Интрузивные и эффузивные горные породы, полезные ископаемые.

Интрузивные магматические породы образуются из расплавленной жидкой магмы, которая остывает, не на поверхности Земли, как в случае образования эффузивных пород, а в коре Земли. Иными словами, интрузивные породы возникают из-за прорыва, или интрузии, горячей жидкой магмы в глубины коры Земли.
В случае прорыва магмы большими массами в кору Земли, её застывание происходит постепенно - образуется равномерно-крупнозернистая структура породы. Основные характеристики последней - хорошо кристаллизованные минералы, зерна которых можно различить невооруженным глазом. Ориентировка кристаллов минералов в породе отсутствует. Породы также характеризуются значительной плотностью (до 3 000 кг/м3), практическим отсутствием пор и пустот.
Главные виды камня (породы), относящиеся к интрузивным: гранит, диорит, габбро, перидотит. Плотность пород возрастает параллельно с убыванием кремнезема SiO2, от гранита - к перидотиту. Гранит, из-за высокого содержания SiO2 принято классифицировать как кислую породу, диорит как среднюю, габбро - как основную, перидотит - как ультраосновную.
Интрузивные породы принято различать по следующим признакам:
1. Породы полностью образованы кристаллами.
2. Большую часть кристаллов можно увидеть невооруженным глазом.
3. Пространственная ориентировка кристаллов минералов в каком-либо из направлений в породе отсутствует - минералы перемешаны между собой в хаотичном порядке.
4. Значительная плотность пород, практически отсутствие в них пустот и пор.
5. Отличия представителей интрузивных пород друг от друга по тону окраски (более темные цвета от гранита к перидотиту).
Эффузивные магматические породы образуются в случае остывания на поверхности Земли расплавленной жидкой магмы, поднимающейся из глубин планеты под воздействием вулканических сил. Своим минеральным составом эффузивные породы повторяют интрузивные - обе группы пород происходят из одних и тех же магм. Эффузивные породы, как и интрузивные, становятся темнее и тяжелее с понижением содержания кремневой кислоты.
Различия в эффузивных и интрузивных породах заключаются в их структуре. Лавы, образующие эффузивы, остывают быстрее магм интрузивов - ввиду чего в вулканитах (эффузивах) кристаллы минералов в основном микроскопических размеров, невыдимые для обычного глаза. Только некоторые отдельные, более крупные кристаллы бывают хорошо образованы - они имеют выраженные контуры и свою собственную уникальную форму. Подобную структуру горных пород называют порфировой. Она является характерной особенностью эффузивных пород: отдельно образованные кристаллы располагаются в основной массе породы.
В случае очень быстрого остывания магмы (при низких температурах её остывания, контакте со льдом или водой) кристаллы не успевают появиться вообще, и вся масса породы получается аморфной. Подобные породы классифицируют как вулканические стекла. К последним относят рыхлую пемзу, пехштейн и обсидиан.
Эффузивные породы принято различать по следующим признакам:
1. Порфировая структура - образованы только отдельные кристаллы.
2. Основная масса плотной (микрозернистой) или аморфной (стекловатой) структуры.
3. Наличие многочисленных мелких пустот.
4. Текстуры течения - ориентировки отдельных компонентов породы, полосчатого распределения окраски или овальной формы уплощенных и вытянутых пустот.
5. Часто можно наблюдать образование столбов.
6. Породы разделяются в пределах ряда как по интенсивности окраски (от светлого к темному), так и по минеральному составу.
Полезные ископаемые — горные породы иминералы, которые используются или могут быть применены в народном хозяйстве. Подразделяются они по-разному. В одном случае подчеркивается их физическое состояние, и выделяются следующие типы:
- твердые (различные руды, уголь, мрамор, гранит, соли);
- жидкие (нефть, минеральные воды);
- газовые (горючие газы, гелий, метан).
В другом случае за основу берется их использование, вследствие чего выделяются ископаемые: горючие (уголь, торф, нефть, природный газ, горючие сланцы); рудные (руды горных пород, включающие металлические полезные компоненты и неметаллические (графит, асбест); нерудные (неметаллические и негорючие полезные ископаемые: песок, гравий, глина, мел, известняк, различные соли. Отдельной группой стоят драгоценные и поделочные камни).

Сейсмический метод изучения внутреннего строения Земли. Для исследования глубоких недр используют различные геофизи­ческие методы, позволяющие по изменчивости изученных физических полей получать информацию о строении, соста­ве и свойствах внутренних оболочек Земли. Наиболее досто­верные данные о внутреннем строении Земли дают комплекс­ные геофизические исследования: сейсмическая разведка, гравиразведка, магнито­разведка, электроразведка, геотермическая съемка и др.

Сейсмический метод изучения внутреннего строения Земли

Сейсмический метод (от греч. «сейма» – колебание, земле­трясение) изучения внутреннего строения Земли основан на наблюдениях за распространением сейсмических волн в ее недрах. Сейсмические волны –это упругие колебания вещест­ва, вызванные землетрясениями или искусственными взрыва­ми.

Для изучения внутреннего строения Земли (а также поисков полезных ископаемых) приемники сейсмических колебаний (сейсмографы) располагаются на земной поверхности. Сейсмические волны, вызванные землетрясениями и взрывами, проходя через недра Земли, преломляются и отражаются на акустических границах раздела пород и возвращаются к земной поверхности, где регистрируются сейсмографами. Скорость распространения сейсмических волн в разных горных породах различна. Например, в рыхлых песках и глинах она меньше, чем в твердых и плотных породах. Определяя скорости распространения упругих волн с учетом времени их регистрации, судят о форме и глубине залегания акустических границ.

Сейсмические волны бывают двух типов – объемные и поверхностные Они имеют различный характер распространения, преломления и отражения в зависимости от агрегатного состояния и физико-механических свойств горных пород.

Объемные волны бывают двух типов продольные и пoперечные.

Продольные сейсмические волны представляют собой упругие колебания вещества около своего среднего положения в направлении распространения самой волны, т е. переменное его сжатие и разряжение. Эти волны распространяются в любых средах (твердой, жидкой, газообразной). Скорость их распространения в 1,7 раза больше скорости поперечных волн. Поэтому на сейсмограммах они регистрируются раньше, чем поперечные волны, и называются первичными, или волнами Р (от лат. Prima – первые).

Поперечные волны создают колебания вещества в направлении, перпендикулярном распространению волны. Они связаны со сдвигом вещества, т. е. с изменением его формы. Эти волны могут проходить только через твердое тело и затухают в жидком и газообразном веществах, ибо два последних не сопротивляются изменению формы. Поскольку на сейсмограммах поперечные волны регистрируются после про­хождения продольных волн, то они получили название вторичных, или S-волн (от лат sekundo – вторые).

Скорость распространения продольных волн v_р зависит от плотности среды в данной точке ρ, модуля сжатия К_cж и мо­дуля сдвига μ_сдв выражается формулой, известной из курса общей физики

(2.1)

Скорость распространения поперечных волн v_s, зависит только от плотности среды ρ и модуля сдвига μ_сдв, т.е.

(2.2)

Поскольку в жидких средах модуль сдвига μ_сдв=0, то это означает, что в них скорость распространения продольных волн равна

(2.3)

а скорость поперечных волн V_s=0. Из этого следует, что по­перечные сейсмические волны, в отличие от продольных, мо­гут распространяться только в твердых средах; в жидкос­тях и газах они затухают.

Поверхностные сейсмические волны. Поверхностные вол­ны (L-волны, от лат. longa–длинные) возникают на гра­нице разнородных сред у поверхности материков и океани­ческою дна. Они вызывают одновременно деформацию объема и сдвига. Они имеют большую длину, чем продольные и по­перечные волны, а скорость их меньше.

Поверхностные волны широко используются для иссле­дования наружных слоев Земли. Как и объемные, они бы­вают двух типов: волны Рэлея и волны Лява. Теоретически изучены английским физиком Дж. Рэлеем в 1885 г. и Лявом в 1911 г.

При землетрясениях в рэлеевской волне смещение частиц почвы происходит с вертикальной плоскости, а сами частицы описывают эллипс, двигаясь против часовой стрелки.

В волнах Лява смещение частиц почвы происходит в гори­зонтальной плоскости перпендикулярно к направлению дви­жения волн.

В поверхностных волнах величина смещения максимальна на поверхности и очень быстро (по экспотенциальному закону) убывает с ростом глубины и обратно пропорционально расстоянию от их источника. Длина поверхностных волн – от десятков до многих сотен километров. Поэтому с их помощью изучаются лишь наружные слои Земли толщиной не менее нескольких километров.

Сейсмическая модель внутреннего строения Земли

Среди различных моделей внутреннего строения Земли наибольшее признание получила классическая сейсмическая модель Джеффриса – Гутенберга, построенная в конце 30-х гг. нашего столетия на основе изменения по радиусу Земли скоростей распространения продольных и поперечных сейсмичес­ких волн.

Если бы наша планета от поверхности до центра была однородным телом, т. е. плотность всюду оставалась посто­янной, то на всех глубинах скорость сейсмических волн была бы одинаковой, и путь их распространения был бы прямолинейным. В действительности пути пробега сейсмических волн имеют сложный криволинейный характер. Скачкообразно с глубиной изменяется и их скорость.

Первая поверхность скачка скорости продольных и поперечных сейсмических волн находится на глубине в среднем около 60–70 км На этой глубине от земной поверхности скорость распространения продольных волн резко возрастает с 5 до 8 км/с, резко возрастает и скорость поперечных волн – с 1,5 до 4,5 км/с. В следующем слое скорость продольных волн постепенно увеличивается, достигая максимума в 13,6км/с на глубине около 2900 км, после чего резко падает до 8,1 км/с, а затем к цент­ру Земли медленно возрастает до 11,3км/с

Скорость поперечных волн в слое от 70 до 2900 км так же, как и скорость продольных волн, постепенно нарастает до 7,5 км/с На глубине 2900км, как и у продольных, она резко снижается, но в отличие от них приближается к нулю. Это означает, что практически глубже 2900 км поперечные волны не приникают и, будучи отраженными на этой глубине, возвращаются к поверхности. Правда, последние более детальные данные свидетельствуют о том, что начиная с глубин около 5000 км поперечные волны распространяются с небольшой менее 0,5–1,0 км/с скоростью.

Скачкообразное изменение с глубиной продольных и поперечных сейсмических волн отражает скачкообразное увеличение упругих свойств и плотности вещества земных недр с глубиной, что свидетельствует о расслоенности Земли. Резкое изменение скоростей сейсмических волн на глубинах 70 и 2900 км дает основание для выделения в ней трех основных частей, или трех внутренних геосфер наружной (земной коры), промежуточной (мантии) и внутренней (ядра).

На границах сейсмических разделов первого порядка - между земной корой и верхней мантией и между нижней мантией и внешним ядром существенно изменяется и плотность вещества. Так, непосредственно ниже границы Мохо плотность пород значительно выше, чем в земной коре, и составляет 3,4 10³ кг/м³ В основании нижней мантии на глубине 2900 км она равна 5,7 кг/м³. При переходе от мантии к ядру происходит резкое увеличение плотности до 10 кг/м³. Затем плотность повышается до 11,5 кг/м³,а во внутреннем ядре составляет примерно 13 кг/м³.

Внутренние геосферы сильно различаются по толщине, объему и массе. Самой малой по толщине (33 км, или 0,5 % радиуса Земли), массе (5·10²² кг, или 0,8 % массы Земли) и по объему (1,7 10¹⁰ км³, или 1,6 % объема Земли) является земная кора, наибольшей по массе (405-1022 кг, или 67,8 %) и объему (89,1 10¹⁰ км³, или 82,2 %) – мантия, а по толщине–ядро (3573 км, или 55,2 %).