ПОНЯТИЕ О ГЕНЕЗИСЕ МИНЕРАЛОВ, ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ

Минерал – это продукт природных физико-химических процессов. По источнику энергии процессы минералообразования разделяются на две большие группы: эндогенные, связанные с внутренней энергией Земли, и экзогенные, связанные с энергией Солнца.

Эндогенные (или гипогенные, 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 разрушением горных пород и минералов и вызывают образование других пород и минералов, устойчивых в условиях поверхности Земли. Сюда же относятся биогенные процессы, т. е. 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 преобразования – метаморфизм. При этом возникают новые минералы и горные породы, которые называют метаморфическими.

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

Магматические процессы. К собственно магматическим процессам образования минералов относятся те, при которых минералы образуются непосредственно при кристаллизации магмы. Именно таким образом возникли все минералы, слагающие изверженные горные породы. Например, гранит состоит из полевого шпата, кварца и слюды; происхождение этих минералов в данном случае – магматическое. Второстепенные (акцессорные) минералы изверженных горных пород – апатит, циркон, ортит и др. также имеют магматическое происхождение.

Изверженные породы делятся на две большие группы: интрузивные горные породы, закристаллизовавшиеся на глубине, и эффузивные, образовавшиеся вблизи поверхности или на поверхности земли. Магматические процессы минералообразования могут быть связаны и с интрузиями и с эффузиями. Когда говорят о магматическом происхождении минералов, то обычно указывают, с какими по составу породами они связаны: кислыми, щелочными, основными или ультраосновными. Ассоциации минералов при этом будут различными.

Магматическое происхождение имеют многие практически важные минералы – апатит, алмаз, платина, руды хрома, никеля, меди; железа и др.

Пегматитовый процесс. Пегматиты – крупнозернистые и гигантозернистые жильные тела, близкие по составу тем интрузиям, с которыми они пространственно связаны и от которых отличаются формой, строением и иногда наличием ряда редкометальных и редкоземельных минералов.

Минеральный состав гранитных пегматитов сходен с минеральным составом гранитов. Главными минералами являются полевые шпаты (микроклин, плагиоклазы), кварц и слюды (мусковит, биотит), часто встречается турмалин. Для пегматитов характерны берилл, касситерит, сподумен, танталит, колумбит, минералы редких земель и другие.

Таким образом, пегматиты чрезвычайно интересны в практическом отношении. Они являются единственным источником слюды – мусковита, источником редких металлов – лития, бериллия, олова, цезия, тантала и ниобия, редких земель, а также керамического и пьезооптического сырья (полевой шпат, пьезокварц) и др.

Пневматолитический процесс, или пневматолиз (пневма – по-гречески «газ»). Пневматолиз – процесс образования минералов из газовой фазы. На некоторых этапах кристаллизации магмы возможно отделение газов. По мере движения вверх по трещинам эти газы охлаждаются, реагируют 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, отделяющихся от магмы вблизи поверхности или на поверхности Земли. Вулканические газы в огромных количествах уходят в атмосферу через жерла вулканов, фумаролы и трещины. Главными газами при извержениях являются пары воды, НСl, Н₂S, SО₂, NH_4, С1, СО₂, СО, Н₂, О₂, хлористые и сернокислые соединения Na, К, Са. В газах также обнаруживаются хлористые соединения Fе, Сu, Мn, РЬ, соединения бора, фтора, брома, фосфора, мышьяка, сурьмы и др.

К глубинным пневматолитам относят некоторые жильные тела (тела выполнения трещин) и грейзены. Грейзены – породы, образовавшиеся в условиях средних глубин благодаря переработке магматическими эманациями (газами и водными растворами) гранитов и жильных магматических пород, а также эффузивов и некоторых осадочно-метаморфических пород, богатых кремнеземом и глиноземом. Как правило, грейзены образуются в куполовидных выступах гранитных интрузий и их экзоконтактных зонах.

В минералогическом отношении в грейзенах резко преобладает кварц. Кроме того, они почти всегда содержат мусковит, часто литиевые слюды, топаз, турмалин, флюорит, рутил. Из рудных минералов характерны касситерит и вольфрамит, в меньшей степени молибденит и арсенопирит. Нередко в грейзенах можно встретить берилл, особенно характерна его прозрачная разновидность цвета морской воды – аквамарин, являющаяся драгоценным камнем. Пневматолитовый процесс неразрывно связан с гидротермальным процессом.

Гидротермальный процесс. 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 различные вещества из боковых пород, по которым они двигались. Причина движения гидротерм – разность давлений. Когда внутреннее давление растворов больше внешнего, растворы движутся в сторону наименьшего давления, обычно вверх, к поверхности земли. При своем движении они используют различные тектонические нарушения, трещины, зоны контактов. По мере удаления растворов от магматического очага температура их падает. В результате падения температуры и реакций с вмещающими породами гидротермы отлагают свой груз в виде минералов. Выделение минералов из водных растворов (иногда коллоидных) и представляет сущность гидротермального процесса. Поскольку гидротермы обычно движутся по трещинам, форма большинства гидротермальных минеральных тел жильная. Главнейшим жильным минералом является кварц.

Ближе к гранитной интрузии и в самом интрузиве располагаются гидротермальные жилы с вольфрамитом, касситеритом, молибденитом, далее – жилы с сульфидами меди, золота, свинца и цинка, серебра, затем сурьмы и ртути. Однако подобная зональность не является строго концентрической, проявляется не всегда и характерна лишь для сравнительно небольших (до 10 км в поперечнике) гранитных штоков.

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.

Экзогенные процессы минералообразования. В поверхностной зоне земной коры происходит мощный процесс разрушения минералов и горных пород. Совокупность явлений химического и физического разрушения носит общее название выветривания. Продукты выветривания могут переноситься водными и воздушными потоками на значительные расстояния. Некоторые минералы и породы могут при этом переходить в раствор и мигрировать в растворенном виде, достигая морей и океанов. В определенных местах земной коры все эти продукты соответственно их гидродинамической и гидрохимической активности будут выпадать в осадок. Этот процесс носит название осадочного.

Процессы выветривания. Процессы выветривания приводят к механическому разрушению и химическому разложению пород и минералов.

Агентами выветривания являются вода и ветер, колебания температуры вблизи поверхности, кислород и углекислота воздуха, жизнедеятельность организмов. Интенсивность выветривания также зависит от климата, рельефа местности, химического состава пород и минералов.

В результате физического выветривания происходит механическое разрушение пород и минералов – их дезинтеграция. Обломочный материал либо остается на месте, либо переносится водными потоками. Новых минералов при этом не образуется, но в результате механического разрушения, переноса и отложения образуются россыпи – важный источник многих ценных минералов. При химическом выветривании происходит химическое разложение минералов и образуются новые минералы, устойчивые в поверхностных условиях. Здесь прежде всего отмечаются так называемые остаточные образования.

При разложении горных пород, содержащих различные силикаты и алюмосиликаты, происходит вынос растворимых продуктов (соли калия, натрия, кальция, магния), а труднорастворимые продукты – глинозем и кремнезем – остаются на месте разрушения или испытывают незначительное перемещение. Бокситами называют остаточные образования коры выветривания, обогащенные гидроокислами алюминия. Образуются эти породы в условиях жаркого и умеренно влажного климата. Процессы образования каолина и бокситов носят название соответственно каолинизации и бокситизации.

Помимо отложения указанных продуктов на месте разрушения (остаточные месторождения), они могут быть переотложены водными потоками (осадочные месторождения).

Большое значение имеют процессы выветривания в рудных месторождениях. Во вскрытых эрозией рудных жилах первичные (гидротермальные и др.) рудные минералы, в особенности сульфиды, легко разрушаются и переходят во вторичные, окисленные минералы – сульфаты, окислы, карбонаты и другие соединения. В результате образуются зоны окисления сульфидных месторождений, или зоны «железной шляпы». Железные шляпы имеют большое поисковое значение, они указывают на наличие на некоторой глубине сульфидного месторождения. В самой верхней части зоны окисления, богатой кислородом, сульфиды окисляются в сульфаты. Главным минералом зоны окисления является лимонит или бурый железняк. Сульфаты легко растворимы, они просачиваются в нижнюю часть зоны окисления, где образуются новые минералы: гипс, малахит, азурит, смитсонит, церуссит, хризоколла, опал и другие. Ниже уровня грунтовых вод следует зона цементации, или вторичного сульфидного обогащения, за которой находятся первичные неокисленные руды. Сульфаты металлов (главным образом меди) реагируют с первичными рудами, в результате чего образуются вторичные сульфиды: халькозин и ковеллин. В зоне цементации образуются руды меди, серебра, золота, свинца и цинка. Особенно большое значение эта зона имеет для медных месторождений, где иногда халькозин, ковеллин и борнит образуют значительные скопления.

Осадочный процесс. Разрушенные в результате выветривания огромные массы горных пород и минералов перемещаются текучими водами. При этом происходит сортировка материала и его отложение. В озерах и морях возникали такие условия, когда растворенные вещества не могут больше находиться в растворе и выпадают в осадок. Таково происхождение различных солей: гипса, галита, карналлита и др. Это – химические осадки.

Накопление солей происходит в условиях сухого климата при испарении морских (реже континентальных) вод. Последовательность осаждения солей определяется их концентрацией, составом и температурой морской воды.

Большую роль в разрушении минералов и горных пород и в их новообразовании играют живые организмы, главным образом различные бактерии. Поэтому можно выделить также и биогенный или биохимический процесс. Установлено участие организмов в образовании фосфоритов, самородной серы, руд железа и марганца. Минералы, образовавшиеся при участии организмов называют биолитами. К биолитам можно отнести и породы, например карбонатные (известняки, мел), которые образовались в результате скопления организмов с известковым скелетом, а также каменный уголь, торф и горючие сланцы.

Важную роль в образовании экзогенных минералов играют коллоидные растворы (от греческого слова «колла» – клей). Коллоидные растворы (золи) характеризуются преобладанием растворителя. Когда количество растворителя невелико, образуются студнеподобные массы (гели). Примерами гелей могут служить опал (гель кремнезема) и лимонит (гель гидроокислов железа). Выпавшие из коллоидных растворов гели подвергаются старению, они теряют воду и могут со временем перейти в скрытокристаллические агрегаты (например, за счет геля кремнезема образуются халцедон и кварц). Такие обра­зования называются метаколлоидами. В виде метаколлоидов встречаются также окислы и гидроокислы железа и марганца, марказит, сфалерит и некоторые другие минералы.

Метаморфические процессы минераообразования. Осадочные горные породы благодаря движениям земной коры могут попасть в более глубокие зоны литосферы, где существуют иные термодинамические условия, чем на поверхности. При этом они будут испытывать изменения – метаморфизм, главными факторами которого являются температура и давление. Механизм метаморфических процессов заключается в обезвоживании, перекристалли­зации и метасоматических явлениях. Так, известняк, подвергаясь метаморфизму, переходит в кристаллическую зернистую породу – мрамор, песчаник, кварцит, глинистые породы – в филлиты и затем в кристаллические сланцы и гнейсы. Метаморфизму могут подвергаться не только осадочные, но и изверженные породы.

Выделяют гидротермальный (околожильный), контактовый и региональный метаморфизм.

Гидротермальный метаморфизм, который также иногда называют околожильным или околотрещиным, заключается в метасоматической переработке газовыми и водными растворами вмещающих пород вдоль трещин и гидротермальных жил. К этому виду метаморфизма могут быть отнесены протекающие в связи с жилообразованием процессы грейзенизации, турмалинизации, окварцевания, березитизации, хлоритизации, оталькования и др.

Контактовый метаморфизм проявляется на контакте двух пород, обычно изверженной и осадочной. Если магматический расплав, имеющий температуру около 1000° и богатый различными газами, под большим давлением внедряется в вышележащие породы, то, последние должны с ним реагировать, особенно если это химически активные породы, такие, например, как известняки.

Наиболее сильно явления контактового метаморфизма проявляются при внедрении интрузий в карбонатные породы, в результате чего образуются такие минералы, как волластонит и гроссуляр. Кальций в них заимствуется из карбонатной породы, а глинозем и кремнезем – из алюмосиликатной магмы.

Послемагматические растворы могут привносить железо, марганец, вольфрам, молибден, свинец, цинк, кремнекислоту, щелочи и другие вещества. При посредстве этих растворов происходит диффузионный обмен различными компонентами между контактирующими средами. Так, кальциевые соединения диффундируют из карбонатной породы к граниту, в обратном направлении происходит диффузия соединения кремния и алюминия.

Реакционный обмен компонентами и присутствие новых веществ, привнесенных растворами, ведут к тому, что в контактовой зоне образуются своеобразные породы – скарны. Скарны – это метасоматические породы, образовавшиеся в контакте гранитоидных интрузий с карбонатными породами при обязательном участии послемагматических растворов. Характерными минералами скарнов являются пироксены (диопсид, геденбергит), гранаты (гроссуляр, андрадит) и другие более сложные силикаты, содержащие кальций; из рудных минералов – шеелит, молибденит, магнетит, халькопирит, галенит и сфалерит. В строении скарнов наблюдается зональность в распределении минералов от гранитоида к известнякам.

Обычно различают известковые и известково-магнезиальные скарны; первые связаны с контактами известняков, вторые – с контактами доломитов. Ассоциации минералов в них различны: в известковых скарнах развиты кальциевые силикаты, в известково-магнезиальных – силикаты магния.

Региональный метаморфизм протекает на больших глубинах и захватывает огромные площади. При региональном метаморфизме, например в результате перекристаллизации при одностороннем давлении, могут образоваться минералы, которые в других условиях не возникают. Типичные минералы регионального метаморфизма – слюды, гранат, дистен, андалузит и др. Они являются породообразующими для широко распространенных метаморфических горных пород – кристаллических сланцев и гнейсов.

В процессе регионального метаморфизма иногда возникают крупные месторождения железных руд, например, в виде железистых кварцитов. С региональным метаморфизмом связывают также образование так называемых сухих трещин. Эти жильные тела, развитые в метаморфических породах, образуются благодаря тектоническим напряжениям в местах разрыва. Многие из них являются источниками горного хрусталя (пьезокварца), лунного камня (адуляра) и других минералов.

Лекция 6

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: