Процессы минералообразования.

Лекция №6. Общие сведения о минералах. Процессы минералообразования.

Минералами называются однородные по составу и строению природные вещества, образовавшиеся в результате физико-химических процессов протекающих в земной коре. Это главным образом твердые, кристаллические тела, являющиеся составными частями горных пород и руд.

С химической точки зрения минерал – более или менее однородное тело, отвечающее определенному составу. Физически каждый минерал характеризуется более или менее опредленными присущими ему качествами: твердостью, плотностью, магнитностью, оптическими свойствами и т.д.

Распространение минералов в природе чрезвычайно широко. Вся земная кора, все горные породы и месторождения полезных ископаемых состоят из минералов.

Размеры минералов могут быть различными от долей миллиметра до нескольких метров, массой до нескольких тонн.

На настоящий момент известно около 3800 минеральных видов. Ежегодно происходит открытие 5 – 6 новых минералов, но с другой стороны – многие минералы при более детальном выяснении их химического состава и структуры оказываются лишь разновидностями уже известных минералов, либо смесью нескольких минералов, что приводит к исключению некоторых минеральных видов их классификации. Широкое распространение имеют лишь около 400 минеральных видов, в то время как все остальные имеют крайне ограниченное распространение.

Названия минералов даются по месту их нахождения, характерным физическим свойствам, по химическому составу.

Минералы имеют огромное практическое значение. Они могут применяться как непосредственно в виде огнеупоров, строительного материала, поделочных камней, ювелирных камней и т.д., так и использоваться для добычи ценных полезных ископаемых.

При исследованиях минералов при меняются различные методы, которые условно можно разделить на методы исследующие структуру минералов, методы направленные на изучение химического состава минералов, методы изучения физических и механических свойств минералов.

Среди методов исследующих структуру минералов основными являются: рентгеноструктурный анализ – основанный на дифракции рентгеновских лучей кристаллической решеткой минерала; метод основанный на дифракции нейтронов; электронная микроскопия – основанная на дифракции электронов.

Химический состав минералов изучают при помощи таких методов, как электронно-зондовый микроанализ – основанный на определении концентрации тех или иных элементов по характерному обратному рассеиванию электронов при бомбардировке образца ионизирующим излучением. Атомно-абсорбционный анализ – основанный на определении энергии квантовых переходов электронов с одного энергетического уровня на другой, которая будет пропорциональна концентрации того или иного элемента.

Процессы минералообразования.

По источнику энергии процессы минералообразования разделяются на две большие группы: эндогенные, связанные с внутренней энергией Земли, и экзогенные.

Эндогенные (или гипогеные, глубинные) процессы 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 соответствующих условиях, например в трещинах, выделяются в виде минералов.

Экзогенные (или гипергенные, поверхностные) процессы происходят на поверхности или близ поверхности земли, а также в атмосфере и гидросфере. Эти процессы связаны с физическим и химическим разрушение горных пород и минералов и вызывают образование других горных пород и минералов, устойчивых в условиях поверхности земли. Сюда же относятся биогенные процессы.

Минералы и горные породы, возникшие в результате эндогенных и экзогенных процессов, при изменении физико-химических условий в недрах земли испытывают преобразования – метаморфизм. При этом возникают новые горные породы и минералы, которые называют метаморфическими.

Эндогенные процессы, так или иначе, всегда связаны с деятельностью магмы. Среди них выделяют: собственно магматические, вулканические пегматитовые, пневматолитовые и гидротермальные процессы.

1. Магматический генезис. Минералы выделяются непосредственно из магматического расплава при его застывании на недоступных глубинах или из лавы, излившейся на поверхность земли. Выделение этих минералов в случае кристаллизации на глубине отвечает стадии ее кристаллизации, когда в основном формируется изверженная порода. При этом происходит обеднение расплава одними элементами и обогащение другими. В результате создается остаточный расплав, значительно отличающийся по составу и свойствам от первоначального.

2. Пегматитовый генезис. Данный тип минералообразования связан с кристаллизацией остаточного расплава и образованием особых пород, получивших название пегматитов. Пегматиты часто встречаются в виде жил с характерными для них крупными кристаллами. Наибольшее распространение имеют пегматиты гранитного типа, т.е. богатые кварцем и полевыми шпатами. Пегматиты обычно располагаются в достаточной близости от интрузий (1 – 2 км).

Ферсман А.Е, рассматривавший пегматитовый процесс именно как процесс кристаллизации остаточного расплава, богатого летучими компонентами, различает в нем (в отношении гранитных пегматитов) несколько геофаз, обозначаемых буквами C, D, E, F, G (в порядке снижения температуры). Каждая геофаза характеризуется определенными температурными условиями и определенным минеральным комплексом. Особенно сложны в минералогическом отношении геофазы F- G, отвечающие надкритической температуре 500 – 450 °С. Геофаза С характеризуется взаимным прорастанием кварца и полевого шпата с появлением своеобразной письменной (графической) структуры.

По мнению других ученых, в частности А.Н. Заварицкого, пегматиты являются продуктами перекристаллизации пород под влиянием газовых растворов на больших глубинах и соответственно при высокой температуре и давлении.

Таким образом, по Заварицкому А.Н., пегматиты являются послемагматическими образованиями, то есть они стоят в одном ряду с гидротермальными и пневматолитовыми процессами.

3. Пневматолитический генезис, или пневматолиз. Пневматолиз – процесс образования минералов из газовой фазы. На некоторых этапах кристаллизации магмы возможно отделение газов. По мере движения вверх по трещинам эти газы охлаждаются, реагирую друг с другом и с вмещающими породами, в результате чего образуются минералы.

Продукты пневматолиза – пневматолиты – разделяются на вулканические и глубинные.

Вулканические пневматолиты образуются в вулканических областях за счет газов, отделившихся от магмы вблизи поверхности или на поверхности.

Глубинные пневматолиты образуются в том случае, когда газы отделяются от магматического очага в недрах земной коры. Они просачиваются сквозь горные породы изменяя их химический и минеральный состав. Кроме того, при глубинном минералообразовании наряду с газами действуют также и горячие водные растворы. К глубинным пневматолитам относят некоторые жильные тела и грейзены. Грейзены – породы образовавшиеся в условиях средних глубин благодаря переработке магматическими эманациями (газы и водные растворы) гранитов и жильных магматических горных пород, а также эффузивов и некоторых осадочно-метаморфических пород, богатых кремнеземом и глиноземом.

4. Гидротермальный генезис. Гидротермы – горячие водные растворы, отделяющиеся от магмы или образующиеся в результате сжижения газов.

Гидротермальные растворы выносят из магматического очага целый ряд соединений металлов. Кроме того, гидротермы могут заимствовать целый ряд соединений из боковых пород.

Причина движения гидротерм разность давления. Когда внутреннее давление растворов больше внешнего происходит движение растворов в сторону наименьшего давления, обычно к поверхности земли. При своем движении они используют тектонические нарушения, трещины, зоны контактов. По мере удаления от магматического очага происходит снижение температуры, что вызывает отложение минералов.

Поскольку гидротермы обычно движутся по трещинам, форма большинства гидротермальных минеральных тел жильная.

В зависимости от температуры растворов различают высокотемпературные минералы и соответствующие им жилы с температурой образования условно от 400 до 300 °С, среднетемпературные минералы и жилы с температурой образования 300 – 200 °С и низкотемпературные образования – ниже 200 °С. Высокотемпературные жилы обычно сопровождаются грейзенами.

Особое место в генетической классификации жил занимают жилы «альпийского» типа или «сухие трещины» - нерудные, но богатые хорошо окристаллизованными минералами.

Гидротермальный процесс не ограничивается отложением минералов в трещинах с образованием различных жильных тел. Гидротермы так же, как и газы, просачиваются сквозь боковые породы, химически реагируют с ними, замещают их, привнося новые соединения. Так образуются метасоматические тела, имеющие часто трубчатую или неправильную форму и залегающие большей частью среди карбонатных пород.

Под метасоматозом Д.С. Коржинский понимает «всякое замещение горной породы с изменением химического состава, при котором растворение старых минералов и отложение новых происходит почти одновременно, так что в процессе замещения порода все время сохраняет твердое состояние».

5. Вулканический генезис. Минералы образуются в связи с извержениями вулканов и застыванием магмы, излившейся на поверхность в виде лавы. Минералы при этом возникают: 1. за счет вулканических газов и паров; 2.при кристаллизации лавы на глубине перед ее излиянием и на поверхности в условиях быстрого охлаждения; 3. в результате гидротермальных процессов, в этом случае они выполняют пустоты и трещины или являются продуктом гидротермального изменения главным образом вулканических пород.

Прежде всего, необходимо разделить метаморфизм по площади и объемам горных пород подверженных преобразованиям, так если в процессы метаморфизации вовлечены небольшие участки земной коры, то метаморфизм называется локальным, если же значительные – региональным.

В свою очередь локальный тип подразделяется на несколько подтипов в зависимости от преобладания тех или иных факторов метаморфизма:

1. Ди­на­ми­че­ский ме­та­мор­физм, за­клю­чаю­щий­ся в про­цес­сах дроб­ле­ния, пе­ре­ти­ра­ния гор­ных по­род в ус­ло­ви­ях так на­зы­вае­мо­го стрес­са – на­прав­лен­но­го сжа­тия. Ти­пич­ные по­ро­ды – тек­то­ни­че­ские брек­чии, ка­так­ла­зи­ты и ми­ло­ни­ты.

2. Ав­то­ме­та­мор­физм, про­яв­ляю­щий­ся в из­ме­не­нии ос­ты­ваю­щей маг­ма­ти­че­ской по­ро­ды под влия­ни­ем цир­ку­ли­рую­щих сквозь нее па­ров и га­зов, обыч­но вы­де­ляю­щих­ся из то­го же маг­ма­ти­че­ско­го оча­га. В ря­де слу­ча­ев ав­то­ме­та­со­ма­ти­че­ская пе­ре­ра­бот­ка при­во­дит к фор­ми­ро­ва­нию по­род, су­ще­ст­вен­но от­ли­чаю­щих­ся от пер­во­на­чаль­ных и к то­му же со­дер­жа­щих цен­ные по­лез­ные ис­ко­пае­мые. Ти­пич­ные по­ро­ды автометаморфизма – грей­зе­ны, бе­ре­зи­ты, про­пи­ли­ты, сер­пен­ти­ни­ты, таль­ко­вые слан­цы, вто­рич­ные квар­ци­ты.

3. Термический метаморфизм, связанный с внедрением и излиянием магматического расплава. Если процессы метаморфизации происходят при контакте с лавами, то процесс называют каустическим метаморфизмом, если же при контакте с интрузиями – контактовым метаморфизмом. Кон­так­то­вый ме­та­мор­физм, за­клю­чается в из­ме­не­нии гор­ных пород, ис­пы­тав­ших кон­такт с рас­ка­лен­ной маг­мой и воз­дей­ст­ви­ем ак­тив­ных га­зов и рас­тво­ров, вы­де­ляе­мых ею. Из­ме­не­ния варь­и­ру­ют от вы­зван­ных, соб­ст­вен­но тем­пе­ра­тур­ным воз­дей­ст­ви­ем (об­жиг), до пол­но­го кон­та­ко­во-ме­та­со­ма­ти­че­ско­го за­ме­ще­ния горных пород. Ти­пич­ны­ми по­ро­да­ми яв­ля­ют­ся ро­го­ви­ки, мра­мо­ры, скар­ны.

Ре­гио­наль­ный ме­та­мор­физм, ох­ва­ты­вает од­но­вре­мен­но ги­гант­ские объ­е­мы гор­ных по­род (мил­лио­ны куб.км), что и под­черк­ну­то в его на­зва­нии. Пред­став­ле­ния о про­грес­сив­ном по­сте­пен­ном из­ме­не­нии гор­ных по­род в гео­синк­ли­на­лях за счет про­сто­го по­гру­же­ния и воз­рас­та­ния, пре­ж­де все­го ли­то­сфе­рного дав­ле­ния и тем­пе­ра­ту­ры, с на­ча­ла 60-х го­дов на­ше­го сто­ле­тия на­ча­ли сме­нять­ся пред­став­ле­ния о том, что про­грес­сив­ный ре­гио­наль­ный ме­та­мор­физм со­вер­ша­ет­ся лишь с пе­рио­дом оро­ген­но­го раз­ви­тия гео­синк­ли­на­ли и ин­тен­сив­ной склад­ча­то­сти. Региональный метаморфизм, по сути, является динамотермальным. Ти­пич­ны­ми по­ро­да­ми яв­ля­ют­ся фил­ли­ты, кри­стал­ли­че­ские слан­цы, слю­дя­ные гней­сы, квар­ци­ты, мра­мо­ры.

Ме­та­со­ма­тоз, связь ко­то­ро­го с маг­ма­ти­че­ски­ми оча­га­ми не столь оче­вид­на, вы­де­ля­ет­ся в ка­че­ст­ве са­мо­стоя­тель­ной раз­но­вид­но­сти – ме­та­со­ма­ти­че­ско­го ме­та­мор­физ­ма. Данный вид метаморфизма связан, прежде всего, с растворами и газами, выделяющимися при перекристаллизации горных пород, за счет процессов трения при смещении блоков горных пород. Ти­пич­ны­ми по­ро­да­ми яв­ля­ют­ся грей­зе­ны, про­пи­ли­ты, сер­пен­ти­ни­ты, таль­ко­вые слан­цы.

Кроме того, выделяется так называемый ультраметаморфизм – при котором происходит частичное расплавление горных пород.

Экзогенные процессы.

Минералы этого генезиса образуются вблизи поверхности и на поверхности земли при участии поверхностных вод, кислорода воздуха, углексилоты, жизнедеятельности организмов. В этом типе генезиса различаются следующие процессы.

1. Окисление в зоне железной шляпы рудных месторождений. Ему подвергаются в основном сернистые соединения, которые переходят в кислородсодержащие соединения.

Ниже зоны окисления и уровня стояния грунтовых вод залегает зона цементации, или вторичного сульфидного обогащения. Здесь происходит образование вторичных сернистых соединений в результате реакции между сульфидами и сульфатными растворами.

2. Каолинизация, бокситизация и др. в связи с выветриванием алюмосиликатов и силикатов вблизи поверхности.

3. Осаждение солей и других соединений в водных бассейнах.

4. Биогенные процессы, связанные с жизнедеятельностью организмов и разложением органических веществ.