связан с обменом веществ, в частности жиров и белков. Фосфор играет важную роль в обменных процессах, протекающих в мембранных внутриклеточных системах и мышцах (в том числе в сердечной).

Соединения фосфора являются самыми распространенными в организме компонентами, активно участвующими во всех обменных процессах.

При усиленной физической нагрузке, как и при недостаточном поступлении белка с пищей, резко увеличивается потребность организма в фосфоре.

Многие соединения фосфора с белком, жирными и другими кислотами образуют комплексные соединения, отличающиеся высокой биологической активностью. К ним относятся нуклеопротеиды клеточных ядер, фосфопротеиды (казеин), фосфатиды (лецитин) и др.

Неправильное питание и влияние других неблагоприятных факторов, вследствие которых возникает дефицит соединений фосфора в организме, приводит к частым переломам, разрушению зубов, суставным и костным заболеваниям. Возможно также появление нервных расстройств и болезней кожи.

Усвояемость фосфора связана с усвоением кальция, содержанием белка в пищевом рационе и другими сопутствующими факторами. Некоторые соединения фосфора плохо всасываются. Это прежде всего фитиновая кислота, которая в виде фитиновых соединений содержится в злаках.

Суточная потребность взрослого человека в фосфоре составляет 1200 мг.

В таблицах отдела Приложение приводится содержание магния в некоторых продуктах питания.

Хлор

Физиологическое значение и биологическая роль хлора заключается в его участии в регуляции осмотического давления в клетках и тканях, в нормализации водного обмена. Хлор в организме содержится в соляной кислоте - главной составляющей желудочного сока, совместно с натрием поддерживает водно-электролитный баланс организма, способствует накоплению воды в тканях, принимает участие в формировании плазмы крови, помогает выводить токсины и шлаки из организма, улучшает деятельность печени, способствует нормальному пищеварению, активизирует некоторые ферменты, принимает участие в процессе расщепления жиров, контролирует состояние эритроцитов, способствует своевременному выведению из организма углекислого газа.

Хлор обладает способностью выделяться с потом, однако основное выделение хлора происходит с мочой. Хлор в составе гипертонических растворов хлорида натрия уменьшает потоотделение как при мышечной работе, так и при высокой температуре окружающей среды.

Значительная часть хлорида натрия при этом задерживается в коже, следствием чего являются повышение набухаемости белков кожи и увеличение количества связанной воды. Одновременно увеличивается количество воды, необходимой для растворения электролитов. Все это приводит к снижению отдачи воды кожей и уменьше-нию потоотделения. Дополнительное введение хлорида натрия в составе газированной воды широко применяется в горячих цехах промышленных предприятий. Однако результаты некоторых исследований не подтверждают снижения потоотделения под влиянием дополнительных количеств хлора, поступающих в составе хлорида натрия.

Природное содержание хлора в пищевых продуктах незначительно. В основном хлор поступает в организм за счет хлорида натрия, добавляемого в пищевые продукты согласно рецептуре их производства, или за счет добавления хлорида натрия в пищу потребителями по собственному усмотрению.

Суточная безвредная доза хлора для взрослого человека составляет 5--7 г.

Симптомы дефицита хлора: мышечная слабость, сонливость, вялость, ослабление памяти, потеря аппетита, сухость во рту, выпадение зубов и волос. Резкое и значительное снижение количества хлора в организме может вызвать кому и даже летальный исход.

Повышенное содержание хлора в организме вредно, так как приводит к задержке воды в тканях и органах, что, прежде всего, влечет повышение кровяного давления. Другие симптомы избытка хлора: боли в голове и груди, диспепсические расстройства, сухой кашель, слезотечение, резь в глазах. В более тяжелых случаях возможно возникновение токсического отека легких и бронхопневмонии с повышением температуры.

Причины возникновения избытка хлора: вдыхание концентрированных паров с содержанием хлора на вредных производствах (текстильное, фармацевтическое, химическое), прием некоторых лечебных препаратов, а также ряд заболеваний: гиперфункция коры надпочечников, повреждение гипоталамуса и другие. Дезинфекция питьевой воды с помощью хлора, в результате чего образуются соединения, приводящие к респираторно-вирусным заболеваниям, гастритам, пневмонии, и по некоторым данным, даже к онкозаболеваниям. Предполагают также, что есть большая опасность отравления хлором при вдыхании концентрированных токсичных веществ во время длительного приема горячего душа.

В таблицах отдела Приложение приводится содержание хлора в некоторых продуктах питания.

Сера

Сера - минеральный компонент, порошок желтого цвета, который при соединении с водородом имеет запах тухлых яиц.

Значение серы в жизнедеятельности организма выяснено недостаточно. Известно, что сера является необходимым структурным компонентом некоторых аминокислот (метионин, цистин), витаминов (тиамин и др.), а также входит в состав инсулина и участвует в его образовании. Сера необходима для поддержания нормальной деятельности печени и процессов очищения организма.

Сера играет важную роль в образовании ферментов - активных веществ, ускоряющих химические реакции в организме. Результаты некоторых исследований говорят о том, что возможным результатом действия серосодержащих соединений является снижение кровяного давления, уровня сахара и холестерина в крови.

Негативные последствия избыточного содержания элемента в литературе не описаны. Нехватка серы приводит к нарушению обменных процессов, в частности пигментного обмена. Предполагают, что возможными симптомами недостатка элемента могут быть повышенное содержание сахара и триглицеридов в крови, а также болезненность суставов.

Количество этого макроэлемента в продуктах питания пропорционально содержанию белков. Больше серы присутствует в продуктах животного происхождения: птице, мясе, морепродуктах, яичном желтке. Из продуктов растительного происхождения стоит отметить лук, спаржу, бобы, чеснок, хрен, орехи, редьку, редис, капусту, шпинат, сливу, крыжовник.

В таблицах отдела Приложение приводится содержание серы в некоторых продуктах питания.

3. Методы определения качественного и количественного содержания макроэлементов в продуктах питания

В наше время технологического бума существует множество методов определения состава продуктов питания, от давно известных, и до самых инновационных. В данном разделе рассмотрим наиболее популярные и сравнительно не сложные с точки зрения их проведения методы, а именно физико- химические.

Эти методы получили наиболее широкое распространение при оценке качества потребительских товаров. Эти методы отличаются тем, что исследование товаров осуществляется с помощью измерительных приборов, а результаты выражаются в объективных величинах, поэтому определение отличается достоверностью и может быть проверенно повторным анализом. Физико-химические методы устанавливают зависимость между физическими свойствами и химическим составом продукта. Принцип определения химического состава любыми методами один и тот же: состав вещества определяется по его свойствам.

3.1 Эмиссионный спектральный анализ

Эмиссионный спектральный анализ является физико-химическим методом анализа, а точнее оптическим методом.

Каждое вещество, отличающееся от других веществ своим составом и строением, обладает некоторыми индивидуальными, присущими только ему свойствами. ПР, спектры испускания, поглощения и отражения веществом излучений имеют характерный для каждого вещества вид. По растворимости и форме кристаллов также можно узнать данное вещество.

При использовании ф-х методов нас интересует концентрация анализируемого вещества, т. е. Его содержание в единице объема исследуемого раствора. Концентрацию веществ определяют пользуясь тем, что между ней и значением исходящих от вещества сигналов всегда существует зависимость. Независимо от метода анализа способы расчета содержания искомого компонента в продукте едины для всех физико-химических методов.

3.2 Атомно-эмиссионный спектроскопия: самый популярный многоэлементный метод анализа

Устройство спектрометра для измерения интенсивности излучения света, используемого возбужденными атомами - отдельный внешний источник излучения как токовой, отсутствует: сама проба,ее возбужденные атомы, служат источником излучения. Атомизация и возбуждение атомов происходит в атомизаторе одновременно. Атомизатор представляет собой источник низкотемпературной или высокотемпературной плазмы.

Метод основан на изучении спектров излучения, получаемых при возбуждении проб в жестком источнике возбуждения. Для получения спектра эмиссии частицам анализируемого вещества необходимо придать дополнительную энергию. С этой целью пробу при спектральном анализе вводят в источник света, где она нагревается и испаряется, а попавшие в газовую фазу молекулы диссоциируют на атомы, которые при столкновениях с электронами переходят в возбужденное состояние. В возбужденном состоянии атомы могут находится очень недолго (10-7 сек). Самопроизвольно возвращаясь в нормальное или промежуточное состояние, они испускают избыточную энергию в виде квантов света.

Интенсивность спектральной линии или мощность излучения при переходе атомов из одного энергетического состояния в другое определяется числом излучающих атомов Ni (числом атомов, находящихся в возбужденном состоянии i) и вероятностью Aik перехода атомов из состояния i в состояние k.

Оптимальная температура, при которой достигается максимальная интенсивность линии, зависит от потенциала ионизации атомов и энергии возбуждения данной спектральной линии. Кроме того, степень ионизации атомов, а следовательно, и интенсивность спектральной линии зависят также от химического состава и концентраций других элементов.

Интенсивность спектральной линии зависит от температуры источника света. Поэтому в атомно-эмиссионный спектральный анализе принято измерять интенсивность аналитической линии относительно интенсивности некоторой линии сравнения. Чаще всего это линия, принадлежащая основному компоненту пробы.

В практике атомно-эмиссионного спектрального анализа в качестве источников возбуждения спектров применяют электрические дуги постоянного и переменного тока, пламя, низко- и высоковольтную конденсированную искру, низковольтный импульсный разряд, микроволновой разряд и др.

Для регистрации спектра используют визуальные, фотографические и фотоэлектрические устройства. В простейших приборах - стилометрах и стилоскопах оценка интенсивности спектральных линий производится визуально через окуляр. В спектрографах в качестве приемника излучения используют фотопластинки. В квантометрах и фотоэлектрических стилометрах приемником излучения служит фотоэлимент.

Для количественного анализа необходимо выполнить еще одну операцию: измерить интенсивность спектральных полос, принадлежащих макроэлементам, и по предварительно построенным калибровочным графикам или по эталонам вычислить их концентрацию, т. е. установить количественный состав пробы. Для количественного анализа методом атомно-эмиссионной спектроскопии плазма как источник возбуждения предпочтительнее, чем дуговой или искровой разряд. Вследствие колебаний условий возбуждений при определении концентрации элемента следует для сравнения использовать линию еще какого-нибудь элемента, называемого внутренним стандартом.

Качественный анализ продуктов питания методом атомно-эмиссионной спектроскопии включает следующие операции: получение спектра, определение длин волн спектральных линий. По этим данным с помощью справочных таблиц устанавливают принадлежность спектральных линий к определенным макроэлементам, т. е. Определяют качественный состав пробы.

С использованием плазменных атомизаторов также возможен качественный анализ на металлы и те неметаллы, энергия возбуждения которых лежат в УФ-видимой области.

Все методы атомно-эмиссионной спектроскопии являются относительными и требуют градуировки с использованием подходящих стандартов.

Измерение интенсивности спектральных линий в эмиссионном спектральном анализе могут осуществляться визуальным, фотографическим и фотоэлектрическими способами.

В первом случае проводят визуальное сравнение интенсивностей спектральных линий определяемого макроэлемента и близлежащих линий из спектра основного компонента пробы.

Фотографические способы регистрации спектров применяют в атомно-эмиссионном спектральном анализе наиболее широко. Их преимуществом является документальность анализа, одновременность регистрации, низкие пределы обнаружения многих элементов и возможность многократной статистической обработки спектров

В случае фотографической регистрации градуировочные графики претерпевают сдвиг из-за колебаний свойств фотоэмульсии от одной пластинки к другой и недостаточно точного воспроизведения условий проявления.

Для получения данных с высокой скоростью и точностью широкое применение находят фотоэлектрические способы регистрации и фотометрии спектров. Сущность этих способов заключается в том, что световой поток нужной аналитической линии отделяют от остального спектра пробы с помощью монохроматора и преобразуют в электрический сигнал. Мерой интенсивности линии служит значение этого сигнала (сила тока или напряжение).

Современные спектрометры снабжены базами данных, содержащими до 50000 важнейших линий различных элементов. Путем последовательного сканирования всей области длин волн на таких приборах можно провести полный качественный анализ за достаточно небольшое время - 45 мин.

Атомно-эмиссионная спектроскопия находит применение везде, где требуется многоэлементный анализ: в медицине, при исследовании состава руд, минералов, вод, анализе качества продуктов питания и содержании в них макроэлементов.

3.3 Атомно-абсорбционный спектральный анализ

ААА - это метод определения концентрации по поглощению слоев параметров элемента монохроматического света, длина волны которого соответствует центру линии поглощения. Анализ проводят по наиболее чувствительным в поглощении спектральным линиям, которые соответствуют переходам из основного состояния в более высокое энергетическое состояние. В большинстве случаев эти линии являются также и наиболее чувствительными и в эмиссионном анализе. Если молекулы вещества поглощают свет полосами в широких интервалах волн, то поглощение парами атомов происходит в узких пределах, порядка тысячной доли нанометра.

В ААА анализируемое вещество под действием тепловой энергии разлагается на атомы. Этот процесс называется атомизацией, т. е. переведение вещества в парообразное состояние, при котором определяемые элементы находятся в виде свободных атомов, способных к поглощению света. Излучение и поглощение света связаны с процессами перехода атомов из одного стационарного состояния в другое. Возбуждаясь атомы переходят в стационарное состояние k с энергией Ek и затем, возвращаясь в исходное основное состояние i с энергией испускают свет определенной частоты.

Излучательные переходы осуществляются спонтанно без какого-либо внешнего воздействия.

Физиологическое значение минеральных элементов определяется их участием:

в образовании струк­тур и осуществлении функции ферментных систем;

в пластических процессах в орга­низме;

в построении тканей организма, особенно костной ткани;

в поддержании кислотно-основного состояния и нормального солевого состава крови;

в нор­мализации водно-солевого обмена.

Минеральные элементы щелочного характера (катио­ны).

Кальций является наиболее распространенным минеральным элементом, который содержится в организ­ме человека в количестве 1500 г. Около 99% кальция находится в костях, участвует в процессах свертывания крови и стимулирует сократи­тельную способность сердечной мышцы.

Источниками кальция являются молоко и молочные продукты: 0,5 л молока или 100 г сыра обеспечивают су­точную потребность взрослого человека в кальции (800 мг). Для беременных и кормящих матерей - 1500 мг в сутки. Дети должны по­лучать 1100-1200 мг кальция в сутки в зависимости от возраста.

Магний играет существенную роль в углеводном и фосфорном обмене, обладает антиспастическими и со­судорасширяющими свойствами.

Основными источниками магния являются злаковые: крупы, горох, фасоль. Продукты животного происхожде­ния содержат очень мало магния.

Потребность взрослого человека в магнии - 400 мг в сутки. Детей - 250-350 мг в сутки в зависимости от возраста.

Натрий участвует в процессах внеклеточного и межтканевого обмена, в поддержании кислотно-основ­ного равновесия и осмотического давления. Натрий в основном поступает в организм с поваренной солью. Потребление натрия составляет 4-6 г в сутки, что соответствует 10-15г хлорида натрия. Потребность в натрии повышается при тяжелом физическом труде, обильном потоотделении, рвотах и поносе.

Калий. Значение калия заключается прежде всего в его способности уси­ливать выведение жидкости из организма. Высо­ким содержанием калия отличаются сухие фрукты – курага, урюк, сушеная вишня, чернослив, изюм. Значительное количество калия содержится в картофеле. Суточная потреб­ность взрослых людей в калии составляет 3-5 г.

Минеральные элементы кислотного характера (анио­ны) - фосфор, хлор, сера.

Фосфор , так же как и кальций, участвует в образо­вании костной ткани, имеют значение в функции нервной системы и мозговой ткани, мышц и печени. Соотношение кальция и фосфора в пище не должно превышать 1: 1,5.

Наибольшее количество фосфора находится в молоч­ных продуктах, яйцах, рыбе. Содержание фосфора в сыре - до 600, яичном желтке - 470, фасоли - 504 мг в 100 г продукта.

Потребность взрослого человека в фосфоре - 1200 мг в сутки.

Хлор поступает в организм в основном с хлористым натрием. Принимает участие в регуляции осмотического давления, нормализации водного обмена, а также в об­разовании соляной кислоты железами желудка

Содержится хлор преимущественно в продуктах жи­вотного происхождения: в яйце - 196, моло­ке - 106, сыре - 880 мг в 100 г продукта.

Потребность в хлоре составляет 4-6 г в сутки.

Сера входит в состав некоторых аминокислот - метионина, цистина, цистеина, витами­нов - тиамина и биотина, а также в состав фермента инсулина.

Источниками серы служат преимущественно продукты животного происхождения: в сыре содержится 263, рыбе-175, мясе-230, яйцах-195 мг в 100 г про­дукта.

Потребность взрослых людей в сере ориентировочно определена в количестве 1 г/сут.

Биомикроэлементы представлены в пищевых про­дуктах в небольших количествах, но характе­ризуются выраженными биологическими свойствами. К ним относятся железо, медь, кобальт, йод, фтор, цинк, стронций и т. д.

Железо играет важную роль в кроветворении, нормализации состава крови. Около 60% железа в организме, сосредото­чено в гемохромогене - основной части гемоглобина. Наибольшее количество железа находится в печени, почках, икре, мясных продуктах, яйцах, орехах.

Потребность взрослого человека в железе составляет 10 мг/сут для мужчин и 18 мг/сут для женщин.

Медь является вторым (после железа) кроветвор­ным биомикроэлементом. Медь способствует переносу железа в костный мозг.

Содержится медь в печени, рыбе, яичном желтке и зеленых овощах. Суточная потребность - около 2,0 мг.

Кобальт является третьим биомикроэлементом, участвующим в кроветворении, он активирует процессы образования эритроцитов и гемоглобина, является исходным материалом для образования в организме витаминаB 12 .

Кобальт содержится в печени, свекле, землянике, в крупе овсяной. Потребность в ко­бальте 100-200 мкг/сут.

Марганец активирует процессы костеобразования, кроветворения, способствует обмену жиров, обладает липотропными свойствами, влияет на функцию эндокрин­ных желез.

Основные источники его - растительные продукты, особенно листовые овощи, свекла, черника, ук­роп, орехи, бобовые, чай.

Потребность в марганце составляет около 5 мг в сутки.

Биомикроэлементами, являются йод, фтор, они связаны с эндемическими заболеваниями.

Йод участвует в образовании гормона щитовидной железы - тироксина. Он распространен в природе неравномерно. В районах с низким природ­ным содержанием йода в местных продуктах возникает эндемический зоб. Это за­болевание характеризуется увеличением щитовидной же­лезы, нарушением ее функции.

Профилактика эндемического зоба включает специфи­ческие и общие мероприятия. К специфическим меро­приятиям относится продажа насе­лению йодированной соли с целью обеспечить ежедневное поступление в организм человека около 200 мкг йода.

Фтор играет существенную роль в процессах раз­вития зубов, формирования дентина и зубной эмали, а также костеобразования. Следует заметить, что основным источником фтора для человека являются не пищевые продукты, а питьевая вода.

ВИТАМИНЫ И ИХ ЗНАЧЕНИЕ В ПИТАНИИ

Витамины представляют собой низкомолекулярные органические соединения, различные по своей химиче­ской структуре. В организме витамины не синтезируются или синтезируются в малых количествах, поэтому должны поступать с пищей. Они принимают участие в обмене веществ, оказывают большое влияние на состояние здоровья, адаптационные способности, трудоспособность. Длительное отсутствие в пище того или иного витамина вызывает авитаминоз (гиповитаминоз). Для всех гиповитаминозов характерны общие признаки, которые проявляются слабостью, повышенной утомляемостью, сниженной тру­доспособностью, подверженностью различным простуд­ным заболеваниям. Повышенное поступление витаминов в организм человека приводит кгипервитаминозам (на­пример, гипервитаминозы витаминовAиDу детей).

В основу современной классификации вита­минов положен принцип растворимости их в воде и жире.

Несмотря на то что многие люди приблизительно представляют себе, что это такое, некоторые не могут дать определение понятию «минерал». Классификация минералов включает в себя большое количество самых разнообразных элементов, каждый из которых нашел применение в той или иной сфере деятельности благодаря своим преимуществам и особенностям. Поэтому важно знать о том, какими свойствами они обладают и как могут быть использованы.

Минералы представляют собой продукты искусственных или естественных химических реакций, которые происходят как внутри земной коры, так и на ее поверхности, и при этом являются однородными химически и физически.

Классификация

На сегодняшний день известно более 4000 различных пород, которые входят в категорию «минерал». Классификация минералов же осуществляется по следующим признакам:

• генетические (в зависимости от происхождения);
• практические (сырье, руда, драгоценные камни, горючее и т. п.);
• химические.

Химическая

На данный момент наиболее распространенной является классификация минералов по химическому составу, которая применяется современными минералогами и геологами. Она базируется на характере соединений, между различными структурами элементами, типах упаковки и еще множестве других особенностей, которые может иметь минерал. Классификация минералов такого рода предусматривает разделение их на пять типов, каждый из которых характеризуется преобладанием определенного характера связи между определенными структурными единицами.

• самородные элементы;
• сульфиды;
• окислы и гидроокислы;
• соли кислородных кислот;
• галогениды.

Далее по характеру анионов они разделяются на несколько классов (в каждом типе свое деление), внутри которых уже разбиваются на подклассы, из которых можно выделить: каркасный, цепочечный, островной, координационный и слоистый минерал. Классификация минералов, которые близки между собой по составу и имеют сходную структуру, предусматривает их объединение в различные группы.

Характеристика типов минералов

• Самородные элементы. Сюда входят самородные металлоиды и металлы, такие как железо, платина или золото, а также неметаллы наподобие алмаза, серы и графита.
• Сульфиты, а также различные их аналоги. Химическая классификация минералов включает в эту группу соли такие как пирит, галенит и другие.
• Окислы, гидроокислы и другие их аналоги, представляющие собой соединение металла с кислородом. Магнетит, хромит, гематит, гетит - это основные представители данной категории, которые выделяет химическая классификация минералов.
• Соли кислородных кислот.
• Галогениды.

Также стоит отметить, что в группе "соли кислородных кислот" существует еще и классификация минералов по классам:

• карбонаты;
• сульфаты;
• вольфраматы и молибдаты;
• фосфаты;
• силикаты.

Также бывают разделяющиеся на три группы:

• магматические;
• осадочные;
• метаморфические.

По происхождению

Классификация минералов по происхождению включает в себя три основные группы:

• Эндогенные. Такие процессы минералообразования в преимущественном большинстве случаев предусматривают внедрение в кору земли и последующее застывание подземных раскаленных сплавов, которые принято называть магмами. При этом само образование минералов осуществляется в три шага: магматический, пегматитовый и постмагматический.
• Экзогенные. В данном случае образование минералов осуществляется совершенно в других условиях по сравнению с эндогенным. Экзогенное минералообразование предусматривает химическое и физическое разложение веществ и одновременное формирование новообразований, имеющих устойчивость к другой среде. Кристаллы образуются в результате выветривания эндогенных минералов.
• Метаморфические. Вне зависимости от путей образования горных пород, их прочности или устойчивости, они всегда будут изменяться под воздействием определенных условий. Породы, которые формируются по причине изменения свойств или состава первоначальных образцов, принято называть метаморфическими.

По Ферсману и Бауэру

Классификация минералов по Ферсману и Бауэру включает в себя несколько пород, предназначенных в основном для изготовления различных изделий. В нее входят:

• самоцветы;
• цветные камни;
• органогенные камни.

Физические свойства

Классификация минералов и горных пород по происхождению и составу включает в себя множество наименований, и при этом каждый элемент имеет уникальные физические свойства. В зависимости от этих параметров определяется ценность той или иной породы, а также возможность его применения в различных сферах деятельности человека.

Твердость

Данная характеристика представляет собой сопротивление определенного твердого тела царапающему воздействию другого. Таким образом, если рассматриваемый минерал мягче того, которым царапают его поверхность, на нем будут оставаться следы.

Принципы классификации минералов по твердости основываются на использовании шкалы Мооса, которая представлена специально подобранными породами, каждая из которых способна царапать своим острым концом предыдущие наименования. Она включает в себя список из десяти наименований, который начинается с талька и гипса, а заканчивается, как многим известно, алмазом - наиболее твердым веществом.

Изначально породой принято проводить по стеклу. Если на нем будет оставаться царапина, то в таком случае классификация минералов по твердости уже предусматривает присваивание ему более 5-го класса. После этого твердость уже уточняется по Соответственно, если на стекле осталась царапина, то в таком случае далее берется образец из 6-го класса (полевой шпат), после чего пробуют чертить им по нужному минералу. Таким образом, если, к примеру, оставил на образце царапину, а апатит, который находится под номером 5, не оставил, ему присваивается класс 5.5.

Не стоит забывать о том, что в зависимости от значения кристаллографического направления у некоторых минералов может различаться твердость. К примеру, у дистена на плоскости спайности твердость вдоль длинной оси кристалла имеет значение 4, в то время как поперек на этой же плоскости оно увеличивается до 6. Очень твердые минералы можно встретить исключительно в группе с неметаллическим блеском.

Блеск

Формирование блеска у минералов осуществляется за счет отражения от их поверхности лучей света. В любом пособии о минералах классификация предусматривает деление на две крупные группы:

• с металлическим блеском;
• с неметаллическим блеском.

К первым относятся те породы, которые дают черную черту и являются непрозрачными даже в достаточно тонких осколках. Сюда относится магнетит, графит и уголь. В качестве исключения здесь рассматриваются также минералы с неметаллическим блеском, имеющие цветную черту. Это касается золота с зеленоватой чертой, меди со своеобразной красной, серебра с серебряно-белой, а также ряда других.

Металлический по своей природе схож с блеском свежего излома различных металлов, и его достаточно хорошо можно увидеть на свежей поверхности образца, даже если рассматриваются Классификация изделий с таким блеском также включает в себя непрозрачные образцы, которые являются более тяжелыми в сравнению с первой категорией.

Металлический блеск является характерным для минералов, которые представляют собой руду различных металлов.

Цвет

Стоит отметить, что цвет является постоянным признаком только для некоторых минералов. Таким образом, малахит всегда остается зеленым, золото не теряет своего золотисто-желтого цвета и т. д., в то время как для множества других он является непостоянным. Для определения цвета нужно предварительно получить свежий скол.

Отдельное внимание следует уделить тому, что классификация свойств минералов предусматривает также такое понятие, как цвет черты (молотого порошка), который зачастую не отличается от стандартного. Но при этом существуют и такие породы, у которых цвет порошка значительно отличается от их собственного. К примеру, в их число входит кальцит, который может быть желтым, белым, голубым, синим и еще во множестве других вариаций, но при этом порошок в любом случае будет оставаться белым.

Порошок, или черта минерала, получается на фарфоре, который не должен покрываться никакой глазурью и среди профессионалов называется просто «бисквит». По его поверхности проводится черта определяемым минералом, после чего она немного размазывается пальцем. Не следует забывать о том, что твердые, а также сильно твердые минералы не оставляют за собой никакого следа по причине того, что этот «бисквит» они попросту будут царапать, поэтому предварительно нужно соскоблить определенную часть с них на белую бумагу, и затем уже растереть до нужного состояния.

Спайность

Данное понятие подразумевает свойство минерала раскалываться или же расщепляться в некотором направлении, оставляя при этом блестящую гладкую поверхность. Стоит отметить тот факт, что Эразм Бартолин, который открыл данное свойство, отправил результаты проведенных исследований довольно авторитетной комиссии, включающей в себя таких известных ученых, как Бойль, Гук, Ньютон и еще множество других, но они признали обнаруженные явления случайными, а законы недействительными, хотя уже буквально через столетие оказалось, что все результаты были верны.

Таким образом, предусматривается пять основных градаций спайности:

• весьма совершенная - минерал можно легко расщепить на небольшие пластинки;
• совершенная - при любых ударах молотком образец будет раскалываться на обломки, которые ограничиваются плоскостями спайности;
• ясная или средняя - при попытке раскалывания минерала формируются обломками, которые ограничиваются не только плоскостями спайности, но и неровными поверхностями в случайных направлениях;
• несовершенная - обнаруживается с определенными сложностями;
• весьма несовершенная - спайность практически отсутствует.

Определенные минералы имеют сразу несколько направлений спайности, что зачастую становится для них основным диагностическим признаком.

Излом

Под этим понятием подразумевается поверхность раскола, которая прошла в минерале не по спайности. На сегодняшний день принято различать основные пять типов изломов:

• ровный - на поверхности отсутствуют какие-либо заметные изгибы, но при этом она не зеркально ровная, как в случае со спайностью;
• ступенчатый - характерен для кристаллов, имеющих более-менее ясную и совершенную спайность;
• неровный - проявляется, к примеру, у апатита, а также ряда других минералов, имеющих несовершенную спайность;
• занозистый - характерен для минералов волокнистого сложения и чем-то схож с изломом древесины поперек волокнистости;
• раковистый - по форме своей поверхности схож с раковиной;

Другие свойства

Достаточно большое количество минералов имеет такой диагностический или отличительный признак, как магнитность. Для ее определения принято использовать стандартный компас или специальный намагниченный нож. Проведение испытаний в данном случае осуществляется следующим образом: берется небольшой кусочек или же малое количество порошка испытуемого материала, после чего к нему притрагиваются намагниченным ножом или подковкой. Если после этой процедуры частички минерала начинают притягиваться, это говорит о наличии у него определенной магнитности. При использовании компаса его кладут на какую-нибудь ровную поверхность, после чего дожидаются выравнивания стрелки и подносят к ней минерал, не прикасаясь при этом к самому устройству. Если стрелка начинает смещаться, это говорит о том, что он магнитный.

Определенные минералы, в составе которых содержатся углекислые соли, под воздействием соляной кислоты начинают выделять углекислый газ, который проявляется в визе пузырьков, поэтому многие называют это «кипением». Среди таких минералов выделяются: малахит, кальцит, мел, мрамор и известняк.

Также некоторые вещества можно хорошо растворять в воде. Такую способность минералов несложно определить на вкус, и в частности, это касается а также и других.

Если требуется проведение исследований минералов на плавкость и горение, то нужно предварительно отколоть небольшой кусочек от образца, после чего с помощью пинцета внести его непосредственно в пламя от газовой горелки, спиртовки или же свечи.

Формы их нахождения в природе

В преимущественном большинстве случаев в природе различные минералы встречаются в виде сростков или одиночных кристаллов, а также могут показываться в виде скоплений. Последние состоят из большого количества зерен, имеющих внутреннее кристаллическое строение. Таким образом, выделяется три основных группы, имеющих характерный внешний вид:

• изометрические, одинаково развитые во всех трех направлениях;
• удлиненные, имеющие более вытянутые формы в одном из направлений;
• вытянутые в двух направлениях при сохранении третьего в коротком виде.

При этом стоит отметить, что некоторые минералы могут собой образовывать закономерно сросшиеся кристаллы, которые потом называют двойниками, тройниками и другими наименованиями. Такие образцы зачастую являют собой результат срастания или же взаимного прорастания кристаллов.

Виды

Не стоит путать закономерные сростки и незакономерные агрегаты кристаллов, к примеру, со «щетками» или же друзами, которые нарастают на стенах пещер и различных полостей в горных породах. Друзы представляют собой сростки, образующиеся из нескольких более или менее правильных кристаллов и при этом прирастающие одним концом к какой-нибудь породе. Для их формирования требуется открытая полость, которая предусматривает возможность свободного роста минералов.

Помимо всего прочего, многие кристаллические минералы отличаются достаточно сложными неправильными формами, что приводит к образованию дендритов, натечных форм и других. Формирование дендритов осуществляется по причине слишком быстрой кристаллизации минералов, расположенных в тонких трещинах и порах, причем породы в данном случае начинают напоминать довольно причудливые ветви растений.

Нередко бывают и такие ситуации, когда минералы практически полностью заполняют небольшое пустое пространство, что приводит к образованию секреции. У них используется концентрическое строение, а минеральное вещество заполняет его к центру от периферии. Достаточно крупные секреции, у которых внутри остается пустое пространство, принято называть жеодами, в то время как небольшие образования именуются миндалинами.

Конкреции - это стяжения некорректной округлой или шарообразной формы, формирование которых возникает по причине активного отложения минеральных веществ вокруг определенного центра. Довольно часто для них характерна радиально-лучистая внутренняя конструкция, а в отличие от секреций рост осуществляется, наоборот, к периферии от центра.

Попыткисистематизации минералов на различной основе предпринимались еще в античном мире. Первоначально (от Аристотеля до Ибн Сины и Бируни) минералы систематизировались по внешним признакам. Со 2-ой половины XIX в. исключительное распространение получили химические классификации, а в ХХ в. – кристаллохимические. В настоящее время наиболее распространена классификация минералов, в основу которой положен химический принцип (химический состав, тип химических соединений, характер химической связи). Более мелкие таксоны внутри классов выделяют с учетом структурных особенностей минералов (таблица 1.1).

Краткая характеристика классов минералов

Самородные элементы . В самородном состоянии в природе известно около 40 химических элементов, но большинство из них встречаются очень редко. Нахождение элементов в самородном виде связано со строением их атомов, имеющих устойчивые электронные оболочки. Химически инертные в природных условиях элементы называются благородными.

В виде самородных металлов встречаются Au, Pt, Ag, Cu, Fe, Pb, Sn, Hg, Zn, Al, типичны в природном состоянии и сплавы нескольких металлов, например (Pt+Fe), (Pt+Fe+Ni), (Au+Ag) и др. Из самородных полуметаллов наиболее распространены As, Sb, Se, Te, из неметаллов – различные модификации С (графит, алмаз) и S. Графит и сера часто образуют крупные месторождения.

Халькогениды (сернистые соединения ) представляют собой соединения катионов с серой (сульфиды). В природе известно около 200 сернистых соединений, но только 20 из них встречаются в значительных количествах. Наиболее распространены соединения с Fe, Cu, Pb, Zn, Sb, Hg.

Цвет сульфидов разнообразный (свинцово-серый, черный, латунно-желтый, медно-желтый, оранжевый, желтый, красный). Твердость варьирует от 1 до 6-6,5, плотность меняется от средней до высокой.

Основная масса сульфидов образуется гидротермальным путем, известны также сульфиды магматического и метаморфического генезиса, некоторые являются результатом экзогенных процессов.

Сульфиды – важные рудные минералы, сырье для получения цветных, тяжелых и некоторых редких и рассеянных металлов, их сплавов.

Таблица 1.1

Классификация минералов

Кислородные соединения. Оксиды и гидрооксиды – соединения элементов с кислородом, в гидрооксидах присутствует также вода. В земной коре на долю этих минералов приходится около 17%, из них на долю кремнезема (SiO 2) – 12,6%, на долю оксидов и гидрооксидов Fe – 3,9%. К числу распространенных минералов относятся также окислы и гидроокислы алюминия, марганца и окислы титана.

Физические свойства этих минералов различны, для большинства из них характерна высокая твердость. Происхождение магматическое, пегматитовое, гидротермальное, но большинство окислов образуется в результате экзогенных процессов в верхних частях литосферы. Многие эндогенные минералы при выветривании разрушаются и переходят в окислы и гидроокислы, как более устойчивые соединения в условиях поверхности. Будучи физически и химически устойчивыми, многие окислы накапливаются в россыпях.

Сульфаты – природные соли серной кислоты. В природе известно около 190 минеральных видов, которые представляют собой простые безводные соли или сложные соли с конституционной и кристаллизационной водой. Основная структурная единица – анионный радикал 2 , среди катионов видообразующими являются Ca 2+ , Ba 2+ , Mg 2+ и др.

Цвет сульфатов обусловлен примесями ионов-хромофоров и наличием структурных дефектов. Характерны низкая твердость (2-3,5), хорошая растворимость в воде.

Сульфаты формируются в окислительных условиях на участках распространения сульфидных месторождений, в корах выветривания, а также как хемогенные отложения содовых, сульфатных, соляных озер и крупных водных бассейнов. Эндогенные сульфаты типичны для средне- и низкотемпературных гидротермальных жил, реже отмечаются как продукты вулканической деятельности.

Фосфаты – соли ортофосфорной кислоты. В природе известно свыше 230 простых и сложных, водных и безводных соединений. Основная структурная единица – анионный радикал 3- ; среди катионов видообразующими являются Ca 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Mg 2+ ,TR 3+ и др. Встречаются фосфаты в виде листовато-уплощенных и таблитчатых кристаллов или в виде чешуйчатых агрегатов. Характерные свойства: бесцветны или интенсивно окрашены в синий цвет различных оттенков; люминесценция; твердость – 3-5, плотность – 1,6-7,0 г/см 3 . Происхождение: магматическое, гидротермальное, экзогенное.

Карбонаты – соли угольной кислоты. Ведущие катионы Ca 2+ , Fe 2+ , Na + , Mg 2+ , Ba 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ и др. Это многочисленная группа (около 120 минеральных видов), из которых многие имеют значительное распространение. Встречаются карбонаты в виде хорошо ограненных кристаллов значительных размеров; плотных, зернистых масс, слагающих мощные мономинеральные толщи; радиально-лучистых, игольчатых, натечных, почковидных агрегатов и тонких смесей с другими минералами.

Большая часть карбонатов белые или бесцветные; окраску карбонатам придают хромофорные ионы типа Fe 2+ , Mn 2+ , TR 3+ , Cu 2+ и тонкодисперсные механические примеси (гематит, битум и т.д.). Твердость около 3-4,5, плотность невелика, за исключением карбонатов Zn, Pb, Ba.

Важным диагностическим признаком является действие на карбонаты кислот (HCl, HNO 3), от которых они в той или иной степени вскипают с выделением углекислого газа.

По происхождению карбонаты осадочные (биохимические или химические осадки), осадочно-метаморфические; поверхностные, характерные для зоны окисления; низко- и среднетемпературные гидротермальные; метасоматические. Иногда они кристаллизуются из кальцитовых и содовых вулканических лав магматического происхождения.

Карбонаты – важнейшие неметаллические полезные ископаемые, а также ценные руды на Zn, Pb, Fe, Cu и др. металлы. Известняки, доломиты, мраморы – почти мономинеральные горные породы, сложенные карбонатами.

Силикаты – соли кремниевой кислоты. На долю силикатов приходится до 75% массы земной коры и около 25% минеральных видов. В природе известно свыше 700 природных силикатов, включая важнейшие породообразующие минералы (полевые шпаты, пироксены, амфиболы, слюды и др.).

Основная структурная единица – одиночные изолированные тетраэдрические радикалы 4- . Ведущие катионы Na + , Mg 2+ , Al 3+ , Ca 2+ , Fe 2,3+ , К + , Мn 2+ .

Структурное разнообразие силикатов определяется строением кремнекислородных радикалов. Различают силикаты с островными, цепочечными, ленточными, листовыми, каркасными радикалами.

Островные силикаты, т.е. силикаты с изолированными тетраэдрами 4- и изолированными группами тетраэдров. В силикатах с изолированными тетраэдрами 4- каждый из четырех кислородов имеет одну свободную валентность. Между собой тетраэдры непосредственно не связаны, связь происходит через катионы Mg, Fe, Al, Zr и др. Силикаты с островной структурой имеют изометрический облик и характеризуются повышенной твердостью и плотностью (оливин).

Цепочечные силикаты характеризуются структурой, в которой тетраэдры сочленяются в виде непрерывных обособленных цепочек. Радикалы 4- , 6- , катионы Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 3+ , Al 3+ , Na + (пироксены).

Ленточные силикаты имеют тетраэдры в виде сдвоенных цепочек, лент, поясов. Радикал 6- , катионы Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 3+ , Al 3+ , Na + , (амфиболы). Часто содержат ионы (OH) ‾ 2.

Силикаты цепочечной и ленточной структур обычно вытянуты, для них характерны призматические и столбчатые кристаллы, игольчатые и волокнистые агрегаты.

Листовые силикаты – силикаты с непрерывными слоями кремнекислородных тетраэдров. Радикал такой структуры 2- . Слои тетраэдров обособлены друг от друга и связаны катионами Mg 2+ , Fe 3+ , Al 3+ , Ni + и др. Содержат ионы (OH) 2 , (OH, F) 2 (тальк, серпентин, глинистые минералы, слюды, хлориты).

Листовые силикаты характеризуются весьма совершенной спайностью и листоватым обликом минералов. Это объясняется тем, что сами слои кремнекислородных тетраэдров являются очень прочными, а связь между ними, осуществляемая через катионы, менее прочная.

Каркасные силикаты – силикаты с непрерывными трехмерными каркасами из алюмо- и кремнекислородных тетраэдров. В этом случае все кислороды у тетраэдров являются общими, их валентности использованы на связь с катионами, каркас нейтрален. Радикал такого каркаса 0 . Именно такой каркас отвечает структуре кварца (кварц по этой причине можно относить к силикатам с каркасной структурой).

Алюмокислородные радикалы m- образуются в результате замещения четырехвалентного кремния трехвалентным алюминием, что вызывает появление одной свободной валентности и влечет за собой необходимость вхождения других катионов. Видообразующими катионами силикатов являются Na + , K + , Ca 2+ (полевые шпаты, фельдшпатиды).

Большинство силикатов бесцветные или белые. Силикаты Fe, Mn, Ni, Zr и др. элементов окрашены в различные цвета. Блеск стеклянный до алмазного. Спайность совершенная по двум-трем направлениям, весьма совершенная, плотность от 2,0 до 6,5 г/см 3 , твердость 1-8.

Силикаты – полигенные минералы. Они кристаллизуются из магмы, образуются в процессе метаморфизма, типичны для зон окисления рудных месторождений.

Галогениды (галоидные соединения ). Хлориды – соли соляной кислоты. Известно порядка 100 минеральных видов. Собственная окраска хлоридов белая; чистые кристаллы бесцветны и прозрачны. Желтые, бурые, серые, красные и др. цвета галоидным соединениям придают механические примеси: гидроокислы железа, органические вещества и др. Хлориды имеют невысокую твердость – 1,0-3,5; плотность варьирует от 1,5-2,5 до 6,5-8,3 г/см 3 , хорошо растворяются в воде, гигроскопичны.

Образуются хлориды преимущественно хемогенно-осадочным путем – при испарении воды соляных и содовых озер или морских бассейнов и лагун.

Фториды – природные соединения элементов Na, K, Ca, Mg и др. элементов с фтором. Известно до 59 минеральных видов, большая часть из которых распространена ограничено. Наиболее ценным минералом является флюорит, встречающийся в месторождениях гидротермального, пневматолитового и грейзенового типов.

В таблице 1.2 приведена характеристика основных породообразующих минералов и минералов, наиболее широко распространенных в природе и имеющих практическую ценность.

Вопросы для самопроверки

Дайте определение понятию минерал.

Какое состояние могут иметь минералы в природных условиях?

Чем отличаются минералы с кристаллическим и аморфным строением?

Что называется минеральным агрегатом? Какие бывают агрегаты?

Перечислите важнейшие физические свойства минералов.

Что такое спайность? Ее причины.

Какие методы существуют для определения твердости?

Назовите минералы шкалы твердости Мооса.

Каким бывает излом минералов?

Каковы причины окраски минералов?

Что такое побежалость? Для каких минералов она характерна?

Как отличаются минералы по блеску?

Как определяются магнитные свойства минералов?

По каким признакам можно систематизировать минералы? Какой признак для классификации минералов является наиболее научно обоснованным?

Какие процессы минералообразования относятся эндогенным и какие к экзогенным?

Задание:

Используя табл. 1.2, бисквиты, стекла, реактивы и пр. определить образцы из коллекции, предоставленной преподавателем.

План.

Вариант №6.

1. Классификация минералов и условия их образования: главнейшие породообразующие минералы экзогенного и эндогенного происхождения.

2. Ледники, их геологическая роль, распределение. Породы, образование в результате работы ледников эпохи оледенения.

3. Инженерно-геологические исследования для промышленного и гражданского строительства.

4. Лабораторные методы определения деформационных и прочностных свойств грунтов.

5. Структура, текстура, вещественный состав химических и биохимических осадочных пород.

6. Приток напорных вод в совершенный колодец.

Введение.

Геология – комплекс наук о составе, строении. Истории развития Земли, движениях земной коры и размещении в недрах Земли полезных ископаемых. Основным объектом изучения, исходя из практических задач человека, является земная кора.

В последние десятилетия особое развитие получила инженерная геология – наука, изучающая свойства горных пород (грунтов), природные геологические и техногенно-геологические (инженерно-геологические) процессы в верхних горизонтах земной коры в связи со строительной деятельностью человека.

Главная цель инженерной геологии – изучение природной геологической обстановки местности до начала строительства, а также прогноз тех изменений, которые произойдут в геологической среде, и в первую очередь в породах, в процессе строительства и при эксплуатации сооружений. В современных условиях ни одно здание или сооружение не может быть спроектировано, построено и надежно эксплуатироваться без достоверных и полных инженерно-геологических материалов.

1. Классификация минералов и условия их образования: главнейшие породообразующие минералы экзогенного и эндогенного происхождения.

Минерал – природное тело с определенным химическим составом и кристаллической структурой, образующееся в результате природных физико-химических процессов и являющееся составной частью земной коры, горных пород, руд, метеоритов. Изучением минералов занимается наука минералогия.

В земной коре содержится более 7000 минералов и их разновидностей. Большинство из них встречаются редко и лишь немногим более 100 минералов встречаются часто и в достаточно больших количествах, входят в состав тех или иных горных пород. Такие минералы называют породообразующими.

Происхождение минералов. Условия, в которых образуются минералы в природе, отличаются большим разнообразием и сложностью. Различают три основных процесса минералообразования: эндогенный, экзогенный и метаморфический.

Эндогенный процесс связан с внутренними силами Земли и проявляется в ее недрах. Минералы формируются из магмы – силикатного огненно-жидкого расплава. Таким путем образуются, например, кварц и различные силикаты. Эндогенные минералы обычно плотные,с большой твердостью, стойкие к воде, кислотам, щелочам.

Экзогенный процесс свойственен поверхности земной коры. При этом процессе минералы формируются на суше и в море. В первом случае их создание связано с процессом выветривания, т.е. разрушительным воздействием воды, кислорода, колебаний температуры на эндогенные минералы. Таким образом образуются глинистые минералы (гидрослюда, каолинит и др.), различные железистые соединения (сульфиды, оксиды химический осадков из водных растворов (галит, сильвин и др.). в экзогенном процессе ряд минералов образуется также за счет жизнедеятельности различных организмов (опал и др.).

Экзогенные минералы разнообразны по свойствам. В большинстве случаев они имеют низкую твердость, активно взаимодействуют с водой или растворяются в ней.

Метаморфический процесс. Под воздействием высоких температур и давлений, а также магматических газов и воды на некоторой глубине в земной коре происходит преобразование минералов, ранее образовавшихся в экзогенных процессах. Минералы изменяют свое первоначальное состояние, перекристаллизовываются, приобретают плотность, прочность. Так образуются многие минералы-силикаты (роговая обманка, актинолит и др.).

Классификация минералов. Существует много вариантов классификаций минералов. Наиболее широко используется классификация по химическому составу и кристаллической структуре. Вещества одного химического типа часто имеют близкую структуру, поэтому минералы сначала делятся на классы по химическому составу, а затем на подклассы по структурным признакам.

Все минералы разделяют на 10 классов.

Силикаты – наиболее многочисленный класс, включающий до 800 минералов, являющихся основной частью большинства магматических и метаморфических пород. Среди силикатов выделяют группы минералов, характеризующиеся некоторой общностью состава и строения – полевые шпаты, пироксены, амфиболы, слюды, а также оливин, тальк, хлориты и глинистые минералы. Все они по своему составу алюмосиликаты.

Карбонаты. К ним относится более 80 минералов. Наиболее распространены кальцит, магнетизм, доломит. Происхождение в основном экзогенное и связано с водными растворами. В контакте с водой они немного снижают свою механическую прочность, хотя и слабо, но растворяются в воде, разрушаются в кислотах.

Оксиды и гидроксиды. Эти два класса объединяют около 200 минералов, на их долю приходится до 17% всей массы земной коры. Наибольшее распространение имеют кварц, опал и лимонит.

Сульфиды насчитывают до 200 минералов. Типичный представитель пирит. Сульфиды в зоне выветривания разрушаются, поэтому их примесь снижает качество строительных материалов.

Сульфаты. Этот класс объединяет до 260 минералов, происхождение которых связано с водными растворами. Характеризуются небольшой твердостью, светлой окраской. Сравнительно хорошо растворяются в воде. Наибольшее распространение имеют гипс и ангидрит. При соприкосновении с водой ангидрит переходит в гипс, увеличиваясь в объеме до 33%.

Галоиды содержат около 100 минералов. Происхождение связано в основном с водными растворами. Наибольшее распространение имеет галит. Может быть составной частью осадочных пород, легко растворяется в воде.

Минералы классов фосфатов, вольфраматов и самородных элементов встречаются гораздо реже, чем другие.

2. Ледники, их геологическая роль, распределение. Породы, образование в результате работы ледников эпохи оледенения.

Геологические данные говорят о том, что в древние времена оледенение Земли было значительным. На протяжении последних 500-600 тыс. лет на территории Европы насчитывают несколько больших оледенений. Ледники надвигались из района Скандинавии.

В настоящее время льды занимают 10% поверхности суши, 98,5% ледниковой поверхности приходится на полярные области и лишь 1,5% - на высокие горы. Различают три типа ледников: горные, плоскогорий и материковые.

Горные ледники образуются высоко в горах и располагаются либо на вершинах, либо в ущельях, впадинах, различных углублениях. Такие ледники имеются на Кавказе, Урале и т.д.

Лед образуется за счет перекристаллизации снега. Он обладает способностью к пластическому течению, образуя потоки в форме языков. Движение ледников вниз по склонам ограничивается высотой, где солнечного тепла оказывается достаточно для полного таяния льда. Для Кавказа, например, эта высота составляет на западе 2700 м, на востоке – 3600 м. Скорость движения горные ледников различна. На Кавказе, например, она составляет 0,03-0,35 м/сут, на Памире – 1-4 м/сут.

Ледники плоскогорий образуются в горах с плоскими вершинами. Лед залегает нераздельной сплошной массой. От него по ущельям спускаются ледники в виде языков. Такого типа ледник, в частности, располагается сейчас на Скандинавском полуострове.

Материковые ледники распространены в Гренландии, Шпицбергене, Антарктиде и других местах, где сейчас протекает современная эпоха оледенений. Льды залегают сплошным покровом, мощностью в тысячи метров.

Геологическая деятельность льда велика и обусловлена главным образом его движением, несмотря на то, что скорость течения льда примерно в 10000 раз медленнее, чем воды в реках при тех же условиях.

Строительные свойства ледниковых отложений. Моренные (грубые, неоднородные, неслоистые обломочные материалы) и флювиогляциальные (водно-ледниковые) отложения являются надежным основанием для сооружений различного типа. Валунные суглинки и глины, испытавшие на себе давление мощных толщ льда, находятся в плотном состоянии и в ряде случаев даже переуплотнены. Пористость валунные суглинков не превышает 25-30%. На валунных суглинках и глинах здания и сооружения испытывают малую осадку. Эти грунты слабоводопроницаемы и часто служат водоупором для подземных вод.

Такими высокими прочностными свойствами обладают практически все разновидности отложений морен.

Флювиогляциальные отложения со строительной точки зрения хотя и уступают моренным глинистым грунтам по прочности, но являются надежным основанием. Для этого успешно используют различные песчано-гравелистые и глинистые отложения озов и зандров. Некоторое исключение составляют покровные суглинки и ленточные глины. Покровные суглинки легко размокают. Ленточные глины достаточно плотны, слабо водопроницаемы, но могут в условиях насыщения водой быть текучими.

Ледниковые отложения успешно используют как строительный материал (камень, пески, глины); пески озов, камов и зандров пригодны для возведения насыпей и для изготовления бетона. Валуны хороший строительный камень. Имеются примеры использования валунов для изготовления монолитных пьедесталов памятников.

3. Инженерно-геологические исследования для промышленного и гражданского строительства.

Основной задачей инженерно-геологических исследований для промышленного и гражданского строительства является получение информации о инженерно-геологических условиях территории, к которым относятся: рельеф, породы и их свойства, подземные воды, геологические и инженерно-геологические процессы и явления, а также прогноз изменения этих условий под влиянием инженерной деятельности человека.

Инженерно-геологические исследования проводятся последовательно,

в соответствии со стадией проектирования. Детальность исследований возрастает при переходе от одной стадии к другой, изменяются и методы инженерно-геологических исследований.

На начальной стадии инженерных изысканий основным видом инженерно-геологических исследований является инженерно-геологическая съемка, позволяющая в сжатые сроки и при небольших затратах средств оценить инженерно-геологические условия.

При инженерно-геологической съемке на изучаемой территории выделяют, изучают и прослеживают породы, условия залегания их, рельеф, подземные воды, геологические и инженерно-геологические процессы и изображают их на инженерно-геологической карте.

Важно уяснить, что состав и объем инженерно-геологических исследований зависит от сложности инженерно-геологических условий, стадии проектирования, степени изученности района и других факторов.

Следует обратить внимание на значительную сложность инженерно-геологических исследований в районах развития карста, оползней, погребенных долин, где все изыскания проводятся на более значительную глубину, чем при исследованиях в районах с более благоприятными инженерно-геологическими условиями.

4. Лабораторные методы определения деформационных и прочностных свойств грунтов.

Прочность грунтов оценивается максимальной нагрузкой, приложенной к нему в момент разрушения (потери сплошности). Эта характеристика называется пределом прочности R c МПа, или временным сопротивлением сжатию.

На прочность грунтов влияют:

минеральный состав

характер структурных связей

трещиноватость

степень выветрелости

степень размягчаемости в воде и др.

Для нескальных грунтов другой важной характеристикой прочности является сопротивление сдвигу. Определение этого показателя необходимо для расчета устойчивости оснований, т.е. несущей способности, а также для оценки устойчивости грунтов в откосах строительных котлованов, расчета давления грунта на подпорные стены и т.д.

Деформационные свойства характеризуют поведение грунтов под нагрузками, не превышающими критические и не приводящими к разрушению. Деформируемость грунтов зависит, как от сопротивляемости и податливости структурных связей, пористости, так и от способности деформироваться слагающих их материалов. Деформационные свойства грунтов оцениваются модулем деформации Е, МПа.

Грунты определяют устойчивость возводимых на них зданий и сооружений, поэтому необходимо правильно определять характеристики, которые обуславливают прочность и устойчивость грунтов при их взаимодействии со строительными объектами.

Образца грунтов для лабораторных исследований отбираются по слоям грунтов в шурфах в буровых скважинах, которые располагают на строительных площадках.

В лабораторию образцы грунтов доставляют в виде монолитов или рыхлых проб. Монолиты – это образцы грунтов с ненарушенной структурой. Такие монолиты отбираются в скальных и связных (пылевато-глинистых) грунтах. Размеры монолитов должны быть не меньше установленных норм. Так, для определения сжимаемости грунта, пробы, отбираемые в шурфах, должны иметь размеры 20×20×20 см. в монолитах пылевато-глинистых грунтов при этом должна быть сохранена природная влажность. Это достигается созданием на их поверхности водонепроницаемой парафиновой или восковой оболочки. В рыхлых грунтах (песок, гравий) образцы отбираются в виде проб определенной массы. Так, для проведения гранулометрического анализа песка необходимо иметь пробу не менее 0,5 кг.

В лабораторных условия можно определять все физико-механические свойства. Каждая характеристика этих свойств определяется согласно ГОСТу, например, природная влажность и плотность грунта – ГОСТ 5180-84, предел прочности – ГОСТ 17245-79, гранулометрический (зерновой) и микроагрегатный состав – ГОТ 12536-79 и т.д.

Лабораторные исследования на сегодня остаются основным видом определения физико-механических свойств грунтов. Ряд характеристик, например, природная влажность, плотность частиц грунта и некоторые другие определяются только в лабораторных условиях и с достаточно высокой точностью. В тоже время лабораторные исследования грунтов имеют свои недостатки:

они довольно трудоемки и требуют больших затрат времени;

результаты отдельных анализов, например, определение модуля общей деформации, не дает достаточно точных результатов, что бывает связано с неправильным отбором монолитов, неправильным их хранением, низкой квалификацией исполнителя анализа;

определения свойств массива грунта по результатам анализов небольшого количества образцов не позволяют получать верное представление о его свойствах в целом.

Это связано с тем, что однотипные грунты, даже в пределах одного массива, все же имеют известные различия в своих свойствах.

5. Структура, текстура, вещественный состав химических и биохимических осадочных пород.

Горные породы представляют собой природные минеральные агрегаты, которые «рождаются» в земной коре.

По своему происхождению их делят на три типа: магматические, осадочные и метаморфические. В земной коре магматические и метаморфические породы занимают 95% от общей ее массы. Осадочные породы располагаются непосредственно на поверхности Земли, покрывая собой в большинстве случаев магматические и метаморфические породы.

Осадочные горные породы. Любая находящаяся на земной поверхности порода подвергается выветриванию, т.е. разрушительному воздействию воды, колебаний температур и т.д. в результате даже самые массивные, прочные магматические породы постепенно разрушаются, образуя обломки разных размеров и распадаясь до мельчайших частиц.

Продукты разрушения переносятся ветром, водой и на определенном этапе переноса отлагаются, образуя рыхлые скопления или осадки. Накопление происходит на дне рек, морей, океанов и на поверхности суши. Из рыхлых скоплений (осадков) с течением времени формируются различные осадочные породы.

Осадочные породы слагают самые верхние слои земной коры, покрывая своеобразным чехлом породы магматического и метаморфического происхождения. Несмотря на то, что осадочные породы составляют всего 5% земной коры, земная поверхность на 75% своей площади покрыта именно этими породами, в связи с чем строительство и производится в основном на осадочных породах. Инженерная геология этим породам уделяет наибольшее внимание.

Осадочные породы принято подразделять на три основные группы:

1) обломочные;

2) химического происхождения (хемогенные);

3) органогенные, возникшие в результате жизнедеятельности организмов.

Это деление несколько условно, так как многие породы имеют смешанное происхождение, например, отдельные известняки содержат в своем составе материал органогенного, химического и обломочного характера.

Хемогенные породы образуются в результате выпадения их водных растворов химических осадков. Такой процесс происходит в водах морей, континентальных усыхающих бассейнов, соленых источниках и т.д. к таким породам относятся различные известняки, известковый туф, доломит, ангидрит, гипс, каменная соль и др. общей для этих пород особенностью является их растворимость в воде, трещиноватость.

Наиболее распространенными породами являются известняки, которые по своему происхождению могут быть также обломочными, органогенными.

Органогенные (биохемогенные) породы образуются в результате накопления и преобразования остатков животного мира и растений, отличаются значительной пористостью, многие растворяются в воде, обладают большой сжимаемостью. К органогенным породам относятся известняк-ракушечник, диатомит.

6. Приток напорных вод в совершенный колодец.

Воды, находящиеся в верхней части земной коры, носят название подземных вод. Науку о подземных водах, их происхождении, условиях залегания, законах движение, физических и химических свойствах, связях с атмосферными и поверхностными водами называют гидрогеологией.

Классификаций подземных вод существует несколько, но главных из них две. Подземные воды подразделяют: по характеру их использования и по условиям залегания в земной коре. В число первых входят хозяйственно-питьевые воды, технические, промышленные, минеральные, термальные. Ко вторым относят: верховодки, грунтовые и межпластовые воды, а также воды трещин, карста, вечной мерзлоты. В инженерно-геологических целях подземные воды целесообразно классифицировать по гидравлическому признаку – безнапорные и напорные.

Межпластовые напорные воды. Эти воды располагаются в водоносных горизонтах между водоупорами. Они бываю ненапорными и напорными (артезианскими).

Межпластовые ненапорные воды встречаются сравнительно редко. Они связаны с горизонтально залегающими водоносными слоями, заполненными водой полностью или частично.

Напорные (артезианские) воды связаны с залеганием водоносных слоев в виде синклиналей и моноклиналей. Площадь распространения напорных водоносных горизонтов называют артезианским бассейном.

Приток напорных вод к водозаборным сооружениям. Водозаборы – это сооружения, с помощью которых происходит захват (забор) подземных вод для водоснабжения, отвод их с территории строительства или просто в целях понижения уровней грунтовых вод. Существуют различные типы подземных водозаборных сооружений: вертикальные, горизонтальные, лучевые.

К вертикальным водозаборам относят буровые скважины и шахтовые колодцы, к горизонтальным – траншеи, галереи, штольни, к лучевым – водосборные колодцы с водоприемными лучами-фильтрами. Тип сооружения для забора подземной воды выбирают на основе технико-экономического расчета, исходя из глубины залегания водоносного слоя, его мощности, литологического состава водоносных пород и намечаемой производительности водозабора.

Водозаборы, состоящие из одной скважины, колодца и т.д., называют одиночными, а из нескольких – групповыми.

Водозаборные сооружения, вскрывающие водоносный горизонт на полную его мощность, являются совершенными, а не на полную – несовершенными.

Отвод грунтовых вод со строительных площадок или снижение их уровней может производиться временно, только на период производства строительных работ или практически на весь период эксплуатации объекта. Временный отвод воды (или снижение уровня) называют строительным водозабором, а во втором случае – дренажами.

Водозаборные колодцы. Колодцы и траншеи, дно которых достигает водоупоров, называют совершенными; если дно располагается выше водоупора, то несовершенными. Уровень воды в колодце до откачки называют статическим, а уровень, пониженный в процессе откачки, - динамическим.

Если из колодца вода не откачивается, то ее уровень находится в одном положении с поверхностью грунтового потока. При откачке воды возникает депрессионная воронка, уровень воды в колодце понижается. Производительность колодца определяется величиной дебита. Под дебитом колодца понимают то количество воды, которое он может дать за единицу времени. При откачке воды в количестве большем, чем величина дебита, т.е. больше того, что притекает к колодцу из водоносного слоя в единицу времени, уровень резко понижается. На некоторое время колодец может остаться без воды.

Приток воды (дебит) к совершенному колодцу определяют по формуле

Q = πk ф [H 2 -h 2 )/lnR-lnr ]

где r – радиус колодца, м.

в несовершенный колодец вода поступает через его стенки и дно. Это усложняет расчет притока. Дебит таких колодцев меньше дебита совершенных колодцев. При откачке вода поступает в колодец только из части водоносного слоя, которую называют активной зоной Н 0 . Глубину активной зоны принимают 4 / 3 высоты столба воды в колодце до откачки. Эти положение позволяют для несовершенного колодца расход рассчитывать по формуле Дюпюи, в интерпритации Паркера:

Q = 1,36k ф [H 2 -h 2 )/lnR-lnr ]

Колодец отдает воду в объеме своего максимального дебита лишь в том случае, если соседние колодцы будут расположены от него на расстоянии не менее двух радиусов влияния.

Список использованной литературы. классификация горных пород учитывает условия их образования , которые предопределяют строение и, ... мрамор), или из многих сложных силикатов. Главные породообразующие минералы представлены кварцем, полевыми шпатами, слюдами...