ПРОЦЕССЫ ОБРАЗОВАНИЯ МИНЕРАЛОВ В ПРИРОДЕ Генезис

ПРОЦЕССЫ ОБРАЗОВАНИЯ МИНЕРАЛОВ В ПРИРОДЕ
Генезис (происхождение) минералов тесно связан с историей планеты, т.е. с
условиями, господствовавшими на Земле в различные эпохи. В связи с этим
целесообразно рассмотреть здесь в краткой форме современные представления,
относящиеся к строению земного шара и к геохронологии, т.е. к геологической истории
Земли.
Около 4,5 млрд. лет тому назад земной шар был вращающимся сгустком расплава.
Возраст первого материка оценивается в 4 млрд. лет. Первый материк в дальнейшем по
меньше мере дважды раскалывался на части, дрейф которых продолжается и в наши дни.
Так, измеренная с помощью лазерных устройств скорость движения Северной Америки на
запад и Австралии на восток составляют соответственно 15 и 70 мм/год. Согласно
современным представлениям, материки движутся по веществу, в котором масса жидкой
фазы вероятно не превышает 1 %, но которое характеризуется тем не менее определенной
пластичностью.
При постепенном охлаждении сформировалась сплошная твердая земная кора.
Среднегодовая температура поверхности земного шара во время зарождения жизни (~ 2,3
млрд. лет назад) составляла 72 °С; в эпоху господства пресмыкающихся (~ 200 млн. лет
назад) она была близка к 20 °С, а сегодня равна 14,8 °С. Температура в центральных
зонах земного шара не превышает в наше время 2500 °С, температура вытекающей из
действующих вулканов магмы составляет 1200 -1400°С.
Кроме постепенного медленного охлаждения земной шар при движении вместе с
солнечной системой в космосе подвержен еще относительно кратковременным резким
охлаждениям поверхности. Так, только за последние 500000 лет земной шар испытал 4
периода оледенения. Последний раз ледник ушел 16000 лет назад, и остатки его мы видим
в Гренландии, Антарктиде.
При бурении нефтяных скважин, строительстве шахт погружению в недра земли на
каждые 100 м соответствует повышение температуры на 3°С (геометрический градиент),
но эта величина выдерживается лишь в наружных зонах земной коры - глубже рост температуры замедляется. Например, на рабочем конце самой глубокой в мире 12000м
разведочной скважины на Кольском полуострове температура составляет лишь 230 °С, а
не 300 °С, как это можно было предполагать по величине геотермического градиента.
Экваториальный радиус земного шара составляет 6378,245 км, а полярный 6356,863 км. Таким образом, Земля сплюснута у полюсов. Давление в центральных зонах
земного шара достигает 350 млн кПа.
О внутреннем строении земного шара мы судим по ряду объективных данных,
имеющихся в распоряжении ученых. Так, средняя плотность земного шара, вычисленная
по траектории его движения вокруг Солнца, равна 5,517 г/см3, в то время как плотность
земной коры не превышает 2,4 - 2,9 г/см3. Сравнение этих величин дает основания
предполагать, что к центральным зонам земного шара приурочены расплавленные или
твердые массы очень высокой плотности.
Информацию о внутреннем строении земного шара дает глубинное бурение
скважин, а также тщательное изучение падающих на поверхность Земли метеоритов,
которые, по предположению, являются обломками одной из планет солнечной системы.
Как известно, метеориты бывают железо-никелевые и железо-каменные, они содержат
сульфиды. Очевидно, что эти составляющие входят и в состав различных зон земного
шара.
Наконец, огромную информацию дают методы сейсмической разведки, с помощью
которых оказывается возможным определение толщины и плотности зон, слагающих
земной шар.
Внешняя сфера земного шара - земная кора - это силикатная оболочка земли
толщиной до 70 - 80 км со средней плотностью 2,74 г/см3. Верхняя зона коры состоит из
осадочных пород, образующихся при разрушении и переотложении продуктов
разрушения нижележащих слоев, а также при отложении осадков на дно водоемов, морей
и океанов. Этот слой относительно тонок, а местами отсутствует совсем. Под ним
располагаются слой гранита - продукта кристаллизации кислой магмы, содержащей 65 75 % SiO2, и базальтовый слой, образующийся при кристаллизации более основной магмы
(40 - 55 % SiO2). Под океанами земная кора тонка (4-8 км); на континентах она в 3 - 10 раз
толще. В районе самых высоких гор (Памир, Гималаи) толщина земной коры достигает 70
- 80 км.
Большая часть земной коры находится в твердом состоянии. Нижняя граница этой
геосферы называется поверхностью Мохоровичича, в честь открывшего ее в 1909 г.
известного югославского ученого С. Мохоровичича. Ниже этой поверхности
располагается мантия земли, суммарная толщина которой достигает 2830 - 2999 км.
Моря, океаны, реки и озера покрывают в наше время 71 % поверхности земли.
Уровень океана в истории планеты неоднократно менялся. Установлено, что 400 - 500
млн. лет назад уровень океана был на 300 - 350 м выше современного. Около 200 млн. лет
назад в триасовом периоде мезозойской эры этот уровень снизился. В настоящее время за
счет таяния льдов Антарктиды и Гренландии уровень мирового океана ежегодно
повышается на 2 мм.
Осадочные породы
Рис. 1. Структура земной коры под материками и океанами. Вертикальные и наклонные
линии - разломы и трещины (рифты) в земной коре
В земной коре вода заполняет поры и трещины, пустоты, фильтруется в
определенных направлениях на огромных участках коры. Кроме того, вода входит в
состав гидратов в виде так называемой кристаллизационной воды. Наконец, водяные пары
в большом количестве растворены в расплавленной магме.
Магмой называется природный, преимущественно силикатный расплав,
находящийся в глубинах земного шара. Химический состав магмы меняется в широких
пределах. Кроме SiO2, А12О3, СаО, МgО, Na2O, К2O, FeO и Fe2O3 магма содержит в своем
составе много газов (в том числе и водяных паров), растворимость которых в силикатных
расплавах при огромных давлениях, характерных для недр земного шара, велика. Кроме
того, в общем случае в магме присутствуют и сульфиды. Процессы формирования магмы,
происходящие на больших глубинах, недоступны прямому исследованию или
наблюдению. Однако мы можем судить о ее свойствах и составе по продуктам
кристаллизации магмы и по составу изливающейся из вулкана лавы, температура которой
составляет обычно 1100 - 1300 °С.
Генезис минералов в основном можно свести к следующим процессам:
Минералообразование, связанное с процессами остывания магмы. К этой группе
относятся:
1. Процессы интрузивные, происходящие в глубине земной коры. Застывание магмы
происходит при условиях высокого давления и высокой температуры. Минеральные
вещества - минералы и горные породы, образующиеся при этих процессах, обычно
именуются также интрузивными, или глубинными. Вследствие медленности охлаждения
минералы горных пород этого типа обладают кристаллическим строением и имеют в
большинстве случаев равномерно-зернистый вид.
2. Процессы эффузивные связаны с излиянием магматических масс в
поверхностные части земной коры, где процессы застывания идут при относительно
низкой температуре и обыкновенном атмосферном давлении. Минералы и горные породы
этих процессов именуются эффузивными, или излившимися. Вследствие того, что эти
процессы часто сопровождаются вулканическими извержениями, эффузивные породы
нередко называют еще вулканическими. Характер структуры минеральных веществ при
этом весьма разнообразен, большей частью эффузивные породы обладают или
тонкокристаллическим сложением, или имеют вид аморфной массы.
Остывание магмы происходит при наличии весьма сложных физико-химических
процессов, изучение которых связано со специальными курсами петрографии и геохимии.
Вся совокупность относящихся сюда процессов объединяется общим выражением
процессов дифференциации магмы, когда идет распад, или расщепление, ее на различные
части. Дифференциацию магмы можно представить в виде отдельных фаз, которые
протекают в форме сложнейших физико-химических превращений по мере понижения
температуры магмы и изменения давления внутри магматических масс.
При остывании магматических масс наступает процесс кристаллизации расплава —
фаза кристаллизационной дифференциации. В зависимости от общего состава магмы, а
также в связи с характером самого бассейна кристаллизация сопровождается рядом
разнообразных химических превращений, в результате чего возникает комплекс тех или
иных минеральных тел, в дальнейшем обусловливающий тот или иной тип минеральных
месторождений.
Не вдаваясь в рассмотрение различных соотношений кристаллизационного
процесса (подчас весьма сложного и запутанного), отметим, что выделение отдельных
минералов из магматического расплава связано с известной последовательностью.
Последовательность кристаллизации минералов, прежде всего обусловливается наличием
в магматической системе так называемой э в т е к т и к и, т. е. такой физической смеси, где
выделение минеральных компонентов определяется не температурами плавления их, а
избыточным содержанием против своего эвтектического состояния.
Так, например, эвтектическая смесь для кварца и ортоклаза определяется
следующими соотношениями: кварца 26% и ортоклаза 74%. Если в силикатовой магме
кварца находится 40%, а полевошпатовая часть представлена 60%, то первым будет
выделяться кварц до своего эвтектического состояния с ортоклазом, т. е. до 26%. После
этого, вследствие понижения температуры до эвтектической точки, наступает
одновременный процесс кристаллизации, и магма затвердевает в одно целое образование
(случай образования так называемой пегматитовой структуры). Эвтектические смеси
всегда, являются наиболее легкоплавкими, а эвтектическая точка представляет наиболее
низкую точку плавления (а следовательно, и кристаллизации) смеси, которая всегда ниже
точек плавления отдельных компонентов. Вследствие того, что в этой точке расплав
является насыщенным обоими компонентами, они и кристаллизуются одновременно,
образуя своеобразную эвтектическую структуру породы.
Эвтектические смеси в магмах чрезвычайно разнообразны, в процессах
минералообразования эти смеси играют весьма существенную роль.
Одновременно происходит процесс дифференциации магмы по плотности, а также
возникновение пегматито-пневматалитовых процессов.
Под пневматолизом, или пневматолитовым процессом, мы понимаем всю
совокупность реакций, связанных с взаимодействием летучих газообразных продуктов,
находящихся в магме и обусловливающих образование новых веществ — пневматолитов.
В пневматолитических процессах большое участие принимает парообразная вода, под
влиянием которой происходит образование многих кислородных соединений тяжелых
металлов, например оловянного камня (касситерита) Sn02:
SnF4 + 2Н2О = 4НF + Sn02
Само выражение пневматолиз происходит от греческого “пневма”, что, значит
“дух”, или “газ”.
Температурные условия образования пневматолитов чрезвычайно разнообразны,
вследствие чего и минералогический состав их связав с различными образованиями.
Наряду с процессами пневматолиза идет пегматитообразование (оба процесса
протекают совместно). Пегматитообразование носит чисто жильный характер и связано
преимущественно с гранитами.
Пегматитовые жилы образуются при проникновении легкоплавкой магмы по
трещинам в земной коре. Обычно пегматитовые жилы встречаются не одиночно, а
целыми сериями, распространяющимися на большие территории, образуя так называемые
пегматитовые поля.
Пегматитовые образования, или пегматиты, отличаются чрезвычайной крупностью
зерна и наличием особой структуры – пегматитовой структуры.
Эта структура характеризуется особой ориентировкой одной составной части по
отношению к другой.
Выделение из магмы паров воды вызывает так называемые гидротермальные
процессы.
Процессы, относящиеся к этой фазе, связаны с горячими водными растворами,
циркулирующими в глубинных областях земной коры и образующимися в результате
конечных проявлений магматической дифференциации.
Вследствие того, что эти воды имеют совершенно особый характер и представляют
собой воды магматического происхождения, известный геолог Зюсс чрезвычайно удачно
и образно назвал их ювенильными, от латинского слова “juvenis”, что значит
девственность.
Ювенильные воды в значительной своей части являются ионизированными,
насыщенными некоторыми газами, например СО2, вследствие чего оказываются
растворителями различных минеральных веществ, которые потом, при соответствующих
новых условиях, могут отложиться в твердом виде.
Ввиду этого гидротермальные жилы в большинстве случаев являются
носительницами различных полезных ископаемых, преимущественно рудного характера.
Минералогический состав гидротермальных жил по преимуществу определяется
наличием сульфидов — сернистых соединений различных металлов. Основным телом
гидротермальных жил по большей части является кварц, обычно плотный и
мелкокристаллический. Наряду с кварцем наблюдаются и другие минералы, как,
например, кальцит, доломит, барит, флюорит и пр.
В зависимости от тех условий, при которых идет образование гидротермальных
жил (температура, давление), а также от места самого образования их, устанавливают распределение их на глубинные жилы, жилы средней глубины и поверхностные жилы,
глубина залегания которых приблизительно исчисляется от 100 до 400 м от поверхности.
Каждая из этих категорий характеризуется своим минеральным составом и
обусловливает строго определенный тип минеральных месторождений.
Метаморфические процессы вызывают возникновение новых минералов и пород
из ранее образовавшихся при изменении внешних условий (температура, давление).
В зависимости от характера распространения различают метаморфизм
региональный, или общий, охватывающий большие площади пространства, и
метаморфизм контактный или местный, распространяющийся лишь на отдельные участки
в земной коре. Региональный метаморфизм обычно
вызван общим повсеместным
давлением со стороны вышележащих пород, или движениями земной коры, в результате
чего происходит образование так называемых кристаллических сланцев, например
гнейсов и ряда других пород.
Контактный метаморфизм, или просто контактометаморфизм, в принципе
представляет явление, связанное с изменениями тех или иных горных пород, вызванных
вторжением магматических масс. В промежуточной области между двумя этими группами
пород, в силу происходящих при этом физико-химических процессов, возникает новое
третье
вещество,
которое
и
рассматривается
как
продукт
коктактометаморфических процессов.
При контактном метаморфизме поверхность изменения двух соприкасающихся
пород может определяться часто целыми широкими зонами по обе стороны в отношении
первоначального материала, вследствие чего в результате - этих процессов могут возникать отдельные крупные минеральные месторождения, имеющие то или иное
промышленное значение.
Перейдем теперь к экзогенным процессам формирования минералов, горных
пород, месторождений полезных ископаемых. На поверхности земного шара и в
непосредственной близости от нее происходит разрушение эндогенных пород под
действием их циклического нагрева и охлаждения днем и ночью, летом и зимой, а также
за счет разрушительной работы льда, воды, микроорганизмов, окислительного действия
кислорода и углекислого газа воздуха. Этот сложный физико-химический процесс,
называемый общим термином "выветривание", приводит к механическому разрушению
эндогенных пород и к растворению части элементов, соединений в воде. Кроме того, в
поверхностной зоне активно идут процессы гидратации, карбонизации и окисления. При
этом образуются новые минералы, устойчивые в специфических условиях поверхности
земной коры, т.е. в так называемой зоне окисления.
При размыве продуктов выветривания водой происходит перенос частиц и
переотложение их в соответствии с плотностями в речных долинах и на морском
побережье. Так образуются "россыпи" золота, платины, алмазов и др. минералов,
имеющих промышленное значение.
Физическое, или механическое, разрушение, связано с раздроблением материнской
породы и представляет явление дезинтеграции. При химическом разрушении происходит
распад, или разложение первоначального минерального вещества, вследствие чего
образуются продукты, отличающиеся от минералогического состава материнской породы.
Обычно оба этих процесса в природе идут совместно.
В процессах разрушения минеральных веществ весьма большую роль играют
организмы — растительные и животные. Вследствие той большой роли, какую
выполняют организмы в этих процессах, их нередко выделяют в особый вид, так
называемое органогенное выветривание.
В явлениях дезинтеграции, т. е. физического выветривания, большую роль играет
и н с о л я ц и я , т. е. фактор, связанный с колебанием температуры, в силу чего минералы,
имеющие неодинаковые коэффициенты расширения, подвергаются постепенному
распаду. Точно так же огромную роль в серии этих процессов играют: механическая
деятельность воды (во всех своих состояниях, включительно до ледников), механическая
деятельность атмосферы и механическая деятельность организмов, как растительных, так
и животных.