1 Минералы и процессы минералообразования

Рис 1.1 – Химический состав земной коры

Основным объектом изучения геологии является литосфера, состоящая из горных пород. Горные породы в свою очередь состоят из минералов. Следует отметить, что минералы, слагают не только твердую оболочку Земли, но и планеты земной группы, Луну, спутники, астероиды и космическую пыль. Соответственно, для изучения состава и их строения необходимо иметь основные представления о минералах.

Слово «минерал» произошло от греческого слова minera, которое переводится как «руда», но далеко не все минералы являются полезными ископаемыми. В современном понимании минерал– это физически и химически однородные твердые тела, образовавшиеся в результате природных процессов. Наука, изучающая минералы, называется минералогией.

На Земле найдено свыше 4000 минералов и более 5000 их разновидностей, из которых широкое распространения в пределах литосферы имеют только несколько сотен. Такое небольшое количество распространенных минералов объясняется двумя причинами: химическим составом земной коры и процессами минералообразования.

98% массы верхней части земной коры (до глубин 15-20 км) приходится всего на 8 химических элементов: кислород (О), силиций (Si), алюминий (Al), железо (Fe), кальций (Ca), магний (Mg), натрий (Na), калий (K) (рис. 1.1).

В природных условиях имеются ограничения по физико-химическим условиям образования минералов, что приводит к их незначительному разнообразию. На сегодняшний день в лабораториях синтезируется в сотни, тысячи раз большее соединений, чем в естественных условиях.

1.1 Процессы образования минералов

Образование минералов и горных пород в природных условиях осуществляется за счет трех основных процессов: магматического, осадочного и метаморфического.

Магматический процесс заключается в кристаллизации минералов из магмы. Магма – это силикатный расплав, состоящий из, собственно, расплава (О, Si, Al, Fe, Са, Mg, К, Ti, Na и др.), летучих компонентов (оксиды углерода, сероводород, водород, фтор, хлор и др.) и парообразной воды. В редких случаях отмечаются магматические расплавы несиликатного состава, например щёлочно-карбонатного (вулканы Восточной Африки) или сульфидного. Магматические расплавы подразделяются по содержанию кремнезема (SiO₂) на два основных типа:

• базальтовую (основную) магму, имеющую наибольшее распространение. В ней содержится менее 52% SiO₂, в значительном количестве присутствуют алюминий, кальций, железо и магний, в меньшем – натрий, калий, титан и фосфор. Она обладает высокой температурой 1100°С небольшой вязкостью, что дает ей возможность равномерно покрывать большие территории;

• гранитная (риолитовая, кислая) магма содержит свыше 65% кремнезема. Она имеет меньшую плотность, температуру (800-900 °С) и в большей степени насыщена газами. Высокая вязкость приводит к значительному уменьшению её подвижности, по сравнению с базальтовой. При излиянии на поверхность образует небольшие потоки.

В зависимости от глубины образования минералов выделяют интрузивный и эффузивный магматизм.

Интрузивный процесс характерен для больших глубин (более 5-10 км), где происходит медленное остывание магмы с образованием явнокристаллических структур (минералы видны невооруженным глазом). Образование минералов происходит при следующих показателях: температура – 800-1100°С, давление – n*1000 атмосфер, время кристаллизации – тысячи лет. Примеры пород: гранит, габбро и др.

Эффузивный магматизм связан с излиянием магмы на поверхность с последующей кристаллизацией минералов из лавы. Лава – магма, потерявшая летучие компоненты. По составу лава идентична магме, поэтому минералы образуются одинаковые, но имеют разные размеры. На поверхности лава очень быстро остывает, что приводит к образованию очень мелких минералов размером менее 1 мм. Примеры горных пород: базальт (интрузивный аналог – габбро), риолит (интрузивный аналог – гранит).

Пегматитовый процесс. По мере кристаллизации в верхней части магматического массива остается остаточный силикатный расплав, обогащенный газами и водой. Образование минералов происходит на глубине более 1 км при температуре 750-300°С Для данного процесса характерный быстрый рост кристаллов с образованием «минералов-гигантов»: берилл – 380 т, кварц – 70 т , топаз – 270 кг. В результате образуются горные породы пегматиты с большими кристаллами.

Во время кристаллизации магмы выжимается большой объем газов и воды, из которых впоследствии образуются минералы. Данный процесс называется постмагматическим. Он состоит из двух этапов:

Пневматолитовый процесс – образование минералов из газообразной воды и летучих компонентов при температуре от 500 до 374 °С.

Гидротермальный процесс – образование минералов из перегретой воды (374-50°С) и летучих компонентов.

Постмагматический процесс характерен для зон, контактирующих с расплавом, в которые по трещинам устремляются перегретые пары. В результате пневматолитового и гидротермального процесса трещина заполняется минералами, образуя жилу. Главный минерал заполняющий трещины и выполняющий жилу – кварц. С этим процессом связаны основные месторождения редких (W, Mo, Sn, Bi, Sb, As, Hg), цветных (Cu, Pb, Zn), благородных (Au, Ag) и радиоактивных (U, Th) металлов.

Принципиальная схема магматических процессов образования минералов и горных пород приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2 – Схема магматических и постмагматических процессов образования минералов и горных пород

Осадочный процесс протекает на всей территории Земли, как на суше, так и в море. При этом минералы, образующиеся при невысоких температурах и давлениях, слагают осадочный слой литосферы на глубину до 20-25 км.

Осадочный процесс подразделяется на следующие виды:

• выветривание (окисление). В приповерхностных условиях при доступе кислорода происходит окисление сульфидных и других минералов с образованием оксидов. (малахит, лимонит).

• механический процесс связан с размывом продуктов выветривания и переотложения их водными потоками. характерен для химически и физически стойких минералов. минералы при этом процессе не образуются, т.к. происходит только образование более мелких обломков пород в виде галечника, гравия, песков и др.

• хемогенный процесс характерен для жаркого и сухого (аридного) климата, протекающего в полузамкнутых бассейнах. при испарении морского воды концентрация солей увеличивается до тех пор пока не происходит перенасыщения раствора и выпадения минералов из него. (галит, сильвин, гипс, кальцит).

• коллоидный процесс характерен для мест впадения рек в моря, где происходит «слипание» коллоидов и образование минералов (опал). также данный процесс протекает на дне морей с образованием железомарганцевых конкреций.

• биогенный процесс приводит к образованию новых минералов за счет жизнедеятельности организмов (кальцит, апатит, халцедон).

Метаморфизм возникает под воздействием высоких температур и/или давлений. За счет преобразования магматических и осадочных пород без стадии плавления. Выделяют следующие виды:

• региональный метаморфизм протекает на больших глубинах и захватывает огромные площади. Верхним пределом метаморфизма является температура, при которой еще не происходит плавление, т.е. 800-850 °С на значительных глубинах и 1000-1100°С ближе к поверхности. Давление может быть очень высоким и достигать нескольких десятков тысяч атмосфер. Особо велика роль одностороннего бокового давления – стресса. Его величина сегодня не может быть точно определена, но несомненно она значительно выше величины давления вышележащих пород. Именно стресс вызывает появление характерной сланцеватости (полосчатости) многих метаморфических образований. (гнейсы, мрамор).

• контактный метаморфизм происходит на границе с интрузивным телом. При соприкосновении магмы с вмещающими породами происходит образование новых минералов (мраморы, скарны, грейзены).

• динамометаморфизм. Похожий на региональный метаморфизм, но происходит по разломам.

• импактный. Образование минералов и горных пород при ударении метеоритов о Землю, при котором кратковременно повышается температура и давление (лонсдейлит).