Часть II. Минералы и горные породы Глава 1. Минералы

Минералами называют однородные по составу и строению природные вещества, образовавшиеся в результате физико–химических процессов, протекающих в земной коре и на ее поверхности.

Это в большинстве своем твердые, главным образом кристаллические тела, являющиеся составными частями горных пород и руд. Впрочем, очень незначительная часть минералов встречается и в жидком (Hg, H₂O) и в газообразном (метан, H₂S) состоянии.

С химической точки зрения минерал – более или менее однородное тело, отвечающее определенному химическому составу.

Физически каждый минерал также характеризуется более или менее определенными, присущими ему свойствами.

Минералы могут состоять из одного химического элемента (Au, S, Hg, C, Pt и др.) или из химических соединений различной сложности.

Размеры минеральных агрегатов могут быть различны: от очень больших, массой в десятки тонн, до микроскопических. Как уже было сказано, большинство минералов имеет кристаллическое строение, но встречаются и аморфные минералы.

Известно несколько тысяч минералов (от 4000 до 6000-7000 по разным источникам), но только около 450 из них широко распространены в природе. Из них всего несколько десятков минералов составляют основную массу горных пород и называются породообразующими.

Наука минералогия изучает морфологию (внешний облик), химический состав, примеси, внутреннюю структуру минералов. Не меньшее значение имеет определение физических свойств минералов, что важно как с практической точки зрения, так и для их диагностики. И, наконец, минералогия изучает происхождение (генезис) минералов и закономерности распространения их в природе.

§ 1. Геологические процессы минералообразования

Минерал – это продукт природных физико-химических процессов. По источнику энергии процессы минералообразования разделяются на две большие группы.

Эндогенные (гипогенные, глубинные) процессы минералообразования протекают в недрах Земли и связаны с магматической деятельностью. Процессы застывания магмы ведут к образованию различных магматических горных пород, а отделяющиеся от магмы газовые и водные растворы переносят различные вещества, которые, при определенных условиях, выделяются в виде минералов.

Экзогенные (гипергенные, поверхностные) процессы происходят на поверхности Земли или вблизи нее, а также в атмосфере и гидросфере. Эти процессы связаны с физическим и химическим разрушением горных пород и минералов, и вызывают образование других горных пород и минералов, устойчивых в условиях поверхности Земли. Сюда же относятся биогенные процессы – процессы, связанные с жизнедеятельностью организмов.

Минералы и горные породы, возникшие в результате эндогенных и экзогенных процессов, при изменении физико-химических условий в недрах Земли испытывают преобразование (метаморфизм). При этом возникают новые минералы и горные породы, которые называются метаморфические.

§ 1.1. Эндогенные процессы минералообразования

Процессы, связанные с деятельностью магмы. Магма (от греческого «тесто») – многокомпонентный силикатный расплав, содержащий водяные пары и летучие вещества. Очаги магмы связаны с глубокими частями земной коры, где отмечаются высокие температуры (до 1200С) и давления в несколько тысяч МПа.

Эндогенные процессы подразделяются на собственно магматические, пегматитовые, пневматолитовые и гидротермальные. Все эти процессы обусловлены дифференциацией магмы – разделением первичной магмы на вторичные составляющие, различающиеся по химическому составу и физическому состоянию.

Магматические процессы – те, при которых минералы образуются непосредственно при кристаллизации магмы; образующиеся минералы называются магматическими или изверженными. В зависимости от места (глубины) кристаллизации магмы изверженные минералы подразделяются на интрузивные (когда магматический расплав застыл на глубине в несколько десятков километров в условиях высоких температур и давлений) и эффузивные (когда расплав застыл в непосредственной близости от поверхности или излился на поверхность Земли). Последний процесс наблюдается при извержениях вулканов; излившуюся на поверхность магму называют лавой.

Магма остывает на глубине при постепенном понижении давления и температуры, вызывающем расщепление расплава или магматическую дифференциацию. Дифференциация подразделяется на гравитационную, когда более тяжелая часть расплава постепенно опускается вниз, а в верхних частях магматического очага скапливается легкая часть, и кристаллизационную, когда более тугоплавкие минералы начинают кристаллизоваться первыми, а более легкоплавкие пока остаются в расплаве и кристаллизуются позднее. В горной породе, образующейся таким путем, одни минералы обладают правильными очертаниями зерен (хорошо выкристаллизовавшиеся), а другие минералы вынуждены заполнять промежутки между зернами первых, как бы цементируя их. Гравитационная и кристаллизационная дифференциации, как правило, осуществляются одновременно.

Кроме описанной выше последовательной кристаллизации минералов – один за другим, в порядке уменьшения их температуры плавления, возможна и одновременная полная кристаллизация из магматического расплава нескольких компонентов. Магма, поднимаясь к поверхности Земли, ассимилирует (захватывает и расплавляет) различные горные породы, что ведет к изменению ее химического состава и возникновению новых разновидностей магматических горных пород.

Пегматитовый процесс минералообразования является завершающей стадией собственно магматического процесса, когда основная часть расплава уже кристаллизовалась и только в верхних частях остывающего массива концентрируется расплав, представленный наиболее легкоплавкими компонентами и насыщенный летучими соединениями.

Пегматиты – жильные тела, близкие по составу к первоначальной магме, но отличающиеся от собственно магматических образований формой, строением и набором минералов.

Процесс идет на глубине 3-8км при температуре 300-900С; обязательным условием для образования пегматитов является постоянство высоких температуры и давления и состава расплава.

При этих условиях образуются кристаллы-гиганты, например: в Мамском массиве (Иркутская обл.) обнаружены кристаллы слюды – мусковита массой в 1тонну; пластины слюды – биотита могут достигать размеров в 7м² (Норвегия); кристаллы минерала сподумена – литиевой руды могут вырастать до 14м в длину (Южная Дакота, США); кристаллы полевого шпата – до 100 тонн (Карелия); кристаллы драгоценного топаза – до 117кг (Волынский район, Украина).

Пневматолитовый процесс минералообразования ("пневма" от греческого - газ) это процесс образования минералов из газовой фазы. На поздних этапах кристаллизации магмы возможно отделение газов от магматического расплава (вследствие уменьшения внешнего давления). При возгонке газов по трещинам и полостям вмещающих пород они охлаждаются, реагируют с вмещающими породами с образованием минералов. Продукты пневматолиза – пневматолиты разделяются на глубинные и вулканические. Первые образуются на глубине около 3км при температуре 400-600С; вторые – в трещинах лавовых покровов и кратерах вулканов за счет газов, вырывающихся в атмосферу при извержениях.

Гидротермальный процесс минералообразования. Гидротермы – горячие водные растворы, отделяющиеся от магмы или образующиеся в результате сжижения газов (на завершающей стадии пневматолитового процесса). Критическая точка воды - 374С, поэтому гидротермальные процессы возможны только при температуре ≤ 374С в широком диапазоне давлений. Гидротермы выносят из магматического очага целый ряд соединений металлов, кроме того, они могут заимствовать из окружающих пород различные вещества. Причина движения гидротермальных растворов – разность давлений. Гидротермальный процесс не ограничивается отложением минералов в трещинах и образованием жильных тел. Гидротермы, как и газы, просачиваются сквозь вмещающие горные породы, химически реагируют с ними и замещают их, привнося новые соединения. При этом образуются так называемые метасоматические тела.