Строение Земли. Выветривание

ГЕОЛОГИЯ

 

курс лекций для заочников

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Предметом геологии является земная кора и происходящие в ней процессы минералообразования, породообразования и формирования месторождений полезных ископаемых. Дисциплина «Основы геологии» – обязательный компонент учебных программ во всех высших учебных заведениях, где ведут подготовку инженеров по специальностям, связанным с разработкой месторождений полезных ископаемых. Для студентов специальности 170200 «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» геология является основой для дальнейшего изучения специальных дисциплин по технике и технологии бурения нефтяных и газовых скважин, а также технике и технологии добычи и подготовки нефти и газа.

Бурение любой скважины начинается с составления геолого-технического наряда, в котором на основании предполагаемого геологического разреза проектируют технологию бурения. Глубина заложения скважины, выбор бурового инструмента для проходки скважины, составление рецептур бурового раствора зависят от геологического разреза данного района. Скважины на нефть и газ бурят вращательным способом – роторным или с применением турбобура и электробура. Для вращательного бурения выделяют 12 категорий буримости горных пород в зависимости от их крепости. Выбор буровых долот зависит от типа породы, залегающей в данном интервале. В свою очередь, магматические, осадочные и метаморфические горные породы состоят из минералов, имеющих различные физические свойства. Определяющим свойством пород для буровиков является твердость, т.е. способность сопротивляться механическому воздействию породоразрушающего инструмента.

Для образования залежей углеводородов требуется наличие порового пространства в толще пород. Чем выше пористость или трещиноватость горной породы, тем больший объем нефти и газа она может содержать. Проектирование системы разработки нефтяного и газового месторождения, размещение скважин на площади, выбор способа эксплуатации зависят от геологических условий: структуры, типа коллектора, геологической неоднородности строения разреза, гидрогеологической характеристики.

Большое внимание в пособии уделено осадочным горным породам, так как именно эти породы являются нефтегазоматеринскими толщами и резервуарами для накопления органического вещества. Миграция рассеянного органического вещества происходит по проницаемым толщам осадочных горных пород, а образование месторождений нефти и газа происходит в результате скопления углеводородов в ловушках. Осадочные горные породы дают информацию о древних обстановках осадкообразования, они позволяют проводить палеогеографические реконструкции и выявлять территории, перспективные для поисков месторождений нефти и газа.

 

СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ. ВЫВЕТРИВАНИЕ

Выветривание

 

Геология как наука основана принципе актуализма, т.е. на предположении, что главные химические, физические и биологические процессы не зависят от времени. Геологи допускают, что силы и процессы, изменяющие Землю сегодня, действовали в основном таким же образом и в прошлом. Ветры, дожди, реки, вулканы - все они в прошлом влияли на поверхность Земли так же, как это происходит сейчас. Геология изучает эндогенные (внутренние) и экзогенные (внешние) процессы. Современный облик Земли формируют вулканические и тектонические явления, деятельность океанов, рек, ледников, ветра. Процессы изменения и преобразования горных пород на поверхности Земли происходят в результате выветривания.

 

Твердые породы, выходящие на поверхность, называются коренными породами. Они обычно разбиты трещинами и покрыты рыхлым материалом – наносами. Этот материал состоит из частиц разного размера, образовавшихся из подстилающих коренных пород или из чужеродного материала, принесенного ветром, водой или льдом. Процесс разрушения и изменения коренных пород носит название выветривания. Рассмотрим типы выветривания.

 

1.2.1. Физическое выветривание

 

Замерзающая в породах и трещинах вода стремится разрушить породу, так как при замерзании она увеличивается в объеме на 9 %, и в процессе ее кристаллизации создается высокое давление. Лед расклинивает и разрушает породу, особенно уже ослабленную трещинами или затронутую выветриванием. Таким образом легко дробятся породы с высокой пористостью, например, песчаники или частично измененные породы. Нагревание и охлаждение породы также способствует ее растрескиванию. В результате химических реакций минералов с кислородом, водой и углекислым газом возникают новые минералы, которые увеличивают объем породы и действуют подобно ледяным клиньям.

Растения и животные играют заметную роль в физическом выветривании. Корни прорастают в трещины и расщелины и выталкивают куски породы вверх и в стороны точно так же, как они приподнимают и разламывают асфальтовые тротуары. Если ветер валит деревья с корнем, обнажающиеся породы подвергаются дальнейшему разрушению. Дезинтеграции пород способствует рытье нор животными и вытаптывание растительного покрова крупными животными. Люди делают выемки для дорог, проходят тоннели в горах, разрабатывают карьеры и рудники и возделывают землю. Уничтожение дерна на целине, вырубка леса и кустарников, уничтожение растительности огнем нарушают баланс между развитием растительного покрова, выветриванием и эрозией почвы, вызывая при этом убыстрение эрозии и возобновляя выветривание на больших площадях.

 

1.2.2. Химическое выветривание.

 

Это процесс разрушения, при котором породы распадаются вследствие химического изменения слагающих их минералов. Породы разлагаются, когда образующие их минералы подвергаются гидролизу, гидратации, карбонизации, растворения и окисления. Приведем примеры химических реакций, происходящих при этом.

Гидролиз разрушает атомную структуру кристаллических минералов, особенно силикатов, благодаря действию воды и растворенных в ней ионов. Твердые полевые шпаты выветриваются до каолинита (глинистого минерала):

2 K(AlSi₃O₈) + 3H₂O + 2CO₂ =  Al₂Si₂O₅(OH)₄ + H₄SiO₄ + 2KHCO₃ 

 

ортоклаз    вода двуокись     каолинит      кремне-  бикарбонат

                                  углерода                                кислота     калия

 

CaAl₂Si₂O₈ + 3H₂O + 2CO₂ = Al₂Si₂О₅(OH)₄ + Ca(HCO₃)₂

 

анортит    вода двуокись     каолинит        бикарбонат 

                                 углерода                                    кальция

 

Гидратация – это химическое присоединение воды к минералам горных пород. Реакции гидратации большей частью обратимы; обратная реакция называется дегидратацией. Пример гидратации – образование гипса из ангидрита:

 

              CaSO₄ + 2H₂O = CaSO₄ ^. 2H₂O

                ангидрит вода            гипс 

 

Максимальное число молекул воды известно у мирабилита

Na₂SO₄ ^. 10H₂O. 

Карбонизация – процесс химического разложения, когда кристаллы вступают в реакцию с природными водами, насыщенными углекислотой. При этом образуются карбонаты и бикарбонаты. Все поверхностные воды содержат углекислый газ, поступающий из атмосферы или из разлагающегося в почве растительного вещества. Растворенный углекислый газ реагирует с водой, образуя углекислоту:

 

                        H₂O + CO₂ = H₂CO₃ .

 

Такая вода является активным агентом выветривания.

Растворение. Воды, содержащей углекислоту, очень много, и в такой воде растворяются бикарбонаты кальция, магния, натрия и калия. Следовательно, растворение этих веществ происходит вместе с карбонизацией и играет ключевую роль в химическом выветривании пород, так как при этом из них удаляются некоторые компоненты. В поверхностных водах содержится гораздо больше растворенных бикарбонатов, чем сульфатов или хлоридов. Некоторые породы растворяются особенно легко, например каменная соль и гипс; доломиты, известняки и мраморы. Растворение известковых массивов часто приводит к образованию причудливых пещер громадного объема, так называемых карстовых пещер. Например, карстовая воронка, обследованная после катастрофического обвала поверхности земли в декабре 1972 г. в округе Шелби штата Алабама в США, имела длину 140 м, ширину 115 м и глубину 50 м.

Окисление в геологическом смысле – это реакция кислорода с минералами, особенно с железосодержащими минералами. Типичная реакция окисления происходит при выветривании оливина:

 

2MgFeSiO₄ + 2H₂O + 1/2O₂ + 4H₂CO₃ = Fe₂O₃ + 2Mg(HCO₃)₂ + 2H₄SiO₄

 

оливин     вода  кислород угле-  гематит растворимый   раствори-

                                                    кислота                   бикарбонат  мая крем-

                                                                                             магния      некислота

 

Преобладание процессов физического или химического выветривания зависит от климата: жаркого, умеренного или холодного, влажного или сухого (аридного). На выветривание в горных районах влияют местные климатические условия, которые зависят от высоты над уровнем моря, географической широты и количества осадков. Содержание влаги в атмосфере зависит от близости к морю, господствующих ветров, высоты облаков и т.д.

 

1.2.3. Органическое выветривание

 

Растения и животные помогают не только физическому разрушению, но и химическому разложению, и происходит это несколькими способами. Лишайники, которые первыми поселяются на обнажившейся породе, поглощают из нее определенные химические вещества и разъедают породу. Корни других растений удаляют новые порции неорганического материала. При разложении органики образуются органические кислоты, в присутствии которых заметно повышается растворимость кварца, железа и алюминия. В результате жизнедеятельности миллиардов вездесущих бактерий образуются аммиак, азотная кислота, углекислый газ и другие химические вещества, влияющие на изменение пород и формирование почвы.   

Конечный результат всех типов выветривания – образование почв. Почва – это совокупность минерального и органического вещества, почвенных организмов, воздуха и воды, способная поддерживать рост растений. В формировании почв определяющее значение имеют климат, растительность, почвенные организмы, рельеф, материнские породы и время.   

 

 

2. ВРЕМЯ В ГЕОЛОГИИ   

 

Геологический возраст – это время, прошедшее с момента какого-либо геологического события в истории Земли до нашего времени, например, время образования осадочных горных пород, извержения расплавленной магмы, жизни организмов и т.д. В геологии различают абсолютный и относительный возраст.

 

Абсолютный возраст

 

Шкала абсолютной геохронологии – шкала, в которой основные рубежи геологической истории выражены в астрономических единицах времени - годах. Для определения возраста применяются несколько различных методов, основанных на явлении радиоактивного распада. На рис. 2.1 приведена кривая распада радиоактивных элементов. Половина радиоактивного вещества  1/2 N распадается за период Т; через промежуток времени 2Т остается 1/4 N исходного вещества; через промежуток 3Т  остается 1/8 N и т.д. Время T, за которое распадается половина исходного радиоактивного вещества, называется периодом полураспада.

 

 

Рис. 2.1. Кривая распада радиоактивных элементов

 

В геохронологии используются изотопы урана, тория, рубидия, калия, углерода и водорода (табл. 2.1). Названные изотопы нестабильны. Для того чтобы определить возраст, необходимо найти отношение веса новообразованного элемента к весу материнского элемента. Считается, что возможная ошибка в большинстве случаев не превышает нескольких процентов. Радиоактивные элементы играют роль атомных часов, начавших отсчет времени с момента кристаллизации минерала. Ни один из долгоживущих, используемых в практике, изотопов не успел исчезнуть полностью.

                                                                                          Таблица 2.1

Периоды полураспада радиоактивных элементов

 

Материнский изотоп	Конечный продукт	Период полураспада,  млрд. лет
U^238	Pb^206	4,468
U^235	Pb^207	0,7038
Th^232	Pb^208	14,008
Rb^87	Sr^87	48,8
K^40	Ar^40	1,30
	Ca^40	1,30
C^14	N^14	Всего 5730 лет
H^3	H^2	Всего 12,5 года

 

 

Тритий используют для изучения скорости движения подземных вод, скорости перемешивания морской воды или определения возраста не слишком старых слоев снежных полей.

Радиоуглеродный метод основан на допущении, что отношение C¹⁴ / C¹² в воздухе остается постоянным. С его помощью можно определять время, ограниченное примерно восьмикратной продолжительностью полураспада, т.е. новейшая техника позволяет определять этим методом возраст в диапазоне до 100 тыс. лет. Метод применим к древесине, древесному углю, торфу, костям животных и другим богатым углеродом материалам, включая углеродсодержащие организмы, которые извлекают из поверхностных вод растворенный в них углерод. Радиоуглеродный метод главный в археологии.

Калий - аргоновый метод. Калийсодержащие минералы широко распространены в земной коре, и этот метод подходит для большинства пород. Главная проблема калий - аргонового метода заключается в утечке аргона с места его образования, особенно в результате прогрева пород за счет погружения их на глубину или внедрения неподалеку интрузий. В этом случае полученный возраст пород может соответствовать не времени возникновения породы, а всего лишь сроку, прошедшему после этого термального события, т.е. когда вновь пошли К/Ar - часы. Метод применим к породам с возрастом по крайней мере от 100 тысяч до миллиардов лет. В большей степени, чем другие методы, он послужил для калибровки шкалы геологического времени. 

Рубидий - стронциевый метод можно использовать для датировки событий гораздо древнее 1 млрд. лет, но главная проблема в наличии рубидия в исходном материале, поскольку элемент очень редкий.

Уран - свинцовый, торий - свинцовый и изотопно - свинцовый методы пригодны для широкого диапазона времени, приблизительно от 100 млн. лет до более чем 5 млрд. лет. Это очень важные методы для определения возраста метеоритов и самых древних пород на Земле.

Для некоторых специальных целей применяются и другие изотопы; существующие методы все время совершенствуются за счет введения новых приемов исследования.

По данным на сегодняшний день, достоверный возраст наиболее древних пород земного шара, определенный названными методами, достигает 3,8 млрд. лет. Для многих метеоритов возраст определен в 4,55 млрд. лет, для лунных пород – как 4,7 млрд. лет. Поэтому возраст Солнечной системы, включая Землю, может оцениваться, вероятно, в 5 млрд. лет.

 

Относительный возраст

 

В практике полевых работ изотопный возраст горных пород, выраженный в годах, обычно меньше интересует геологов, чем относительный возраст геологических тел, оцениваемый такими понятиями, как "моложе", "древнее", "одновременно". Этот возраст, устанавливаемый прямыми наблюдениями соотношения геологических тел в их естественном положении, рассматривается геологический дисциплиной стратиграфией. Изучение относительного возраста горных пород позволило европейским геологам уже в XV в. расположить выделенные подразделения в виде шкалы с наиболее древними подразделениями в основании и последовательно все более молодыми подразделениями выше. Отложения, содержащие одинаковую фауну и флору, геологически одновозрастны. К настоящему времени разработана стратиграфическая шкала, которая выглядит следующим образом (табл. 2.2).

                                                                                      Таблица 2.2

Международная стратиграфическая шкала

 

Эра (группа)	Нижняя граница, млн. лет	Период (система)	Индекс	Цвет
Кайнозой- ская Kz	67	Четвертичный	Q	Желтый грязный
		Неогеновый	N	лимонный
		Палеогеновый	P	Бледно-оранжевый
Мезозой- ская Mz	240	Меловой	K	Ярко-зеленый
		Юрский	J	Синий, голубой
		Триасовый	T	Фиолетовый
Палеозой- ская Pz	570	Пермский	P	Темно-оранжевый
		Каменноугольный	C	Серый
		Девонский	D	Коричневый
		Силурийский	S	Св. серо-зелеёный
		Ордовикский	O	Серо-зелёный
		Кембрийский	C	Тём.серо-зелёный
Протерозойская Pt	650	Вендский	W	Розовые тона
	1600	Рифейский	R
	2600	Ранне- и средне- протерозойский	Pt1 Pt2
Архейская Ar	Древнее 3800	Архейский	Ar

 

Ранние классификации включали три главных подразделения: первичную, вторичную и третичную эры; много позже к ним была добавлена четвертичная (современная) эра. Затем три первых подразделения назвали по-иному:

- палеозойская эра – древняя жизнь;

- мезозойская эра – средняя жизнь;

- кайнозойская эра – новая жизнь.

Четвертичная эра современной жизни сохранила свое историческое название, перейдя в разряд четвертичного периода.

Позднее выделили также

- археозойскую эру – начало жизни;

- протерозойскую эру – протожизнь, или первичная жизнь.

Перечисленные эры стали подразделять на периоды, периоды на эпохи и более мелкие возрастные единицы. Сейчас подразделения докембрия, где найдены лишь примитивные водоросли, в основном, местные, тогда как более молодые единицы (от кембрия до нынешних отложений, объединяемых общим названием фанерозой) имеют общемировое применение.

Соотношение понятий толща пород – время ее образования выглядит следующим образом (табл. 2.3).

 

                                                                                              Таблица 2.3

Соотношение стратиграфических и временных подразделений

 

Толща пород	Время ее образования
Группа Система Отдел Ярус Подъярус Зона	Эра Период Эпоха Век Время Момент времени, или      зональный момент

 

Говоря о толще пород, следует сказать:

- мезозойская группа Mz;

- юрская система J;

-  верхнеюрский (нижнеюрский, среднеюрский) отдел J₃;

- келловейский ярус J₃cl;

- верхнекелловейский (нижнекелловейский, среднекелловейский) подъярус J₃cl₃;

- зона Longaeviceras keyserlingi J₃cl₃¹ (т.е. отложения выделены по нахождению в них этого вида аммонита).

Но если речь идет о времени, когда образовались данные породы, то следует говорить:

- мезозойская эра Мz;

- юрский период J;

- позднеюрская (раннеюрская, среднеюрская) эпоха J₃;

- келловейский век J₃cl;         

- позднекелловейское (раннекелловейское, среднекелловейское) время J₃cl₃;

- момент времени Longaeviceras keyserlingi J₃cl₃¹.

Все системы и ярусы получили свои названия либо от местностей, где они были впервые установлены, либо по характерным литологическим особенностям. Например, девонская система названа по графству Девоншир в Англии, пермская – по городу Пермь в России, меловая система получила свое название по типичной для нее породе – мелу; амгинский ярус назван по реке Амга в Восточной Сибири, где он впервые установлен.

Границы между стратиграфическими подразделениями обсуждаются и принимаются на международных стратиграфических совещаниях.

Кроме названных стратиграфических единиц, выделяют еще и местные, литологически довольно однородные отложения. Они имеют реальное, физически  выраженное ограничение в слоистых толщах. Их объемы неизменны независимо от  разных точек зрения на их геологический возраст. Такие литостратиграфические единицы удобно использовать в повседневной практической работе при геологической съемке, поисках и разведке месторождений полезных ископаемых, при расчленении и сопоставлении разрезов по скважинам. Реальность границ между ними очевидна, а реальность хроно- и биостратиграфических в некоторой мере условна, и их еще нужно доказывать. Местные единицы носят названия: серия, свита, пачка, слой.

Свита – основная единица из местных стратиграфических подразделений, с которой имеют дело в геологии. Свитой называется совокупность отложений, образовавшихся в данном регионе в определенных физико-географических условиях и занимающих в нем определенное положение. Обычно стратиграфический объем свиты соответствует значительной части яруса, иногда почти целому ярусу или даже нескольким ярусам. Обычно свите дают географическое название той местности, где ее впервые установили или где она имеет наиболее характерный разрез, например: березовская (установлена у пос. Березовка), джангодская (выделили на р. Джангода) свиты.

 

Ископаемая фауна и флора

 

Породы фанерозоя в большей или меньшей степени насыщены органическими остатками. Наука, изучающая древние растения, называется палеоботаникой, древних животных - палеонтологией. Все организмы классифицируют на типы, классы, отряды, роды, виды.

Международная стратиграфическая шкала построена на палеонтологических данных. Выделяют так называемые руководящие формы, т.е. такие остатки, по которым можно точно установить возраст. На рис 2.4 показаны основные группы фауны, по которым определяют возраст пород. Например, трилобиты как класс жили от кембрия до перми. Собственно говоря, палеозой и выделен-то в отдельную стратиграфическую группу потому, что в этих отложениях встречается определенный комплекс ископаемой фауны и флоры, в том числе и трилобиты. Найти остатки этих животных в мезозое или кайнозое невозможно, потому что они вымерли в конце палеозойской эры.

 

 

 

Рис. 2.4. Относительное хроностратиграфическое значение основных групп

морских беспозвоночных в течение геологического времени

Группы: 1 — важные для планетарных хроностратиграфических корреляций; 2 — приме­няющиеся для региональных корреляций, 3 — иногда используемые для местных кор­реляций.

 

Вид – основная единица, которой оперируют палеонтологи. По видам выделяют зоны, самые мелкие стратиграфические подразделения международной шкалы. Вид имеет родовое и видовое латинское название, после них указывается по-латыни фамилия автора, который впервые установил этот вид. Например, Pyrulina nux Lutova – вид nux рода фораминифер Pyrulina; вид впервые установила палеонтолог Лутова.

Одновозрастность отложений разных климатических зон, удаленных друг от друга на тысячи километров, устанавливают с помощью последовательного сопоставления ареалов обитания ископаемой фауны. Большое значение для расчленения и сопоставления отложений на разных континентах имеет спорово-пыльцевой анализ, потому что споры и пыльца растений разносятся ветрами практически по всему земному шару.

Окаменелости, за исключением рифовых отложений и ракушечников, находятся в виде отдельных включений в слое. Поэтому чрезвычайно важно уяснить, насколько случайны находки раковин в керне скважин; особенно редки целые экземпляры хорошей сохранности. Ценность таких находок для науки и практики невозможно переоценить.

Для датировки отложений по керну скважин первостепенное значение имеет микрофауна - мелкие, от долей миллиметра до 1, реже 2 мм раковинки, обычно не видимые простым глазом, а различимые только под микроскопом. Это в основном остракоды и фораминиферы. Встречаются в породах они несравненно чаще, чем крупные раковины двустворок, брахиопод, аммонитов, трилобитов. Иногда их количество может достигать десятков тысяч экземпляров на 100г породы. Поэтому микропалеонтология получила интенсивное развитие именно в связи с бурением скважин.

 

МИНЕРАЛЫ

 

Изучение вещества Земли ведется в разном масштабе – от мелкого, соответствующего химическим элементам и их составным частям, до очень крупного, соответствующего континентальным массивам и плитам, вплоть до Земли в целом. Между этими крайними объектами различают две важные группы образований: минералы и горные породы.

Минералы – это природные неорганические химические твердые вещества, обладающие характерной кристаллической структурой. Обычно горная порода состоит из нескольких минералов, но иногда – только из одного, как, например, известняк или мрамор; они состоят из одного минерала – кальцита. Значение минералов двояко: во-первых, они позволяют классифицировать горные породы, а во-вторых, указывают на условия их образования. Сейчас науке известно более 4000 минералов.

 

Химические соединения

Процентное содержание элемента в земной коре до глубины 16 км называется кларком. Химические анализы показывают [1], что на 98,5 % масса земной коры состоит только из восьми элементов (рис. 3.1).

 

 

 

Рис. 3.1. Кларки химических элементов

 

Еще 1 % составляют 6 элементов (в порядке убывания): титан, водород, фосфор, марганец, фтор, сера. Остальные элементы периодической системы составляют всего полпроцента.

Соединения кислорода наиболее обычны, поскольку он самый распространенный элемент на Земле. Кремний и алюминий, занимающие второе и третье места, обеспечивают образование силикатных и алюмосиликатных минералов. По цвету породообразующих минералов часто можно судить об их химическом составе. Светлоокрашенные силикатные и алюмосиликатные минералы содержат K, Na и Ca, а темноокрашенные – Mg и Fe.

Часто в минералах, кроме основных элементов, наблюдается большее или меньшее количество других примесей. Изоморфизм – явление, выражающиеся в способности химических элементов (атомов) замещать друг друга в кристаллах и минералах. Различают два вида изоморфизма: более простой, когда взаимозамещаются ионы с одинаковой валентностью, – он называется изовалентным, и сложный, когда происходит замещение ионов разных валентностей, – это гетеровалентный изоморфизм. Примерами изовалентного изоморфизма служат замещения Mg²⁺ на Fe²⁺ в оливине (Mg, Fe)₂[SiO₄]; гетеровалентного – 2Al³⁺ на 3Mg²⁺ в слюдах. Особенно характерны изоморфные замещения в рядах K – Rb, Ca – Sr, Au – Ag, S – Se, Ta – Nb, Zr – Hf и др.

Кларки некоторых элементов настолько малы, что они в природе не образуют чистых минералов и тем более самостоятельных месторождений. Зато эти элементы часто присутствуют в виде изоморфных примесей в других широко распространенных минералах, и их можно оттуда извлекать. Например, кадмий и индий обычно присутствуют в цинковых обманках ZnS.

Классический пример изоморфных рядов минералов – плагиоклазы из группы полевых шпатов. Плагиоклазы еще называют твердыми растворами, потому что они образуют непрерывный ряд, отличающийся содержанием кремнезема:

альбит      Na[AlSi₃O₈]   (69 % SiO₂)     

олигоклаз

андезин

лабрадор

битовнит

анортит    Ca[Al₂Si₂O₈]  (43 % SiO₂)

 

3.2. Геологические процессы образования минералов

 

Процессы минералообразования подразделяются на эндогенные, протекающие в глубинах Земли, и экзогенные, происходящие на поверхности.

Большое практическое значение имеют парагенетические ассоциации – закономерные сообщества одновременно образовавшихся минералов, возникшие в течение одной стадии минерализации. Это означает, что при находке одного минерала весьма вероятны находки его парагенетического спутника. Классический пример такого рода – совместное образование алмаза и пиропа. Алмаз сверкает всеми цветами радуги только на солнце; без солнечного света он похож на обычное стекло и в россыпи не виден. Зато пироп (разновидность граната) хорошо заметный, он яркого алого цвета; зерна пиропа встречаются в сотни раз чаще алмаза. Находки пиропов – благоприятный признак при поисках алмазов.

 

3.3.1. Эндогенные процессы минералообразования

 

Эндогенные (или гипогенные, глубинные) процессы происходят в недрах Земли и протекают в условиях высоких давлений, температур и действия горячих флюидов (водных растворов и газов).

Магматический процесс протекает непосредственно в магматическом расплаве при его остывании. Вначале кристаллизуются тугоплавкие, а затем легкоплавкие минералы. Они распределяются в расплаве по удельному весу. Тяжелые опускаются вниз, а легкие всплывают и концентрируются в верхних частях магматического массива. Магматическое происхождение имеют многие практически важные минералы – руды хрома, никеля, меди, железа, платина, апатит и др. Крупнейшее в мире месторождение полиметаллических сульфидных руд в районе Норильска имеет магматическое происхождение.

Пегматитовый процесс связан с кристаллизацией остаточного магматического расплава, обогащенного летучими соединениями. Пегматиты – крупнозернистые и гигантозернистые тела преимущественно жильной и линзообразной формы; для них характерны слюды, турмалин, берилл, сподумен, танталит, колумбит, минералы редких земель. 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 (пьезокварц) и др. Пегматитовые жилы могут достигать нескольких километров в длину и нескольких десятков метров мощности. Самые крупные в мире кристаллы добыты именно из пегматитов. В пегматитах на Слюдянке в окрестностях Байкала были встречены кристаллы мусковита массой в 1 т; пластины биотита могут достигать 7 м² (Норвегия); кристаллы сподумена – минерала, содержащего литий, достигают 14 м в длину (Южная Дакота, США); в пегматитах Волыни добыты крупнейшие в мире кристаллы топаза массой до 117 кг.

Пневматолитовый тип минералообразования связан с газообразными и летучими веществами, выделяющимися из магмы. Минералы образуются как за счет непосредственного выделения из газов (возгоны), так и за счет взаимодействия с окружающими породами. Вулканические газы в огромных количествах уходят в атмосферу при извержениях. О количестве выделяющихся газов можно судить по следующим данным. В долине Десяти Тысяч Дымов на Аляске фумаролы Катман выделили за один год 1 250 000 т HCl и 200 000 т HF [1]. Один из основных конусов Этны при извержении выделял столько водяного пара, что при его конденсации получалось бы около 20 млн. л воды в сутки. Промышленное значение минералов вулканического образования ограниченное. Это в первую очередь самородная сера (содержащая иногда селен), небольшие месторождения ее известны на Камчатке и Курильских островах, в Японии, Чили и Италии. В Италии также добывается природная борная кислота – сассолин B(OH)₃.

Гидротермальный процесс связан с горячими водными растворами, поднимающимися от магматических очагов по различного рода трещинам и разломам земной коры. По мере движения гидротерм к поверхности температура и давление понижаются, и происходит процесс выделения растворенных в них веществ в виде жил. Наиболее благоприятные условия для проявления гидротермальных процессов создаются на малых и средних глубинах (до 3–5 км от поверхности). Причина движения гидротерм – разность давлений. Высокотемпературные (450–300 ^оС) минеральные тела располагаются ближе к материнской интрузии, в то время как низкотемпературные (ниже 200 ^оС) более удалены. Это приводит к зональному расположению продуктов гидротермального процесса по отношению к той интрузии, которой они обязаны своим происхождением. Гидротермальное происхождение имеет большинство руд цветных, редких и радиоактивных металлов, а также различные неметаллические полезные ископаемые. Гидротермальное минералообразование проявляется также в конце пегматитового процесса.

Метаморфические процессы происходят в недрах земной коры без переплавления исходного вещества. Непременными факторами являются высокое давление и температура. При региональном метаморфизме общий химический состав пород обычно мало меняется, а минеральные, структурные и текстурные изменения обусловлены в основном физическими условиями во время перекристаллизации. Однако процесс может проходить также с привносом или удалением некоторых веществ, которые перемещаются в виде ионов вместе с газами или жидкостями. В таком случае химический состав исходных минералов меняется.

 

3.3.2. Экзогенные процессы минералообразования

 

Процессы выветривания выражаются в механическом разрушении горных пород и химическом разложении минералов. Физическое выветривание не приводит к образованию новых минералов, но оно способствует диспергированию исходных пород, а это облегчает циркуляцию воды и углекислого газа, которые приводят к химической переработке вещества. При химическом выветривании неустойчивые на поверхности Земли минералы претерпевают химические изменения и превращаются в другие минералы, устойчивые в поверхностных условиях. Органическое выветривание происходит с участием органических кислот и продуктов жизнедеятельности организмов; особенно велика роль бактерий.

Осадочные процессы связаны с отложением растворенных в воде минеральных веществ. Эти процессы идут главным образом в озерах и морских бассейнах.

Органогенные, или биогенные, процессы – это процессы образования минералов за счет остатков живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Например, янтарь – затвердевшая смола хвойных деревьев, а жемчуг продуцируют морские моллюски.

 

Самoродные элементы

 

Минералы этого типа представляют собой простые вещества, поэтому их и называют самородными элементами (табл. 3.2). Сюда относится небольшое количество минералов, редко встречающихся в природе, но имеющих большое практическое значение. Самородные элементы устойчивы в поверхностных условиях, на воздухе они не окисляются, и поэтому встречаются в чистом виде.