Породообразующие минералы и горные породы

Земная кора сложена горными породами, которые состоят из минералов. Изучением минералов занимается наука минералогия.

Минерал (лат. minera – руда) – химическое соединение, образующееся в результате естественных физико-химических и геологических процессов в земной коре или на ее поверхности. В земной коре содержится несколько тысяч минералов и их разновидностей, но только около сотни из них наиболее часто встречаются и в больших количествах входят в состав горных пород. Эти минералы называются породообразующими. Минералы, содержание которых в породах незначительно (менее 5 %) называются акцессорными.

По способу образования минералы могут быть объединены в две группы:

– эндогенные минералы, образующиеся на различных глубинах за счет внутренней энергии Земли в результате кристаллизации магмы и преобразования первичных минералов в условиях высоких давлений и температур;

– экзогенные минералы, образующиеся за счет внешней (солнечной) энергии в результате процессов выветривания (воздействие атмосферы, гидросферы, биосферы) разнообразных пород.

Каждый минерал обладает определенным химическим составом и определенной кристаллической структурой, т. е. закономерным расположением в пространстве элементарных частиц (молекул, атомов, ионов). В зависимости от особенностей химического состава и кристаллической структуры минералы образуют многогранники различной формы, называемые кристаллами. Эти характеристики минералов обусловливают все физические свойства, такие как цвет, блеск, твердость и т. д.

Полиморфными модификациями называются минералы, имеющие одинаковый химический состав, но различное внутреннее строение, структуру. Например, графит и алмаз – С; кальцит и арогонит – СаСО₃ их относят к различным минеральным видам.

Изоморфизмом (от греч. isos – равный и morphe – форма) называется свойство различных, но родственных по химическому составу веществ кри­сталлизоваться в одинаковых структурах при одном типе химической связи. Минералы с переменным составом могут объединяться в один минеральный вид, если непрерывно изменение состава минерала от одного крайнего члена к другому.

Иногда минералы имеют неупорядоченное строение, когда атомы и ионы, их составляющие, располагаются беспорядочно, хаотично. Минералы с таким строением называются аморфными.

Наиболее часто встречающимися формами выделения минералов в природе являютсяминеральные агрегаты – беспорядочные скопления минералов. Минеральные агрегаты бывают мономинеральными (греч. monos – один) и полиминеральными (греч. polys – многочисленный). При описании минеральных агрегатов отмечают размер отдельных зерен и их форму. По размеру слагающих их кристаллов агрегаты могут подразделяться на гигантозернистые – слагающие кристаллы более 3 см; крупнозернистые 3–1 см; среднезернистые от 1до 0,3 см; мелкозернистые – менее 0,3 см, выделяются также скрытокристаллические агрегаты, отдельные зерна которых не видны невооруженным глазом. Формы кристаллов, слагающих минеральный агрегат, могут быть: изометричные, таблитчатые, дисковидные, уплощенные, листоватые, пластинчатые, столбчатые, шестоватые, игольчатые, волокнистые и т. д.

Физические свойства минералов

Минералы отличаются друг от друга по внешним признакам: цвету, блеску, форме и другим свойствам. Все физические свойства минералов находятся в прямой зависимости от их химического состава и кристаллической структуры, Для того чтобы распознать минералы в полевых условиях, не прибегая к специальным методам минералогического исследования и оборудованию, необходимо знать и уметь определить их основные физические свойства, которые можно использовать как диагностические признаки.

Оптические свойства

Прозрачность – свойство минерала пропускать свет. В зависимости от степени прозрачности минералы подразделяются: прозрачные (горный хрусталь, топаз, исландский шпат), полупрозрачные (флюорит, сильвин) и непрозрачные (пирит, магнетит).

Цвет. А. Е. Ферсман выделял следующие типы окраски минералов, обусловленные разными причинами:

– идиохроматическая (от греч. idios — свой собственный и chroa – цвет) окраска обусловлена внутренними свойствами минерала – особенностями строения кристаллической решетки. Некоторые минералы имеют определенный цвет, по которому его можно практически безошибочно определить. Например, пирит – латунно-желтый, магнетит – черный, малахит – зеленый, родонит – красный, азурит – синий.

– аллохроматическая (от греч. alios – другой, чужой) окраска связана с присутствием в минералах либо элементов-хромофоров (Cr, V, Ti, Mn, Fe, Al, Ni, Со, Cu, U, Мо), либо тонко рассеянных механических примесей. Такие минералы называются полихромными (от греч. polys – многочисленный и chroma – цвет, краска). Кроме того, анизотропные минералы могут обладать плеохроизмом (от греч. pleon – более и chroa – цвет), т. е. обнаруживать разную окраску при рассматривании их в разных направлениях. Например, даже незначительная примесь Сг₂О₃ (0,1 %) окрашивает бесцветный минерал корунд в густой ярко красный цвет, прозрачная разновидность которого называется рубином.

– псевдохроматическая окраска (от греч. pseudos – ложь) связана с различными оптическими эффектами: рассеянием и отражением света, интерференцией световых волн. Например, вспыхивающие на черном фоне ярко-синие пятна на поверхности полевого шпата лабрадора, обусловленные интерференцией (явление иризации ) (от греч. iridos – радуга).

Для рудных минералов (халькопирит) характерна возникающая на его поверхности в результате окисления разноцветная пленка – побежалость.

Цвет черты. Это цвет тонкого порошка минерала, который легко получить, если провести испытуемым минералом черту на матовой (неглазурованной) поверхности фарфоровой пластинки, называемой бисквитом. Цвет минерала в порошке может быть таким, как его цвет в кристаллическом агрегате, но может и значительно отличаться. Для темноцветных и непрозрачных минералов цвет минерала в порошке – важный диагностический признак.

Блеск – это способность минералов отражать от своей поверхности световой поток. Установлено, что блеск зависит от показателя преломления минерала, т. е. величины, характеризующей разницу в скорости света при переходе его из воздушной среды в кристаллическую среду.

Механические свойства

Спайностьюназывается свойство минералов раскалываться или расщепляться по определенным направлениям, обусловленным строением их кристаллических решеток, образуя при этом ровные площадки – плоскости спайности. Разрушение происходит предпочтительно по тем направлениям, по которым в кристаллической решетке существуют наиболее слабые связи. Это свойство минералов связано исключительно с их внутренним строением и не зависит от внешней формы кристаллов.

Плоскость спайности отличается от естественной грани кристалла тем, что естественную грань можно отбить, и она больше не повторится, а плоскости спайности можно получать многократно. На естественных гранях кристаллов часто наблюдается штриховка или следы растворения, плоскости спайности более гладкие и совершенные. Аморфные минералы также не обладают спайностью.

Изломом называют характер поверхности раскола.

Твердость – степень сопротивления внешним механическим воздействиям – царапанию, резанию, вдавливанию. В минералогической практике применяется наиболее простой способ определения твердости – царапанье одного минерала другим, т. е. устанавливается относительная твердость минерала.

Для оценки относительной твердости австрийским минералогом Ф. Моосом была предложена шкала, состоящая из десяти минералов. Каждый последующий минерал этой шкалы царапает предыдущий, черта, полученная при этом, не стирается и остается в виде царапины. Более мягкие минералы оставляют на твердых минералах черту в виде порошка, которая легко стирается. Твердость минералов-эталонов в шкале условно обозначена целыми числами, несоответствующими их действительной твердости.

Шкала Мооса представлена следующими минералами:

1 Тальк Mg₃[Si₄O_l0](OH)₂.

2. Гипс CaS0₄.2H₂0.

3. Кальцит СаСО₃.

4. Флюорит CaF₂.

5. Апатит Ca₅[P0₄]₃(F,Cl).

6. Ортоклаз K[AlSi₃0₈].

7. Кварц Si0₂.

8. Toпаз    Al₂[Si0₄l(F,OH)₂.

9. Корунд А1₂0₃.

10.  Алмаз С.

Хрупкость – свойство минерала крошиться под давлением или при ударе.

Ковкость – свойство вещества под давлением расплющиваться в тонкую пластинку.

Прочие свойства

Плотностьдля различных минералов колеблется от 0,9 до 21 г/см³. Все минералы по плотности можно разделить на три группы:

– легкие, с плотностью меньше 3 (галит, гипс, кварц и др.);

– средние, с плотностью порядка 3–5 (апатит, корунд, пирит и др.);

– тяжелые, с плотностью больше 5 (магнетит, золото и др.).

Специфическиесвойства. Некоторые минералы обладают особыми, характерными только для них свойствами.

Магнитностьопределяется по способности минерала отклонять магнитную стрелку компаса (магнетит, пирротин).

Реакция с соляной кислотой некоторых минералов класса карбонатов сопровождается выделением углекислого газа.

Двойное лучепреломление (раздвоение световых лучей при прохождении через анизотропные кристаллы) характерно для прозрачной разности кальцита, называемой исландским шпатом. Если через исландский шпат рассматривать, например, печатный текст, то возникает двойное изображение.

Физиологические свойства.

Соленым вкусом обладает галит (каменная соль), горько-соленым – сильвин.

Специфическим запахом обладает сера. Выделения арсенопирита при трении издают запах чеснока.

Классификация минералов

В основу современной классификации минералов положены кри­сталлохимические принципы, учитывающие химический состав и кристаллическую структуру минералов. Единицей такой классификации является минеральный вид. Сходные по составу и структуре минеральные виды объединяют в группы, подклассы и классы. Крупнейшим систематическим подразделением является тип. Выделяют пять типов: простые вещества, сульфиды, оксиды и гидроксиды, соли кислородных кислот и галогениды. Тип простых веществ делится на металлы и неметаллы, тип сульфидов – на собственно сульфиды, теллуриды и арсениды. Наибольшее число классов насчитывается в типе солей кислородных кислот. Минералы этого типа классифицируются по комплексным анионам. В программе дисциплины «Геология» рассматриваются следующие классы:

– самородные элементы – простые вещества в свободном состоянии;

– сульфиды – соли сероводородной кислоты Н₂S;

– галогениды – соли соляной кислоты НСl (хлориды) и соли плавиковой кислоты НF (фториды);

– оксиды и гидроокислы – соединения металлов и неметаллов с кислородом и водой;

– карбонаты – соли угольной кислоты Н₂СО₃;

– сульфаты – соли серной кислоты Н₂SО₄;

– фосфаты – соли ортофосфорной кислоты Н₃РО₄;

– силикаты – соединения, содержащие SiO₂ (основа кристаллической решетки – скелет из кремнекислородных тетраэдров [SiO₄]⁴).

Горные породы

Горные породы – это природная совокупность минералов постоянного минералогического состава, образующая самостоятельное тело в земной коре. Наука, занимающаяся изучением горных пород, называется петрографией.

Горные породы, состоящие из одного минерала, называются мономинеральными (кварцит, известняк, каменная соль), состоящие из нескольких минералов – полиминеральными (гранит, глина).

Строение горной породы характеризуется структурой и текстурой.

Структура характеризует внутреннее строение породы, связанное со степенью ее кристалличности, абсолютным и относительным размером зерен или обломков, их формой.

Текстура характеризует особенность внешнего сложения горной породы, обусловленную размещением минеральных зерен в пространстве, их ориентировкой и окраской.

По условиям образования (генезису) горные породы условно делятся на три типа:

– магматическиегорные породы, возникающие путем кристаллизации природных силикатных расплавов внутри Земли и на ее поверхности;

– осадочныегорные породы, образовавшиеся в результате жизнедеятельности и отмирания живых организмов или выпадения осадков из пересыщенных растворов, или, образовавшиеся в поверхностной части земной коры, в результате выветривания любых ранее существовавших пород;

– метаморфическиегорные породы, образовавшиеся путем коренного преобразования любых ранее существовавших пород под влиянием высоких температур и давления, а также гидротермальных растворов.

Магматические горные породы возникают путем кристаллизации природных силикатных расплавов внутри земной коры или на ее поверхности и подразделяются на три класса:

– класс плутонических (интрузивных), т. е. полнокристаллических пород, происхождение которых связано с длительной кристаллизацией магматического расплава в земной коре;

– класс вулканических (эффузивных), т. е. порфировых или афировых пород с микрокристаллической или стекловатой основной массой, являющихся продуктами кристаллизации магмы, вышедшей на земную поверхность по вулканическим каналам и застывшей в течение короткого промежутка времени;

– класс гипабиссальных (жильных) пород, которые формируются на небольших глубинах и занимают по условиям залегания и структурам промежуточное положение между глубинными (плутоническими) и излившимися (вулканическими) породами и проявляются в виде малых интрузий (даек, силлов, штоков).

Формы залегания магматических тел

Батолит – крупный интрузивный массив, гигантская линза глубиной до 15 км и площадью от 100 до десятков тысяч км.

Шток – несогласная интрузия, в вертикальном разрезе имеющая форму колонны. В плане форма неправильная. От батолитов отличаются меньшими размерами.

Лополит – согласная, межпластовая интрузия блюдцеобразной формы.

Лакколит – согласная межпластовая интрузия, имеющая в разрезе грибообразную или куполообразную форму кровли и плоскую подошву.

Силлы – пластообразные тела, внедряющиеся между слоями вмещающих пород.

Дайка – несогласная интрузия небольших размеров (имеет секущие контакты с вмещающими породами).

Купол – сводообразные формы вулканических пород.

Лавовый покров – образуется в результате растекания магмы по поверхности Земли.

Потоки – вытянутые формы, возникающие при излиянии магмы из вулканов.

Химический состав магматических пород принято представлять в виде процентного содержания главных петрогенных оксидов: SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, FeO, MnO, MgO, TiO₂, СаО, Na₂O, K₂O и H₂O. В классификации магматических пород по химическому составу используют процентное содержание кремнезема (SiO₂) и (или) суммы щелочей (Na₂O + K₂O).

Плутонические и вулканические магматические породы могут возникнуть из магмы одного и того же химического состава, поэтому почти каждая плутоническая магматическая порода имеет излившийся аналог, тождественный ей по химическому составу, но минеральный состав пород при этом может быть разным. Эти различия связаны с условиями формирования пород.

Все магматические горные породы разделяются по содержанию кремнезема (SiО₂) на группы: кислые (более 65 %), средние (52–65 %), основные (45–52 %), ультраосновные (меньше 45 %).

Осадочные горные породы

Осадочные породы представляют собой скопления минерального или органического вещества, которые образуются в результате экзогенных процессов в пределах земной поверхности – на дне водоёмов или на поверхности суши. Составляя всего 5 % объема земной коры, осадочные породы покрывают около 75 % поверхности Земли, и чаще всего являются основаниями фундаментов сооружений.

Образование осадочных пород (литогенез) представляет собой совокупность ряда последовательных стадий:

– выветривание (физическое разрушение, дробление пород и последующее химическое разложение до состояния глин), которое приводит к разрушению верхней части всей континентальной коры;

– переноспреимущественно речными потоками, а также ветром, ледниками, временными водотоками. Продукты выветривания при этом продолжают измельчаться, истираться, сортироваться;

– отложение или седиментация рыхлых осадков в водных бассейнах с проявлением процессов дифференциации;

– диагенезвключает в себя процессы уплотнения осадка, его дегидратацию (удаление воды) и цементацию вследствие постепенного погружения на большие глубины, увеличения лито- и гидростатической нагрузки, а также повышения температур за счет геотермического градиента. В результате диагенеза песок превращается в песчаник, глина в аргиллит, гравий и галька в конгломерат.

Осадочные породы принято подразделять на три основные группы: обломочные (терригенные), химического происхождения (хемогенные) и органогенные – продукты жизнедеятельности и отмирания живых организмов. Многие породы имеют смешанное происхождение, примером могут служить мергели, известковистые песчаники и др.

К осадочным горным породам также относят: пирокластическиепороды (продукты извержения вулканов – пепел и песок), осевшие на поверхности земли, и со временем преобразовавшиеся в туфы и туфобрекчии.

Классификация обломочных (терригенных) пород основана на различии по крупности зерен, по степени окатанности и сцементированности.

Хемогенные породы образуются при химическом разрушении и растворении минералов материнских пород и последующим выпадением новых минералов в осадок из пересыщенных растворов.

Органогенные образования представляют собой продукты жизнедеятельности и отмирания живых организмов. Сюда относятся известняки – продукты отмирания организмов, извлекающих из среды обитания СаСО₃, опоки, имеющие состав SiO₂   nH₂O и угли, представляющие собой различные углеродистые соединения. При классификации органогенных и хемогенных пород определяющим является их химический состав.

Важнейшим признаком, характеризующим строение осадочных пород, является их слоистая текстура. Образование слоистости связано с условиями накопления осадков. Слоистая текстура обусловлена чередованием слоев нескольких разностей осадочных пород и может быть вызвана резким изменением размеров обломочных частиц и вещественного состава пород, либо ориентировкой осадочного материала.

Слои осадочных пород представляют собой тела относительно небольшой толщины, но занимающие большие площади. В слоистой толще каждый слой отделен от другого границей – поверхностью напластования. Поверхность, ограничивающая слой снизу, называется подошвой, сверху – кровлей.Кратчайшее расстояние между кровлей и подошвой называют его истинной мощностью. Истинная мощность слоев осадочных пород колеблется в широких пределах – от долей сантиметра до десятков метров.