Магматические горные породы

Реферат

на тему

«Магматические горные породы»

Когда магма прорвалась на поверхность

Гранитная магма, как никакая другая, содержит много кремнезема (до 70--75%), поэтому она вязкая и с больших глубин только изредка прорывалась на поверхность. Вот почему вулканические породы, образовавшиеся из гранитной магмы, распространены гораздо меньше ранитов и на поверхности встречаются довольно редко. По данным профессора С.П. Соловьева, вулканические породы, возникшие из гранитной магмы, занимают всего 13,5 % от площади распространения магматических пород в нашей стране, тогда как на долю гранитов -- пород, застывших на глубине, приходится 48,6 %. В геологии такие лавы называют «кислыми». Название это, конечно, не отражает их вкусовых качеств. Оно связано с высоким содержанием кремнезема в лавах. Его настолько много, что он не только насыщает все основания, но и остается в избытке в виде свободного кремнезема (чаще всего кварца). А кварц можно рассматривать как ангидрид кремневой кислоты.

Другая очень важная особенность кислых лав -- небольшое количество магния и железа, т.е. элементов, характерных для темноокрашенных минералов. К тому же железо и магний значительно тяжелее кремния, алюминия, калия, натрия и других элементов. Этим объясняется светлая окраска кислых вулканических пород и их сравнительная легкость.

Когда в геологической литературе речь идет о кислых вулканических породах, часто встречается слово «порфир». Оно не имеет отношения к порфире -- пурпурного цвета мантии, одевавшейся монархами в торжественных случаях. Но косвенная связь здесь есть и заключается она в том, что некоторые вулканические породы окрашены так же ярко, как и пурпурная мантия. Нужно еще добавить, что порфиры, как и огромное большинство вулканических пород, обладают характерной структурой (строением), которую называют порфировой.

В кислых вулканических породах в виде отдельных кристаллов (вкрапленников) чаще всего видны кристаллы серого кварца и прозрачного полевого шпата с блестящими гранями. Такие породы называют липаритами. Если вулканические породы пережили сложную историю и «состарились», что запечатлено в потускневших вкрапленниках полевого шпата, тогда их называют кварцевыми порфирами.

Не только кислые, но и другие вулканические породы принято делить на «юные», еще не затронутые «превратностями» геологической жизни, и «старые», перекрытые более молодыми толщами и изменившиеся под действием циркулировавших по ним подземных растворов.

Нередко случается, что лава настолько быстро застывает, что атомы и группы атомов не успевают собраться в постройки с правильным внутренним строением -- кристаллы. Тогда в застывшей лаве сохраняется неупорядоченное строение, свойственное жидкости. Получается вулканическое стекло, которое, по существу, представляет собой переохлажденную, чрезвычайно вязкую лаву.

На примере вулканического стекла легко проследить связь между внутренним строением горной породы и ее свойствами. В отличие от кристаллов с их правильным расположением ионов или других элементарных частиц и соответственно способностью раскалываться вдоль некоторых плоскостей (вдоль которых внутренние силы слабее всего) стекла лишены этого свойства из-за неупорядоченного внутреннего строения. Вот почему при ударе они разбиваются на куски неправильной формы с гладким изломом и острыми краями. Эта особенность вулканического стекла была очень хорошо известна первобытному человеку и широко использовалась при изготовлении оружия и орудий труда.

В кислой магме растворено много различных газов. Когда магма подходит к поверхности и внешнее давление сильно уменьшается, из расплава начинается бурное выделение газов. В одних случаях они только вспенивают лаву, и тогда после застывания образуется очень пористая вулканическая порода -- пемза, своего рода каменная пена. Пустот в ней так много, а каменные перегородки настолько тонкие, что пемза становится необыкновенно легкой. Ее средняя плотность меньше единицы, и она плавает в воде. Небезынтересно, что кубический метр пемзы имеет массу всего 300--350 кг, тогда как такой же объем плотной лавы -- не менее 2,5 т. Перегородки, разделяющие поры в пемзе, состоят из вулканического стекла и, значит, достаточно крепкие, с режущими краями. Поэтому пемза издавна используется как абразив для обработки дерева, кожи и других не очень твердых материалов.

Нередко при извержении вулкана давление газов настолько велико, что лава распыляется, а застывшие участки ее дробятся на глыбы и куски. Этот обломочный материал вулканического происхождения может выбрасываться на высоту нескольких километров. Глыбы и крупные обломки падают около места взрыва, а мелкий материал в виде вулканического стекла и пыли подхватывается ветром и уносится за сотни и даже тысячи километров. Таким путем из обломочного материала вулканического происхождения образуются своеобразные породы. По природе каменного материала они сходны с вулканическими породами, а по способу накопления напоминают осадочные. Общее название таких пород -- пирокластические, что в переводе с древнегреческого означает состоящие «из обломков огненного происхождения». Сначала это рыхлый материал, а когда он слежится и сцементируется, возникнут плотные породы. Их называют вулканическими туфами.

Пирокластические породы очень разнообразны, и среди них есть и такие, которые по внешнему виду похожи на лавы. Всего лишь несколько десятков лет назад была раскрыта тайна происхождения огромных толщ горных пород, встречающихся в Армении, Средней Азии, на Дальнем Востоке, Северном острове Новой Зеландии, в Северной Америке и других местах. Удивляло, что эти породы, принимавшиеся за кислые лавы, занимают огромные площади в тысячи квадратных километров, а их мощность измеряется многими сотнями метров. А ведь хорошо известно, что кислая лава вязкая и не способна растекаться на большие расстояния. Детальное изучение таких толщ показало, что они образовались при мощных взрывах газонасыщенной лавы, ее капли и кусочки падали на поверхность Земли в пластичном состоянии и спаивались в компактную однородную массу. «Сваренные» туфы назвали игнимбритами, что в переводе с латинского означает «образованные огненным ливнем».

Игнимбриты возникли при особого рода вулканических извержениях, когда над земной поверхностью в потоках раскаленного газа неслись капли и куски пластичной лавы.

Игнимбриты -- прекрасный естественный строительный материал. Они легко поддаются скульптурной обработке, у них удивительно красивая расцветка -- на красном, оранжевом и коричневом фоне во многих местах видны черные пятна. Игнимбриты ты нашли широкое применение в строительстве. В столице Армянской ССР Ереване можно любоваться новыми широкими улицами и проспектами, застроенными оранжево- и коричнево- красными многоэтажными домами из игнимбритов. Особенно красив ансамбль зданий на площади им. Ленина, впитавший в себя традиционные особенности древней армянской архитектуры. Игнимбрнты использованы и в облицовке Московского государственного университета.

Декоративными бывают и кислые лавы, тогда они служат прекрасным материалом для изготовления художественных изделий. На Урале, в окрестностях старинного города Невьянска, у села Аятское издавна добывают нарядный камень. Камнерезы назвали его аятским порфиром. Он широко использовался Петергофской и Екатеринбургской гранильными фабриками. Цветная палитра аятского порфира удивительно разнообразна: здесь светло-зеленый камень с белесоватыми прожилками, желтоватый с зелеными пятнами, зеленый с черными крапинками, черный, дымчатый и т. д. Аятский камень -- кварцевый порфир, его декоративная внешность создана крупными вкрапленниками сероватого и желтоватого полевого шпата и секущими породу каменными цветными минеральными жилами.

Когда магма застыла на глубине

Гранитная магма, застывая на глубине, превращается в граниты. Они необыкновенно широко распространены. В современном строительстве гранитам принадлежит очень большая роль. Достаточно, например, указать, что на облицовку новых московских мостов потребовалось около трех тысяч вагонов гранита!

Гранит не только красивый, но и надежный, крепкий и прочный камень, именно поэтому на фундаментах из него покоятся монументальные здания. Гранитная щебенка лежит в основании автострад. Брусчаткой из гранита выложены улицы многих городов. По долинам рек обнажаются гранитные скалы, украшая пейзаж.

Замечательные свойства гранита как строительного и облицовочного материала связаны с его минеральным составом и строением. Порода состоит в основном из трех минералов: кварца и двух видов полевых шпатов (калиевого и кальциево-натриевого). В небольшом количестве встречаются слюда и роговая обманка.

Окраска породы определяется цветом породообразующего минерала -- калиевого шпата. Есть граниты серые, розовые, мясо-красные, коричневые, зеленые и даже синевато-серые и почти черные. Калиевый шпат -- твердый минерал, поэтому при полировке гранита получается гладкая зеркально-блестящая поверхность. Особенно привлекательны грубозернистые граниты, своим видом напоминающие цветную мозаику с причудливым рисунком.

Связь между минеральным составом гранитов и их свойствами понятна. Но по каким признакам петрограф устанавливает образование гранита из магмы? Этот вопрос очень интересный, и, отвечая на него, мы введем читателя в круг одной из важнейших проблем современной петрографии.

О существовании гранитной магмы неоспоримо свидетельствуют кислые лавы, извергавшиеся вулканами во все периоды геологической истории. А это значит, что в недрах Земли находятся очаги кислого силикатного расплава. Когда кислая магма покидает «родительское лоно» и, не дойдя до поверхности, задерживается и медленно кристаллизуется, образуется полнокристаллический гранит. Естественно, что в нем нет ни вулканического стекла, ни мельчайших кристалликов, образующихся при быстром охлаждении. Магматический гранит можно узнать под микроскопом. Изучая шлиф породы, мы заметим, что разным минералам в разной степени присущи свойственные им формы кристаллов (рис. 19). Одни из них правильной формы (слюда) и, значит, образовались рано, когда в расплаве не было других минералов, которые бы стеснили их рост. У полевых шпатов часть контуров кристаллов естественная, другая вынужденная. Значит, полевые шпаты кристаллизовались позже, когда они смогли частично приспособиться к ранее появившимся минералам. А у кварца вовсе нет свойственных ему контуров. Значит, кварц самый «младший» среди минералов гранита, он кристаллизовался из расплава последним и занял оставшееся на его долю пространство. О возникновении гранита из магмы свидетельствуют также его секущие контакты с окружающими породами. Они указывают на то, что вещество, из которого возник гранит, было жидким и внедрялось в трещины. Подвижное состояние этого материала также доказывают обломки боковых пород в граните.

Гранитная магма была сильно нагретой. Об этом убедительно говорят глубокие изменения в породах, окружающих массивы гранитов. Они преобразованы до неузнаваемости, перекристаллизовались и превратились в метаморфические породы (роговики). Петрографы пришли к выводу, что гранитная магма закончила кристаллизацию при температуре около 600--700 °С.

Нередко в массивах гранитов встречаются обломки чужеродных пород -- ксенолиты. Они привлекают пристальное внимание исследователей, так как дают возможность заглянуть в недра Земли. По ксенолитам можно судить о горных породах, через которые прошла магма и обломки которых захватила с собой. Особый интерес вызывают граниты, переполненные закономерно расположенными ксенолитами. Полосатость гранитов и удлинение ксенолитов изменяются определенным образом от места к месту, намечая положение древних слоистых толщ, часто сложно изогнутых.; Через гранит как бы «просвечивают» древние, ранее существовавшие до них горные породы. Просвечивающие структуры говорят о том, что гранитная магма застывала на месте своего образования, не успев переместиться в более высокие горизонты земной коры.

Но граниты образуются не только из магмы. Еще в середине XIX в. родились идеи о немагматическом происхождении гранитов. Теперь известно, что немагматические граниты широко распространены в древнейших участках земной коры, сложенных докембрийскими гнейсами и сланцами. Здесь гранитные породы тесно переплетаются с метаморфическими, образуя сложные породы -- мигматиты. Увеличение гранитного материала приводит к тому, что мигматиты становятся неяснополосчаты-ми и переходят в граниты с расплывчатыми остатками первичных пород.

Вещество немагматического гранита никогда не было жидким, на его месте находился инородный материал, который в твердом состоянии превратился в гранит. Процесс преобразования негранитного вещества в гранит называется гранитизацией или трансформацией, поэтому сторонников такого взгляда называют трансформистами.

Они установили, что характерные минералы гранитов -- калиевый шпат и плагиоклаз, богатый натрием,-- иногда образуются в песчаниках, сланцах и даже в таких однообразных по составу породах, как кварциты. Это на первый взгляд странное явление -- наличие крупных правильных кристаллов, никогда не образующихся в осадочных породах,-- объясняется переработкой их вещества газами и растворами, поднимавшимися из недр Земли. Газы и растворы пропитали песчаники, сланцы и другие негранитные породы и образовали в них крупные кристаллы калиевого шпата и плагиоклаза. Так возникли горные породы, очень похожие на магматические граниты.

И все же немагматические граниты по ряду признаков отличаются от магматических. Наблюдая их взаимоотношения с окружающими породами, мы заметим, что они не внедрялись в них и не изменяли их. В шлифах под микроскопом видно, что очертания зерен минералов неправильные, без характерных для них контуров. И это понятно, ведь гранитизированные породы возникли в твердом состоянии, а слагающие их минералы кристаллизовались не в определенной последовательности, как в магме, а одновременно.

Как мы видим, граниты вызывают очень большой научный интерес. Вместе с тем они играют немалую роль в жизни человека. С гранитами связаны месторождения золота, серебра, вольфрама, молибдена, олова и многих других ценных металлов. В последнее время выяснилось, что и сам гранит может использоваться как руда редких элементов. Тончайшие спектральные и химические анализы показали, что в гранитах содержатся почти все элементы таблицы Менделеева. Известно, что в одном кубическом километре гранита находится урана 10000 т, ниобия 84 000 т. Еще 20--25 лет назад мысль о добыче редких элементов из гранита могла показаться фантастической. Но в наше время техника позволяет выделить из гранита минералы редких элементов, и поэтому гранит стал кладовой малораспространенных элементов. В Бразилии из гранита получают тантал, в Африке ниобий, а в недалеком будущем гранит станет обычной комплексной рудой. Из минералов-примесей будут получать редкие элементы, а оставшиеся после обогащения полевой шпат и кварц найдут широкое применение как сырье для изготовления разнообразной керамики и стекла.

Когда магма обогащена газом

При застывании гранитной магмы не сразу возникает каменный массив. Сначала с краев появляется твердая оболочка, она постепенно разрастается внутрь и «оттесняет» к середине остаток гранитного расплава. Меняется при этом и сам расплав, в нем становится все больше газов (ведь они почти не входят в состав выкристаллизовавшихся минералов). Так образуется легкоподвижный расплав, богатый парами и газами. В одних случаях он остается на месте и застывает среди гранитов. В других случаях расплав покидает массив и застывает в окружающих породах в виде жил и линз. Так из остаточной гранитной магмы образуется особая порода -- пегматит, состоящая главным образом из полевого шпата и кварца.

Интересно, что всем пегматитам свойственны некоторые общие особенности. Прежде всего, эти породы всегда крупнозернистые и даже гигантозернистые. Нередко кристаллы полевого шпата прорастают кристаллами кварца клиновидной формы, напоминая клинопись древних народов. Именно этой особенностью объясняются другие названия пегматитов -- «письменный», «еврейский» и «рунический» камень.

Кристаллы некоторых минералов в пегматитах в длину нередко достигают нескольких десятков сантиметров, а иногда и более метра. Так, в пегматитах Северной Карелии, разрабатываемых для извлечения из них полевого шпата как керамического сырья, длина кристаллов кварца достигает 1,5 м. В норвежских пегматитах были встречены кристаллы калиевого шпата длиной до 10 м и массой около 100 т. В начале прошлого века в Ильменских горах на Урале нашли настолько огромный кристалл калиевого шпата, что в нем заложили каменоломню.

Размер пегматитовых жил, линз и скоплений неправильной формы гораздо меньше гранитных массивов. Лишь в некоторых случаях, например в бассейне р. Мамы в Восточной Сибири, встречаются крупные массивы в несколько квадратных километров, состоящие из пегматитов. Но пегматиты здесь не «чистые», а как бы пропитывают граниты и гнейсы.

К пегматитам издавна приковано внимание геологов и минералогов, потому что некоторые минералы и химические элементы, очень редкие гости в гранитах, в пегматитах как бы «сконцентрированы» и могут образовать богатую рудуг Особый интерес вызывают минералы с редкими землями или радиоактивными элементами. Это, например, ортит, в котором содержание элементов редких земель достигает 3%. Можно также упомянуть минералы бериллия, лития и ряда других элементов, которые обычно отсутствуют в гранитах и других магматических породах. Все это позволяет считать пегматиты продуктами затвердевания не самой магмы, а ее остатка, обогащенного газами. О большой роли газов в пегматитовом расплаве говорят встречающиеся в пегматитах минералы, содержащие различные летучие вещества. Это фтор- и борсодержащий турмалин, топаз (в его состав непременно входят фтор и вода), слюда (ее обязательной составной частью служит вода) и ряд других минералов. Образование пегматитовых жил происходило при температуре 500--700 °С, т. е. несколько ниже, чем гранитов.

Пегматиты имеют исключительную промышленную ценность. Из них добывают слюду, полевой шпат, горный хрусталь, различные драгоценные камни и в том числе изумруд, аквамарин, рубин, сапфир, топаз, аметист и др. Полевой шпат некоторых пегматитов очень красив и используется как поделочный камень. Это так называемый амазонский камень, или амазонит,-- голубовато-зеленая разновидность калиевого шпата. С давних пор он получил заслуженную известность в камнерезном деле, а художественно-декоративные изделия из этого поистине чудесного камня всегда привлекали к себе большое внимание.

Амазонит в России стал известен в 1784 г., когда на Южном Урале в Ильменских горах обнаружили пегматитовые жилы с зеленым камнем. Минерал с необыкновенно приятной окраской быстро завоевал симпатии любителей декоративного камня и стал одним из важнейших поделочных камней. В Государственном Эрмитаже в Ленинграде хранятся великолепные вазы, столешницы и другие изделия из уральского амазо-нита, сделанные умельцами Петергофской гранильной фабрики.

Амазонит относится к малораспространенным минералам. В нашей стране месторождения амазонита, кроме Ильменских гор, найдены на Кольском полуострове, в Прибайкалье, Казахстане и Средней Азии. До сих пор остается загадкой цвет амазоннта. Более семидесяти лет назад академик В.И. Вернадский обнаружил в амазоните Ильменских гор высокую концентрацию рубидия (до 3,12 % Rb₂O), и с того времени многие ученые считали, что присутствие именно этого элемента вызывает окраску минерала. Но в последние десятилетия неоднократно устанавливалось, что рубидий в значительных количествах встречается и в неокрашенных полевых шпатах. Вместе с тем в некоторых амазонитах его почти нет. Значит, окраска зеленого полевого шпата не обязательно связана с рубидием.

Затем минералоги обратили внимание на то, что при прокаливании голубовато-зеленый цвет амазонского камня исчезает и минерал приобретает невыразительную белую, светло-желтую или светло-серую окраску. Потом выяснилось, что обесцвеченному амазониту можно возвратить прежнюю окраску под влиянием рентгеновских лучей.

Пожалуй, ближе всего к разгадке окраски стоит Б.М. Шмакин. Он предполагает, что зеленая окраска минерала вызвана двумя причинами: особенностями строения кристаллов и значительным количеством элементов-примесей, прежде всего рубидия, свинца, цезия и таллия. Дело в том, что внутреннее строение амазонита максимально упорядоченное. А это значит, что ионы кремния, алюминия, калия и кислорода в кристаллической решетке расположены самым плотным образом. Когда же элементы-примеси захватили места элементов-«хозяев» и, отличаясь от них своими размерами, нарушили энергетику кристаллов--появилась характерная окраска амазонита.