Процессы образования минералов
Содержание книги - Минералы и горные породы
Процессы образования минералов и горных пород в земной коре
Минералы — это природные химические соединения, возникающие при различных химических и физико-химических процессах, протекающих в земной коре.
Горные породы — это природные образования, слагающие разнообразные геологические тела, из которых построена земная кора (литосфера). Они представляют собой закономерные сочетания или механические смеси различных по составу кристаллических минеральных зерен, наряду с которыми могут присутствовать аморфное вещество и органические остатки; к горным породам относятся встречающиеся в земной коре смеси жидких минеральных веществ (неорганических и органических).
Минералы, на долю которых приходится основная часть объема горных пород, называются, породообразующими. В большинстве своем они представлены широко распространенными силикатами и алюмосиликатами, иногда карбонатами, хлоридами, фосфатами, окислами и гидроокислами. Минералы, обычно присутствующие в горных породах в незначительном количестве как примеси, носят название акцессорных.
Изучение состава, свойств, условий образования и нахождения минералов в природе — основное содержание минералогии. Наука, изучающая горные породы, называется петрографией (от греч. язтра — скала, камень; урасрсо — пишу: описание камней).
Все процессы образования минералов и горных пород могут быть разбиты на три группы:
A. Эндогенные (внутренние), или, как их часто называют, гипогенные (глубинные) процессы, происходящие за счет внутренней тепловой энергии земного шара.
Б. Экзогенные (внешние), или гипергенные (поверхностные) процессы, происходящие на поверхности земли главным образом под воздействием солнечной энергии.
B. Метаморфические (метаморфогенные) процессы, связанные с перерождением ранее образовавшихся минеральных ассоциаций (как экзогенных, так и эндогенных) в результате изменяющихся физико-химических условий, среди которых главное место занимают изменения давления и температуры.
А. ЭНДОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
1. Магматические процессы протекают в силикатных расплавах (магме), возникающих в глубинах земли. Застывание и кристаллизация магм приводят к образованию различных магматических (изверженных) горных пород (температура 700—800°, иногда до 1200°). По способу образования магматические породы делятся на внедрившиеся (интрузивные) и излившиеся (эффузивные). Первые формируются на большей или меньшей глубине от поверхности земли, в толще осадочных, метаморфических или других изверженных пород, которые они прорывают* Вторые образуются из магмы, достигшей земной поверхности при извержениях вулканов; это затвердевшие вулканические лавы и близкие к ним породы.
2. Пегматитовые процессы выражаются в том, что после кристаллизации основного объема магмы и образования интрузивных пород сохраняется в жидком состоянии небольшая часть магмы, обогащенная летучими веществами и имеющая относительно пониженную температуру затвердевания. Этот остаточный силикатный расплав в дальнейшем дает начало особым минеральным телам — различным типам пегматитовых жил (начальная температура формирования 600—700°).
3. Пневматолитовые (большей частью эксгаляционные) процессы происходят в кратерах, на склонах вулканов и в пустотах лавовых потоков; они проявляются в образовании минералов непосредственно из вулканических эксгаляций — газов и паров (температура выше 200—300°).
4. Пневматолито-гидротермальные процессы совершаются под воздействием (на горные породы) высокотемпературных газово-водных растворов (надкритических флюидов) и носят главным образом метасоматический характер, т. е. выражаются в замещении минералов ранее образовавшихся горных пород (температура 300—500°) новообразованными минеральными ассоциациями.
5. Гидротермальные процессы протекают с участием горячих водных растворов, восходящих из магматических очагов; как правило, эти растворы циркулируют вдоль трещин, при заполнении которых формируются характерные минеральные тела — гидротермальные жилы. Различают высокотемпературные (200—300°), среднетемпературные (100—200°) и низкотемпературные (<100°) гидротермальные процессы.
Б. ЭКЗОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
При экзогенных процессах образуются осадочные горные породы и соответствующие минеральные месторождения (см. ниже). Формы проявления экзогенных процессов следующие: физическое и химическое выветривание горных пород различного происхождения, перенос продуктов Выветривания, отложение их в виде осадка и последующее окаменение последнего.
1. Физическое выветривание состоит в механическом разрушении горных пород под влиянием колебаний температуры воздуха, замерзания и оттаивания воды в трещинах, вымывания частичек горных пород текучими водами или выдувания их ветром, дробления береговых скал морскими волнами, перетирания пород при движении ледников и т. п.
2. Химическое выветривание заключается в частичном или полном разложении минералов горных пород под влиянием кислорода воздуха, углекислоты и атмосферных и грунтовых вод. Последние обычно содержат в растворенном состоянии угольную, иногда серную и другие, в том числе органические, кислоты, выделяемые в процессе жизнедеятельности бактерий и при разложении растительных остатков в почвах, торфяниках и пр.
Среди продуктов химического разложения горных пород легкорастворимые соединения (соли калия, натрия, кальция, магния) уносятся водными потоками. Труднорастворимые соединения кремния, алюминия, железа накапливаются и формируют так называемые коры выветривания, представленные обычно глинистыми породами остаточного происхождения (т. е. образовавшимися на месте без существенного перемещения). Остаточные продукты могут подвергаться последующему размыву, переносу и переотложению в других местах, входя в состав осадочных пород. Специфический характер имеют процессы химического выветривания сульфидных руд, поскольку при окислении сульфидов образуются серная кислота и легкорастворимые сульфаты.
3. Перенос продуктов выветривания осуществляется реками, ручьями, временными водными потоками, морскими волнами и течениями, ледниками, ветром и другими геологическими агентами, действующими на поверхности земли. Перенос сопровождается непрерывным дополнительным разрушением, истиранием и окатыванием обломков, их сортировкой по размеру и весу. Длительный и неоднократный перемыв рыхлых отложений ведет к концентрации наиболее тяжелых, прочных и устойчивых минералов в различного рода россыпях (морских, речных, дельтовых, озерных, ледниковых, остаточных, склоновых и др.).
4. Осадкообразование заключается в отложении материала разрушенных горных пород в озерах, морях и океанах. В зависимости от того, каким путем происходит осаждение — механически (осаждение взвешенных частиц), вследствие процессов коагуляции коллоидных растворов, кристаллизации из насыщенных истинных растворов или, наконец, при участии живых организмов, в том числе бактерий, различают механические, коллоидные, химические и биохимические осадочные процессы и соответствующие осадки.
5. Диагенетические процессы охватывают все явления преобразования осадков сразу же после их отложения и уплотнения и выражаются преимущественно в обезвоживании гидроокислов, раскристаллизации коллоидных осадков, замещении органических остатков карбонатами, минералами кремнезема, сульфидами железа и т. п. Результатом этих процессов являются окаменение осадков (литификация) и образование осадочных горных пород.
6. Инфильтрационные процессы возникают при выветривании горных пород, когда значительная часть химических элементов выщелачивается грунтовыми водами, которые, просачиваясь сквозь толщу осадочных пород, взаимодействуют с ними и образуют специфические низкотемпературные минеральные ассоциации.
В. МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ (МЕТАМОРФИЗМ )
Различают следующие типы процессов метаморфизма:
1. Регионально-метаморфические процессы (региональный метаморфизм). В зонах интенсивного прогибания земной коры осадочные и изверженные породы иногда попадают в условия повышенных температур и давлений, а также подвергаются воздействию высокотемпературных водных растворов. В результате на больших территориях происходит перекристаллизация пород с существенным изменением их первоначального минерального состава. Значительно меняется облик пород: из тонко-зернистых, землистых или стекловатых они превращаются в кристаллические породы и обычно приобретают сланцеватое сложение.
С процессами регионального метаморфизма сопряжено формирование жил альпийского типа, или альпийских жил, обычно представленных полыми трещинами с наросшими на их стенках кристаллами тех же минералов, из которых сложены вмещающие метаморфические породы.
2. Динамометаморфические процессы (динамометаморфизм). Преобразование горных пород под воздействием интенсивного ориентированного давления протекает в отличие от регионального метаморфизма в пределах сравнительно узких зон нарушений сплошности пород (разломов земной коры). Этот процесс выражается в деформации пород — их дроблении, рассланце- вании — и нередко сопровождается перекристаллизацией.
3. Контактово-метаморфические процессы (контактовый метаморфизм). Проявляются вокруг массивов изверженных пород (особенно гранитоидов) и обусловлены их тепловым воздействием на вмещающие осадочные и осадочно-метаморфические породы. Контактово-метаморфические процессы часто тесно связаны с контактово-метасоматическими (см. ниже).
4. Метасоматические процессы (метасоматоз). Метаморфические процессы в строгом смысле термина ограничиваются явлениями перекристаллизации вещества горных пород под воздействием высокой температуры, давления и при участии нагретых водных растворов, что приводит к образованию новых минеральных ассоциаций без существенного изменения валового химического состава исходных горных пород. Аналогичные процессы, сопровождающиеся значительным изменением химического состава исходных пород, носят название метасоматиче- ских процессов. Частным случаем последних являются контак- тово-метасоматические процессы, выражающиеся в химическом взаимодействии изверженных пород с контрастными по химическому составу вмещающими породами.
Между всеми перечисленными процессами минералообразования наблюдаются, естественно, взаимные переходы, и в природе не всегда удается их четко расчленить.
Указанные процессы приводят к возникновению разнообразных минералов и их ассоциаций, к образованию различных типов горных пород и руд. Руда — геолого-экономическое понятие. Это минеральный агрегат, принципиально пригодный (при существующем уровне развития техники) для извлечения тех или иных полезных компонентов.
Скопления минералов и руд называются, месторождениями. В этом определении также следует различать две стороны: геологическую и экономическую. Геологические объекты (локальные участки земной коры), обогащенные одним или несколькими минералами безотносительно к их практической ценности, называются минеральными месторождениями. Месторождения полезных ископаемых — это скопления минералов, используемых в практической деятельности человека при условии, что добыча их на данном участке экономически целесообразна. К месторождениям полезных ископаемых предъявляются следующие требования: 1) наличие значительных скоплений (запасов) минералов; 2) относительно высокие содержания полезных компонентов; 3) возможность при помощи не слишком сложных и дорогостоящих операций извлечь ценные минералы из вмещающих пород в чистом виде или в составе достаточно богатых смесей (концентратов). Месторождения полезных ископаемых подразделяются на рудные месторождения и месторождения нерудного (неметаллического) сырья. При небольших запасах руд на участке, слишком низком содержании полезных компонентов или плохой обогатимости, что делает разработку таких объектов экономически нецелесообразной, соответствующие минеральные скопления рассматриваются как рудопроявление. Некоторые рудопроявления с развитием техники и ростом потребности в данном виде минерального сырья могут перейти в разряд промышленных месторождений.
Выделение различных типов месторождений (эндо- и экзогенных) производится по двум категориям признаков: а) по вещественному (минеральному составу) и б) по форме тел полезных ископаемых, в частности рудных тел. Рудные тела, составляющие месторождения, сложены агрегатами породообразующих, жильных и рудных минералов. Каждый тип месторождений характеризуется определенным набором минералов, совместно присутствующих в рудах и вмещающих породах. Эта закономерная совокупность минералов, связанных общностью происхождения и условий образования и сопутствующих один другому в месторождениях или горных породах, называется минеральным парагенезисом.
Термин минеральная ассоциация подразумевает лишь закономерное совместное нахождение минералов в природе без учета их генетических взаимоотношений (последовательности образования). Например, на поверхности земли руды верхних зон месторождений подвергаются окислению и выщелачиванию, вследствие чего первичные эндогенные минералы замещаются вторичными минералами гипергенного происхождения. Те и другие в сумме составляют характерную минеральную ассоциацию, но принадлежат к различным парагенезисам. Знание природных минеральных ассоциаций и парагенезисов весьма важно при поисках минеральных месторождений.
Так, медные месторождения можно обнаружить по появлению в породах медной зелени — малахита, алмазы можно искать по их характерному спутнику — ярко-красному гранату (пиропу) и т. п.
Многие минералы (кварц, кальцит, пирит, флюорит, апатит и др.) образуются в очень широком температурном диапазоне. Такие минералы часто называют сквозными. В зависимости от условий образования меняются многие свойства минералов: их внешний облик, кристаллографические формы и размеры индивидуальных выделений и агрегатов, состав элементов-примесей в них, окраска и многие другие признаки. Даже в одном и том же месторождении, но в сменяющих друг друга парагенетических ассоциациях сквозные минералы отличаются по некоторым особенностям состава, физических свойств и внешнего облика. В таких случаях говорят о нескольких последовательных генерациях (поколениях) одного и того же минерала. Явление зависимости состава и физических свойств минералов от условий их образования получило название типоморфизм минералов и широко используется при расшифровке последовательности минерало- образования в месторождениях и горных породах.
В составе земной коры известно около 4 тыс. минералов, причем ежегодно открываются новые минеральные виды и разновидности. Однако частота встречаемости минералов различна, широка распространено в природе всего несколько сот минералов. Хозяйственное значение имеют далеко не все минералы, хотя с каждым годом появляются новые области практического использования разнообразных видов минерального сырья.
Промышленные месторождения полезных ископаемых встречаются в земной коре не часто и потому представляют большую ценность. Особенно интересны и перспективны так называемые комплексные месторождения, содержащие несколько полезных компонентов. К их разработке необходимо самое бережное отношение. Следует всегда помнить, что запасы руды, извлеченные из недр, больше не возобновляются и потому недопустимо при эксплуатации месторождений подчиняться тем или иным временным, конъюнктурным соображениям и применять хищнические методы, ведущие к нерациональному использованию или даже прямому разбазариванию природных богатств.
В Советском Союзе существует специальное законодательство по охране недр. Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых у нас являются монополией государства и проводятся в централизованном порядке его органами — министерствами и управлениями геологии СССР и союзных республик. В то же время Советское правительство поощряет и инициативу отдельных граждан в открытии месторождений полезных ископаемых.
Первооткрыватели промышленных месторождений или участники их открытия, разведки и оценки награждаются денежными премиями, размер, которых определяется масштабами и ценностью месторождений. Каждый гражданин СССР, обнаруживший проявления промышленно интересных руд или других полезных ископаемых, обязан точно фиксировать место, отобрать образцы и специальной заявкой информировать о своей находке ближайшее учреждение геологической службы (министерство геологии СССР или союзных республик, территориальные управления, экспедиции, партии).
