Основы геологии

Симметрия - основное свойство кристаллов. В кристаллографии существует понятие оси симметрии. Ось симметрии - прямая линия, при повороте вокруг которой на определенный угол симметричная фигура займет в пространстве то же положение, которое она занимала до поворота, но на место одних ее частей переместятся другие такие же части. Оси симметрии, встречающиеся в кристаллах, обозначают L2, L3, L4, L6. Угол поворота, при котором элементы фигуры совпадают, составляет при этом 180о, 120о, 90о и 60о соответственно. При таком расположении узлов плоская сетка кристаллической решетки построена без просветов, что приводит к устойчивости структуры. На рис. 3.3 показаны типы плоских сеток многогранников с осями симметрии разного порядка.



а б в

г д

Рис. 3.3 Плоские сетки многогранников Оси симметрии: а - первого порядка; б - второго порядка; в - третьего порядка; г - четвертого порядка; д - шестого порядка

В кристаллических многогранниках присутствуют лишь оси симметрии второго, третьего, четвертого и шестого порядков. Ось первого порядка практически не определяет симметрии кристалла, а осей симметрии пятого и выше шестого порядка в кристаллах не бывает.

Изучение форм, образуемых гранями кристаллов, и углов между гранями позволило создать классификацию кристаллов, разбив их на семь сингоний (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Кристаллографические сингонии

Сингония	Типичный вид решетки	Характерные особенности	Типичные минералы
Триклинная		Три неравные оси, расположенные наклонно друг к другу	Плагиоклаз
Моноклинная		Три неравные оси, из которых две перпендикулярны друг к другу, а третья наклонена	Гипс, ортоклаз, роговая обманка
Ромбическая		Три оси неравной длины, пересекающиеся под прямым углом	Барит, топаз, самородная сера
Тригональная		Три оси равной длины, углы между ними не прямые	Кальцит, кварц, турмалин
Тетрагональная		Три взаимно перпендикулярные оси, две из них одинаковой длины	Халькопирит, везувиан
Гексагональная		Три равные оси в одной плоскости, пересекающиеся под углом 120о, и четвертая ось, перпендикулярная этой плоскости	Апатит, берилл
Кубическая		Три оси одинаковой длины, пересекающиеся под прямыми углами	Галит, пирит, галенит, гранат, алмаз

Некоторые вещества могут существовать в нескольких кристаллических фазах. Такого рода структуры называют полиморфными модификациями. Самый яркий пример - полиморфные превращения углерода. При температуре 1000 оС алмаз легко переходит в графит. В то же время переход графита в алмаз может быть осуществлен лишь при температурах выше 3000 оС и давлениях до 108 Па.

Габитус кристаллов - этот термин служит для обозначения характерной формы, в которой минерал, как правило, кристаллизуется. Зная обычный внешний облик кристаллов какого-либо минерала, можно определить его визуально. У многих минералов отмечаются закономерные срастания кристаллов по определенным граням - двойники. Следует упомянуть о конкрециях и секрециях, представляющих собой особые формы кристаллизации минерального вещества. Конкреции растут от центра к периферии, а секреции от периферии к центру. Получаются характерные концентрически-зональные образования.

3.3 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.

В справочных пособиях по определению минералов обычно указывают, какие парагенетические ассоциации характерны для данного минерала; такие сведения облегчают диагностику. Употребляется также понятие отрицательного (запрещенного) парагенезиса, указывающее на невозможность совместного образования при данных условиях определенных сочетаний двух или нескольких минералов, например, кварца и нефелина, диопсида и кордиерита и др.

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.

3.4 Химическая классификация минералов

Во всех минералогических музеях мира коллекции минералов составляют по их химическому составу. Минералы классифицируются на пять основных типов: 1) самородные элементы; 2) сульфиды; 3) галогениды; 4) оксиды; 5) кислородные соли (карбонаты, сульфаты, вольфраматы, фосфаты и др.; силикаты и алюмосиликаты). Приведем их краткую характеристику.

3.4.1 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.

Таблица 3.2

Самородные элементы

Название минерала	Химическая формула
Алмаз Графит Сера Золото Серебро Платина	С С S Au Ag Pt

3.4.2 Сульфиды

Этот тип объединяет свыше 250 минералов. У сульфидов металлический блеск, большой удельный вес, черная или цветная черта. Многие минералы имеют важное промышленное значение. В химическом отношении сульфиды представляют собой соли сероводородной кислоты (табл. 3.3).

Таблица 3.3

Сульфиды

Название минерала	Химическая формула
Галенит Сфалерит Халькопирит Пирит Борнит Киноварь Молибденит Антимонит Арсенопирит	PbS ZnS CuFeS2 FeS2 Cu5FeS4 HgS MoS2 Sb2S3 FeAsS4

3.4.3 Галогениды

В химическом отношении минералы этого типа представляют собой соли кислот HCl, HF, HBr, HJ (табл. 3.4). Большинство из них имеют небольшую твердость, малый удельный вес, стеклянный блеск. Многие минералы хорошо растворяются в воде.

Таблица 3.4

Галогениды

Название минерала	Химическая формула
Галит Сильвин Карналлит Флюорит	NaCl KCl KMgCl3 . 6H2O CaF2

3.4.4 Оксиды

В химическом отношении оксиды представляют собой соединения элементов с кислородом. Оксиды широко распространены в природе и нередко имеют важное промышленное значение (табл. 3.5). Один из самых распространенных на Земле минералов, кварц, относится к этому типу.

Таблица 3.5

Оксиды

Название минерала	Химическая формула
Кварц Магнетит Гематит Хромит Ильменит Корунд Касситерит	SiO2 Fe3O4 Fe2O3 FeCr2O3 FeTiO2 Al2O3 SnO2

3.4.5 Кислородные соли

В химическом отношении являются соединениями кислородсодержащих кислот. Это самый многочисленный тип минералов, в состав которых входят карбонаты, сульфаты, фосфаты, молибдаты, ванадаты, силикаты и др. (табл. 3.6). Одна только группа полевых шпатов составляет около 60 % массы земной коры.

Таблица 3.6 Соли кислородных кислот

Название минерала	Химическая формула
Карбонаты
Кальцит Магнезит Доломит Сидерит Родохрозит Малахит	CaCO3 MgCO3 (Ca,Mg)CO3 FeCO3 MnCO3 Cu2 (OH) 2CO3
Сульфаты
Гипс Ангидрит Барит	CaSO4 . 2H2O CaSO4 BaSO4
Вольфраматы
Вольфрамит Шеелит	(Fe,Mn)WO4 CaWO4
Фосфаты
Апатит Бирюза	Ca5[(PO4) 3|(OH,Cl,F)] СuAl6[(OH) 2|PO4] . 4H2O
Силикаты
Оливин Топаз Дистен Сподумен Мусковит Биотит Полевые шпаты: Альбит Ортоклаз Анортит	(Mg,Fe) 2 [SiO4] Al2 [F2|SiO4] Al2 [O|SiO4] LiAl[Si2O6] KAl2 [(OH,F) 2|AlSi3O10] K(Mg,Fe) 3 [(OH,F) 2|AlSi3O10] Na2 [AlSi3O8] K2 [AlSi3O8] Ca[Al2Si2O8]

Минералы обладают множеством разнообразных физических свойств, которые позволяют проводить их диагностику, т.е. определение. К физическим свойствам, используемым для быстрого определения, относятся блеск, твердость, цвет, цвет черты, спайность, излом, удельный вес и многие другие. Некоторые минералы обладают одной настолько ярко выраженной характеристикой, что она позволяет сразу определить данный образец.

Например, магнитная стрелка реагирует на магнетит; корунд оставляет царапину на любом минерале (кроме алмаза, но алмазы не хранят даже в обычных минералогических музеях, не говоря уже об учебных коллекциях); белый шелковистый асбест легко расщепляется на тонкие волокна; золото имеет необычайно большой удельный вес; черный непрозрачный гематит оставляет вишневую черту на пластинке неглазурованного фарфора; гипс можно поцарапать ногтем; графит пишет на бумаге; исландский шпат обладает двойным лучепреломлением; чароит имеет редкий сиреневый цвет; слюды легко расщепляются на тонкие пластинки; в родоните часто видны дендриты из оксидов марганца. Чтобы диагностировать кальцит, можно разбить образец молотком (рис. 3.4), и он распадется на кусочки, грани у которых расположены под определенными углами. Способность минерала раскалываться по определенным плоскостям называется спайностью.

Большое количество минералов можно определить, взглянув на кристаллы. К примеру, везувиан узнается по своеобразной форме кристаллов (рис. 3.5). Кварц образует характерные друзы, у гранатов прекрасные хорошо ограненные кристаллы кубической сингонии и т.д.



Рис. 3.4. Определение направлений спайности у кальцита

Рис. 3. 5. Кристаллы везувиана

Методика визуального определения минералов и горных пород изложена в отдельном методическом пособии для студентов специальности 170200.



ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Назовите кларки самых распространенных химических элементов.

2. Чем отличаются эмпирические и структурные формулы минералов?

3. Что такое изоморфизм?

4. Назовите оси симметрии, встречающиеся у кристаллов.

5. Что такое кристаллографические сингонии?

6. Назовите эндогенные процессы минералообразования.

7. Назовите экзогенные процессы минералообразования.

8. На каком принципе построена классификация минералов?

9. Минералы какого типа наиболее распространены в земной коре?

10. Какие свойства минералов используют для визуальной диагностики?



4. магматизм и магматические породы

Вулканические извержения - одно из наиболее разрушительных и устрашающих явлений природы. Они наблюдались и регистрировались столетиями. Термин вулканизм происходит от слова «вулкано» - названия небольшого вулканического острова у берегов Италии.

Первая стадия магматической деятельности - образование жидкой магмы, расплавленной породы в недрах Земли. Магматический расплав может содержать взвешенные кристаллы и растворенные газы, в особенности, водяной пар. При излиянии магмы на поверхность образуется лава. При остывании и кристаллизации магмы образуются магматические породы.

Главным источником внутреннего тепла Земли служит радиоактивность. Геотермический градиент показывает увеличение температуры c глубиной и колеблется обычно от 2,5 до 3 оC на 100 м. Соответственно, геотермическая ступень - это повышение температуры на каждые 100 м глубины от земной поверхности, что составляет обычно 3 - 4 оС. Изливающийся магматический расплав имеет обычно температуру 1200 - 1400 оС.

Для плавления пород требуется определенное пространство, так как при этом их объем увеличивается примерно на 10 %. Увеличенная в объеме и, следовательно, более легкая магма гидростатически, за счет веса твердых пород вокруг нее и сверху, выжимается вверх по трещинам. Она может застыть на глубине или прорваться на земную поверхность в виде вулканических извержений центрального или трещинного типа. После извержения магматического расплава объемом до 10 - 20 км3 участок земной поверхности обычно проваливается, заполняя образовавшуюся в недрах пустоту.

Застывшая на глубине магма образует тела разной формы, называемые интрузиями. При излиянии на поверхность возникают эффузивные тела. Формы интрузивных образований показаны на рис. 4.1, строение вулканического аппарата - на рис. 4.2. На земную поверхность интрузии выступают после длительной эрозии и размыва перекрывающих их пород. Известны выходы батолитов площадью несколько тысяч кв. км в Карелии. Ответвление от батолита называется штоком. Силлы залегают согласно с вмещающими породами, мощность их достигает несколько сот метров. Образование лакколита происходит в случае внедрения магмы с поднятием вмещающих пород, мощность его составляет от десятков до сотен метров. Дайки образуются в трещинах земной коры, они характеризуются большой протяженностью, иногда в несколько километров, и толщиной от долей метра до десятков метров. Некк - застывшее вулканическое жерло. Ели излившаяся из вулкана магма течет в одном направлении в виде вытянутого языка, то она образует поток; если излияние происходит из протяженной трещины и магма равномерно покрывает площади в десятки и сотни километров, то образуется покров.

Рис. 4.1. Формы залегания интрузий



Рис. 4.2. Схема строения вулканического аппарата

1 - кальдера; 2 - сомма; 3 - конус; 4 - кратер; 5 - жерло; 6 - лавовый поток; 7 - лавовый очаг

Вулканы бывают эффузивные со спокойным характером излияний и эксплозивные (взрывные). Они могут принимать форму лавовых или шлаковых конусов, сложных конусов; бывают действующими, спящими или потухшими. Состав изливающейся лавы колеблется в широких пределах. Вершина вулкана - это кратер или кальдера; разнятся они размерами и строением. Кратером считают образовавшуюся при извержении воронку диаметром от нескольких метров до километра. Кальдеры бывают диаметром до 10 км (Анпакчак на Аляске), в периоды между извержениями они обычно заполнены озерами.

Сейчас известно около 600 вулканов, действовавших на памяти человечества. Две трети из них сосредоточены в островных дугах вокруг Тихого океана или на континентальной стороне границ между плитами. Второй пояс концентрации вулканов, в котором сосредоточена примерно четверть их общего количества, протягивается от Италии, Турции через Южную Азию к Индонезии. Вулканы третьей группы связаны со срединно-океаническими хребтами Атлантики. Еще отмечаются цепочки вулканических островов в Тихом океане, и в первую очередь Гавайские острова.

Кроме наземных вулканов, в акватории Тихого океана находится около 10000 подводных вулканов высотой не менее 1 км. Большинство их никогда не поднималось выше уровня моря, но некоторые были вулканическими островами, теперь погруженными вследствие движений земной коры.

4.1 Продукты вулканических извержений

Газообразные вулканические продукты. 75 - 90 % выделяющихся газообразных компонентов составляет водяной пар. Еще присутствуют соединения азота и углерода, сероводород, сернистые газы, сера, хлор, фтор, аммиак, метан, аргон и продукты их реакций. Взаимодействуя с атмосферной влагой, многие из этих веществ образуют кислоты, что приводит к выпадению обильных «кислотных дождей».

Фумаролы - это жерла, через которые у подножий вулканов в периоды между интенсивными извержениями вырываются водяной пар и другие разогретые газы с температурой от 100 до 650 оС. Из газов путем возгонки образуются самородная сера, хлориды металлов, сульфиды ртути, мышьяка, сурьмы и другие соединения. Очень опасны для человека и животных выбросы оксидов углерода, которые не заметны простым глазом, но отравляют все живое.

Сольфатары - это фумаролы, выделяющие сернистые газы. Обычным продуктом является сероводород, из которого выпадает сера. Промышленная разработка серы из сольфатар ведется в Италии, Мексике, Японии.

Жидкие продукты извержений. Это прежде всего сама магма, изливающаяся в виде лавы. Форма, размеры, особенности внутреннего и внешнего строения лавовых потоков очень сильно зависят от характера магмы. Жидкие базальтовые лавы выплескиваются с первоначальной температурой 1000 - 1200 оС, и они сохраняют текучесть даже при 700 оС. Прежде чем лава застынет, она растекается на расстояние 20 - 30 км от очага извержения. Скорость движения жидких базальтовых лав достигает 50 км/ч, и их извержения носят довольно спокойный характер.

Гранитные лавы очень вязкие, насыщенные газами, извержения их происходят с большими шумовыми эффектами. Температура их при извержении часто не достигает и 1000 оС. На поверхности земли такая лава растекается медленно, скорость потока обычно достигает всего лишь несколько десятков метров в сутки. В результате получаются лавовые потоки относительно небольшой длины, обычно не более 1 км.

Эффузивные породы основного состава имеют широкое распространение на земном шаре. Поскольку гранитные лавы вязкие и с трудом выдавливаются на поверхность земли, они встречаются как эффузивные образования намного реже, чем базальтовые.

Твердые вулканические продукты называются пирокластическими обломками, или пирокластами. Это могут быть куски породы, захваченные потоком лавы с глубины. Но основная часть пирокластов представляет собой куски лавы, вылетевшие из жерла вулкана при его извержении. Пролетев многие сотни метров, они остывали в воздухе и падали на склоны вулкана уже отвердевшими. Обломки длиной более 7 см называют вулканическими бомбами, от 2 мм до 7 см - лапилли, а частицы размером менее 2 мм классифицируются как вулканический пепел. Частицы пепла обычно состоят из обломков кристаллов или стекла. Наиболее распространен стекловатый пепел.

Мощные эксплозивные извержения выбрасывают в атмосферу до высоты 40 км громадные количества пепла, которые могут даже повлиять на климат на Земле. После извержения трещинного вулкана Лаки в Исландии в 1973 г. в верхних слоях атмосферы было столько пепла, что в течение следующего года температура воздуха в Северном полушарии упала на 1 - 2 оС. Извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1992 г. сопровождалось катастрофическим пеплопадом, который вынудил американцев эвакуировать свои военные базы. Но, по-видимому, самый мощный вулканический взрыв, который помнят люди, произошел в 1815 г. на острове Сумбава в Индонезии. Тогда при взрыве вулкана Тамбора объем извергнутого пепла достиг 80 км3.

4.2 Типы извержений и примеры вулканической деятельности

Вулканологи выделяют шесть основных типов извержений вулканов [6], которые характеризуются своеобразным течением процесса извержения (рис. 4.3). Катмайский тип (по названию трещинного вулкана Катмаи на Аляске) - мощный взрыв с разрушением вулканической постройки и образованием большого количества спекшегося пирокластического материала (игнимбритов).

Рис. 4.3. Типы извержений вулканов

1 - катмайский; 2 - пелейский; 3 - плинианский; 4 - гавайский; 5 - стромболианский; 6 - вулканский

Пелейский тип (по названию вулкана Мон-Пеле на о. Мартиника в архипелаге Малых Антильских островов) - извержение, во время которого очень вязкая лава выдавливается из жерла, не растекаясь, или закупоривает его так, что скопившиеся газы разрывают вершину вулкана. Образуются палящие тучи, и смесь из газов и подвижного материала потоками с большой скоростью стекает вниз по склонам. Извержение плинианского типа (в 79 г. н.э. описано итальянским историком Плинием младшим при извержении Везувия) - извержение с выбросами огромного количества пирокластического материала и газов.

Гавайский тип (характерен для вулканов Гавайских островов) - извержение с жидкой быстротекущей лавой без больших взрывов. Стромболианский тип - (по названию вулкана Стромболи на одном из Липарских островов) - извержение с подвижными потоками лавы, сопровождающееся мощными взрывами, выбросами пирокластического материала и грушевидных, часто скрученных бомб. Извержение вулканского типа - (по названию вулкана Вулькано на одном из Липарских островов) - извержение с очень вязкой лавой, склонной образовывать купола; газы во время такого извержения производят оглушительные взрывы с выбросом в атмосферу большого количества пирокластического материала и бомб типа «хлебной корки». Приведем примеры извержений некоторых вулканов.

Вулкан Парикутин, Мексика, 1943 - 1952 г. Он возник однажды утром посреди маисового поля и за сутки вырос до конуса высотой 10 м. Через неделю высота вулкана достигла 110 м. За первый год он вырос до высоты 325 м. Вулканологи организовали наблюдение за извержением и зафиксировали историю вулкана от рождения до угасания. В конце извержения площадь эллиптического конуса составила 600 х 900 м, высота 420 м и диаметр кратера 270 м. Окружающая территория на большом пространстве была покрыта вулканическим пеплом. Суммарный объем продуктов извержения составил 0,8 км3.

Вулкан Мауна-Лоа на Гавайских островах поднимается со дна океана с глубины около 5300 м и возвышается на 4500 м над уровнем океана; таким образом, общая высота вулкана достигает около 10000 м. Его объем превышает 21000 км3, т.е. больше объема любого из всех остальных вулканов на земном шаре. Мауна-Лоа имеет широкую куполообразную вершину и пологие склоны, сложенные тонкими потоками базальтовой лавы. На вершине имеется кальдера длиной 6 и шириной до 3 км; ее стенки местами поднимаются на 200 м. Дно кальдеры рассечено в длину несколькими субпараллельными трещинами, по которым временами лава поднимается до бортов кальдеры и переливается через ее край. Вулкан регулярно действует в течение двух веков.

Вулкан Мон-Пеле, остров Мартиника в Карибском море, 1902 г. До этого, в 1792 и 1851 гг., здесь отмечались средние по силе извержения. Весной 1902 г. чрезвычайно вязкая лава поднялась в кратере; при этом образовалась куполовидная массивная корка, закупорившая отверстие подводящего канала. Перегретый водяной пар, сдерживаемый этой пробкой, периодически вырывался из-под нее, увлекая вместе с собой горячие, насыщенные пеплом палящие тучи, которые обладают большой плотностью и скатываются вниз по склону. 8 мая произошел особенно мощный взрыв, и палящая туча температурой 600 оС пронеслась над городом Сен-Пьер, погубив за одну минуту 28000 жителей. Уцелел только один узник в подземной тюрьме. Все корабли, которые стояли в гавани, были опрокинуты и сожжены. В октябре 1902 г. пробка была вытолкнута и распалась на куски, но из трещины к вершинной части горы стала подниматься мощная очень вязкая «игла» - скальный монолит, который к весне 1903 г. достиг высоты более 300 м. Затем в течение года игла распалась.

Вулкан Кракатау, Индонезия, 1883 г. Самое известное эксплозивное извержение произошло на острове Кракатау, расположенном у западной оконечности о. Ява. За шесть лет до извержения в районе начались землетрясения, частота которых постепенно возрастала до мая 1883 г., когда Кракатау начал выбрасывать вулканический пепел. Сила извержения росла и достигла максимума в августе 1883 г. Серией гигантских взрывов, продолжавшихся три дня, была снесена часть острова и выброшена огромная масса пемзы. Облака, наполненные удушающей вулканической пылью, затмили днем небо над Джакартой, удаленной на 160 км; затем при конденсации пара выпал грязевый дождь. Тонкая вулканическая пыль взвилась на десятки километров вверх, в стратосферу. За две недели пыль разнесло по всему земному шару. Судя по 65-метровой толщине пемзы в окрестностях вулкана, общее количество изверженного материала составило около 20 км2. Пемза выпала на площади радиусом 15 км. Взаимодействие горячей лавы с морской водой, проникшей в кальдеру, вызвало взрыв, который слышали в Австралии на расстоянии 5000 км. Вызванные землетрясением цунами достигли высоты 40 м. После того как подземный резервуар с насыщенной газами лавой был в результате взрывов опорожнен, поверхность быстро просела, и образовался бассейн шириной около 6 км и глубиной 230 м. В 1923, 1933, 1972 гг. отмечались новые извержения, но значительно меньшей мощности.

Трещинные излияния Исландии. Исландия расположена непосредственно на Срединно-Атлантическом хребте. Самое крупное из описанных извержений произошло в 1783 г. Лава поступала из трещины длиной 30 км, и на протяжении двух месяцев в ходе трех основных извержений излилось около 12 км3 лавы базальтового состава. Подвижные лавовые потоки растеклись на расстояние более 25 км от жерла и затопили территорию площадью 915 км2. В конце извержения на трещине образовалось двадцать небольших шлаковых конусов. Пепел объемом около 3 км3 уничтожил все окрестные поля и пастбища.

Вулканы Камчатки. Вулкан Авачинский высотой 2751 м расположен в 30 км от г. Петропавловска-Камчатского. Вулкан за последние 230 лет извергался 16 раз [7]. Магматический очаг располагается в 5 - 7 км ниже земной поверхности, а извержения происходят вследствие закупорки жерла вулкана застывшей лавой. Когда под напором газов эта пробка вышибается, происходит очередное извержение. Самый северный постоянно действующий камчатский вулкан - Шивелуч высотой 3335 м. Извержение осенью 1964 г. продолжалось всего около часа, но оно было чрезвычайно мощным, взрывного типа, с палящими тучами. Сила взрыва была такова, что глыбы весом до 3000 т летели на расстояние от 2 до 12 км. На юге Камчатки имеется вулкан

Безымянный высотой чуть более 3 км. Он считался потухшим, но 22 сентября 1955 г. неожиданно начал извергаться, и газово-пылевые облака достигли высоты 5 - 8 км. 30 марта 1956 г. сильный взрыв снес вершину вулкана и понизил его на 300 м, а облако пепла и газов поднялось в стратосферу на высоту 40 км. После извержения в кратере Безымянного стал расти купол из вязких лав, достигший через 7 лет высоты несколько сотен метров.

4.3 Классификация магматических пород

Главнейшими элементами, из которых состоят магматические породы, являются O, Si, Al, Ca, Fe, Mg, K, Na, Ti, H. Они носят название петрогенных элементов. Минеральный состав магматических пород весьма разнообразен, однако главных породообразующих минералов не так уж много. Это кварц, калиевые полевые шпаты, плагиоклазы, лейцит, нефелин, пироксены, амфиболы, слюды, оливин. Выделяют еще акцессорные минералы, присутствующие в небольшом количестве в виде редкой, но характерной примеси, например, циркон, хромит, пирит, пирротин и др., хотя они могут и отсутствовать.

Минералы, богатые кремнием и алюминием, называются сиалическими (Si, Al), они имеют светлую окраску. Таковы полевые шпаты, кварц, мусковит. Минералы, содержащие магний и железо, называются мафическими (Mg, Fe), их называют цветными минералами; они темноокрашенные, к ним принадлежат пироксены, амфиболы, биотит, оливин. При отсутствии цветных минералов порода светлая, т.е. лейкократовая. Если цветных минералов много, она темная, т.е. меланократовая.

Минералы магматических пород разделяются на первичные и вторичные. Первичные образуются в результате кристаллизации самой магмы, вторичные - за счет преобразования первичных в последующие этапы преобразования пород при выветривании или метаморфических процессах.

Магматические породы классифицируются по химическому составу. За основу взято содержание кремнезема SiO2, который в петрографии называют кремнекислотой, и суммарное содержание оксидов Na и K, которые в петрографии называют щелочами. Выделяют четыре группы магматических пород по степени их кислотности (табл. 4.1). В отдельную группу выделяются щелочные породы, характеризующиеся значительным содержанием щелочей (до 20 %) и меньшим по сравнению с кислыми породами количеством кремнезема (около 40 - 55 %).

Кислая гранитная магма вязкая и обычно застывает на глубине. Излившиеся аналоги гранитов на поверхности встречаются нечасто. Только в гранитах в большом количестве встречается кварц, различимый невооруженным глазом. Другая важная особенность кислых магм - небольшое количество Mg и Fe, т.е. элементов, характерных для темноокрашенных минералов. К тому же магний и железо значительно тяжелее Si, Al, K, Na, и в процессе расслоения магматического расплава мафические компоненты опускаются ниже сиалических.

Физико-химические обстановки, в которых идет процесс застывания магмы на глубине и на поверхности, резко различны. По этой причине из магмы одного и того же состава в глубинных и поверхностных условиях образуются различные породы. Каждой интрузивной породе соответствует определенная излившаяся порода, которая называется эффузивным аналогом этой глубинной породы. Они различаются по структуре и текстуре.



Таблица 4.1

Размещено на http://www.allbest.ru/



Структура - это особенности внутреннего строения породы, обусловленные степенью кристалличности ее вещества, размерами и характером срастания минеральных зерен в породе. У магматических пород отмечаются следующие основные типы структур: полнокристаллическая (крупнозернистая, среднезернистая, мелкозернистая), скрытокристаллическая (афанитовая), стекловатая, порфировая, миндалекаменная.

Текстура - это сложение породы, обусловленное взаимным расположением и распределением слагающих породу минералов или обломочных зерен, а также характером заполнения пространства минеральным веществом. У магматических пород различают массивную, пористую, пузырчатую текстуры.

Для всех интрузивных пород характерна полнокристаллическая структура, так как остывание магмы происходит очень медленно, и благодаря этому вещество кристаллизуется полностью. Эффузивные породы полнокристаллическую структуру имеют редко. Для эффузивных пород характерны скрытокристаллическая, стекловатая, мелкозернистая, порфировая структуры. Это объясняется тем, что застывание лавы происходит быстро, и она не успевает раскристаллизоваться. Если процесс кристаллизации начался, когда магма еще находилась в глубинных условиях, эффузивные породы приобретают порфировую структуру. В результате вторичных процессов эффузивные породы могут приобрести и миндалекаменную структуру.

Текстура интрузивных пород всегда массивная. Эффузивные породы часто тоже имеют массивную текстуру, но наряду с этим у них нередко наблюдаются также пористая и пузырчатая текстуры.

Подробное описание магматических пород и методы их диагностики приведены в отдельном методическом пособии по лабораторным работам.



ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Назовите формы залегания интрузий.

2. Как устроен вулканический аппарат?

3. Что такое интрузивные и эффузивные породы?

4. Расскажите о типах извержений и ныне действующих вулканах.

5. Назовите продукты вулканических извержений.

6. Как классифицируют магматические породы?

7. Может ли цвет магматической породы указывать на ее химический состав?

8. Какая магма более подвижная - кислая или основная?

9. Что такое структура и текстура горной породы?

10. Как по внешнему виду отличить глубинную магматическую породу от излившейся?



5. осадки и осадочные породы

Частицы пород, перемещаемые реками, ледниками и ветром, в конечном итоге отлагаются в виде слоев над породами, залегающими ниже. Вместе с неорганическим веществом может отлагаться материал органического происхождения. Рыхлые неуплотненные образования называются осадками. Со временем слои осадков, подвергшиеся уплотнению и диагенезу, превращаются в осадочные породы.

Три четверти суши на нашей планете покрыты осадками и осадочными породами, и только одна четверть - магматическими и метаморфическими породами. Дно большинства рек и озер выстлано покровом осадков. Поверхность морского дна заключает огромные площади, на которых, как установлено глубоководным бурением, осадки накапливались в течение многих миллионов лет. На некоторых участках суши осадочные породы имеют мощность до 10 - 15 км; ими создана большая часть континентального рельефа. Во многих местах осадочные породы залегают горизонтально, однако в большинстве районов слои обычно наклонены под разными углами. Осадочные горные породы играют первостепенную роль в расшифровке геологической истории Земли. Содержащиеся в них окаменелые остатки животных и растений представляют собой летопись истории жизни на Земле, и по окаменелостям определяют геологический возраст пород. Многие осадочные породы имеют такие текстурные особенности, которые дают ключ к расшифровке условий их образования.

Около 80 % полезных ископаемых, извлекаемых из недр, представляют собой осадочные породы или залегают среди них. Изучение осадочных пород важно как в научном, так и практическом отношении.

Каждый день миллионы тонн осадков выносятся в озера, дельты, океанические бассейны. Крупнейшая река мира Миссисипи переносит и откладывает ежегодно около 3,2 км3 осадков. Большое количество песка и гравия, переносимого реками, периодически откладывается в виде песчаных баров, островов или слоев в застойных участках русел. Эти недолговечные отложения могут быть смыты снова во время паводка, когда и объем, и скорость потока возрастают. В таком случае осадки переотлагаются на другие места. Поэтому на судоходных реках организована постоянная служба наблюдения, составляются карты перемещения донных осадков и меняющиеся профили речного дна, - это помогает предотвратить посадку судов на мели и возможные аварии кораблей речного флота.

5.1 Источники осадочного материала

Терригенные осадки. В эту группу входит весь поступающий с суши материал. Терригенные осадки состоят как из твердых частиц, так и из химически осажденного вещества (карбонаты кальция и магния, оксиды железа и марганца, фосфаты, хлориды, нитраты). Некоторые выпадающие из растворов неорганические осадки с трудом можно отличить от аналогичных по составу осадков биохимического происхождения. Терригенный материал является продуктом выветривания и размыва горных пород всех типов.

Осадки органического происхождения. Различают два вида органогенных осадков. В одном случае они сложены скелетными частями организмов, такими, как кости, зубы, раковины моллюсков или простейших (фораминифер, радиолярий - твердый наружный скелет крошечных беспозвоночных). Эти образования представлены карбонатом кальция и магния, фосфатами, оксидами железа и кремния. В другом случае органогенные осадки состоят из углеродистого вещества, созданного растениями. Осадки такого происхождения обычно сложены более или менее разложившимися растительными остатками.

Осадки вулканического происхождения состоят из материала, образовавшегося при извержении вулканов и отложившегося в виде осадочных слоев на суше или в акваториях. Они сложены тонким вулканическим пеплом, пылью или более крупными частицами, а в отдельных случаях - продуктами размыва лавовых потоков. Материал вулканического происхождения обычно смешивается с другим обломочным терригенным материалом.

Осадочный материал магматического происхождения переносится в виде растворов или суспензии горячими магматическими водами. Часть этого материала достигает поверхности в местах выхода горячих источников и гейзеров, воды которых могут откладывать осадки на поверхности земли. Например, в Йеллоустонском национальном парке США из горячей воды гейзеров осаждается карбонат кальция, называемый травертином. Поскольку вода из источников изливается в течение длительного времени, притом неравномерно, большинство травертинов откладывается в форме террас, которые покрывают площадь в несколько квадратных километров. В источниках Лёйк в Швейцарии ежегодно осаждаются тысячи тонн гипса. В других местах откладываются оксиды железа и магния, хлорид натрия, сульфиды металлов, карбонат натрия, сера.

Материал внеземного происхождения поступает из космического пространства и является продуктом разрушения метеоритов, проходящих через земную атмосферу. Эти частицы отлагаются в виде очень тонкой пыли на суше и на море. Конечно, на суше среди прочих осадков такой материал обнаружить практически невозможно, зато на поверхности льдов в Антарктиде он распознается значительно легче.

Существует несколько подходов к разделению осадочных пород на группы. Но все исследователи признают, что наиболее объективна генетическая классификация, в которой по происхождению выделяются обломочные, хемогенные и органогенные породы. В таком порядке мы их и рассмотрим.

5.2 Обломочные осадочные породы

По величине обломков твердые продукты выветривания бывают от крупных глыб до мельчайших глинистых частиц. Эти образования, перемещенные в процессе эрозии, называются обломочными породами. Огромные блоки и глыбы передвигаются с трудом, в то время как мельчайшие частицы переносятся на сотни километров за пределы суши и откладываются в море. Крупные обломки в ходе транспортировки отстают в своем движении, подвергаясь при этом повторному выветриванию. В результате обломочный материал обычно сортируется и накапливается в виде осадков, состоящих из частиц примерно одинакового размера. Формируются обломочные, или кластические, породы (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Обломочные (кластические) горные породы

Размер обломков, мм	Рыхлые (осадки)	Сцементированные	Основные структуры
	окатанные	неокатанные	окатанные	неокатанные
Более 100	валуны	глыбы	конгломерат	брекчия	псефитовые (грубообломочные)
10 -100	галечник	щебень
2 - 10	гравий	дресва	гравелит
0,1 - 2	песок	песчаник	псаммитовые (песчаные)
0,01 - 0,1	алеврит	алевролит	алевритовые (иловатые)
Менее 0,01	глина	аргиллит	пелитовые (глинистые)

Рыхлый осадок в дальнейшем уплотняется и превращается в породу, т.е. проходит стадию литификации. Пространство между обломками заполняется мелкими глинистыми частицами и выпадающими из воды химическими соединениями. Вещество, заполняющее поры, называется цементом. По составу цемент обычно бывает карбонатный, кремнистый, глинистый, железистый.

Если река разгружается в бассейн со спокойной водой, гравийные частицы откладываются у берега, песок несколько дальше, а илы еще дальше от берега. Таким образом, зоны с обломками разной величины располагаются последовательно, образуя полосы, приблизительно параллельные берегу. Эта идеальная схема осадконакопления часто нарушается благодаря изменчивому количеству поступающих осадков и воздействия волн и течений. Поэтому материал в осадках редко бывает однородным, т.е. отсортированным. Сортировка по величине оказывается несовершенной из-за разницы в форме и удельном весе частиц, недостатка времени для завершения процесса естественной сортировки, изменений в режиме транспортировки.

Валуны широко распространены среди ледниковых образований в горных областях. В случае выноса мелкого материала на местности образуются своеобразные ландшафты - валунные поля. Конгломерат - сцементированная порода, состоящая из обломков крупнее 10 мм. Состав гальки и цемента может быть различный. Конгломераты, залегающие в основании серии осадков, называются базальными и указывают на размыв и условия мелководья. Щебень образуется при механическом разрушении горных пород и скапливается у подножий склонов. Брекчии образуются в результате обвалов, оползней, выщелачивания, а также при тектонических движениях (тектоническая брекчия) и вулканической деятельности (вулканическая брекчия). Галечник и гравий образуются при переносе обломков водными потоками или в результате действия морского прибоя. В процессе переноса обломки окатываются, приобретая хорошо отполированные округлые формы. По своему происхождению галечник и гравий могут быть речными, озерными, морскими, ледниковыми. Песчаник - сцементированная порода из частиц размером 0,1 - 2 мм. Большинство зерен песка представляет собой обычно кварц, так как он очень твердый, химически устойчивый и поэтому лучше других минералов сохраняется при разрушении. Мономиктовые песчаники состоят из одного типа пород, олигомиктовые из двух, а полимиктовые из трех и более типов пород. Песчаники делят на мелкозернистые (зерна размером 0,1 - 0,25 мм), среднезернистые (0,25 - 0,5 мм) и крупнозернистые (0,5 - 2 мм).

Зерна алевролита слишком малы, чтобы их можно было различить невооруженным глазом, но алевролит шероховатый на ощупь. Слоистость в алевролитах бывает очень тонкая, и вследствие этого визуально не всегда с уверенностью можно отличить алевролиты от аргиллитов.

Глинистые породы занимают промежуточное положение между обломочными и химическими. Вещество глинистых пород очень сложно и различно по своему происхождению. Это смесь материала, образовавшегося на суше в корах выветривания и почвах, а затем снесенного в бассейны осадконакопления, и минералов, возникших при раскристаллизации коллоидов и осажденных из истинных растворов. В глинах можно выделить терригенные (обломочные) и аутигенные (образовавшиеся на месте) компоненты. По современным представлениям, в осадках Мирового океана преобладают терригенные глины. Аутигенные глины занимают подчиненное положение. По минералогическому составу различают мономинеральные (каолинитовые, гидрослюдистые, монтмориллонитовые, хлоритовые и др.), олиго- и полиминеральные глины и глинистые породы. Литифицированные глины называют аргиллитами.

Конечно, в природе не бывает чистых песков, алевритов и глин. Обычно они встречаются в виде смеси с преобладанием частиц какого-то размера. Весовое содержание каждой фракции определяют с помощью ситового анализа. Название осадку и породе дают по преобладающей составляющей, например: глина песчаная, алеврит глинистый.

Если в породе от 10 до 30 % глины, а остальная масса приходится на алеврит и песок, ее называют суглинком. Когда содержание глинистой фракции составляет всего 5 - 10 %, порода называется супесью. При определении пластичности осадок замешивают с водой в тесто и раскатывают между пальцами. Настоящие глины раскатываются в очень тонкую нить (тоньше 2 - 3 мм), суглинки в более толстую, диаметром свыше 2 - 3 мм, а супеси не раскатываются. Толщина нити является мерой глинистости и пластичности. В районах развития вулканической деятельности в осадках всегда содержится вулканический пепел. Если пепла, т.е. пирокластического материала, менее половины, то осадки называются туфогенными - туфогенный песок, туфогенный алеврит, туфогенная глина. Когда количество вулканогенного материала превышает 50 %, рыхлую породу называют: песчаный вулканический пепел, алевритовый вулканический пепел; глинистый вулканический пепел.

В случае литификациии вулканогенные породы называются туффитами (когда пирокластических обломков 50 - 90 %) или туфами (если пирокластов более 90 %).

С обломочными породами связаны россыпные месторождения. Они образуются за счет скопления продуктов разрушения различных горных пород, среди которых содержатся минералы, представляющие промышленный интерес. Россыпные месторождения формируются в процессе переноса и сортировки по удельному весу поверхностными водами обломков, содержащих полезные минералы. В результате полезные минералы концентрируются в определенных местах россыпи. Таким путем за счет разрушения коренных пород, содержащих даже непромышленные концентрации полезных минералов, могут образоваться промышленные россыпные месторождения, т. е. месторождения с такой концентрацией полезного минерала, при которой разрабатывать его экономически целесообразно. Концентрация полезного минерала определяется обычно его содержанием на одну тонну или один кубический метр породы. В зависимости от того, какой полезный минерал содержат россыпи, они подразделяются на золотоносные, платиноносные, оловоносные, алмазоносные и др.

Щебень широко применяется как балластный материал в строительстве, особенно при сооружении железнодорожных путей и шоссейных дорог. Галечник и гравий - отличный строительный материал, широко используемый в качестве наполнителя для бетона и в строительстве автомобильных дорог. Глины способны давать с водой пастообразные массы различной консистенции, способные сохранять форму и при обжиге приобретать каменистую прочность. Это свойство глин широко используется в керамической промышленности для производства разнообразной посуды и в строительстве для изготовления кирпича. Каолинитовые и монтмориллонитовые глины используют для приготовления буровых растворов.

Песчаники являются коллекторами нефти и газа, углеводороды скапливаются в их поровом пространстве. Аргиллиты - покрышки для залежей нефти и газа.

5.3 Хемогенные осадочные породы

При достижении достаточно высокой концентрации определенных ионов в растворе может начаться выпадение химического осадка. Вещество, растворенное в процессе выветривания и переносимое в растворенном виде, обычно достигает моря раньше, чем его концентрация станет достаточной для выпадения в осадок. Море служит, следовательно, огромной кладовой для растворенного материала. В итоге часть этого материала осаждается, образуя слои хемогенных осадков. К хемогенным осадкам относятся следующие осадочные породы,

Известняк состоит главным образом из карбоната кальция, преимущественно в форме кальцита. Известняки накапливаются в результате либо химического осаждения неорганического кальцита, либо накопления огромного количества известковых раковин, а также при совмещении этих двух процессов. Чистые известняки накапливаются в относительно спокойной мелкой воде, в акваториях, прилегающих к низменным участкам суши. В холодной воде растворимость карбоната кальция повышается, поэтому карбонатные осадки не образуются в северных морях. В морских акваториях известняки выпадают только на глубинах до 4 км. Дело в том, что раковины отмирающих планктонных организмов с кальцитовым скелетом, достигая глубины около 4 км, попадают в зону холодных вод и растворяются.

Если в известняках присутствует большое количество глинистых частиц, то образуется мергель.

В карстовых пещерах происходит растворение известняка и переотложение его в виде сталактитов (нарастают в виде сосулек на потолках) и сталагмитов (нарастают на полу пещер).

Доломит - порода, состоящая из минерала доломита CaMg(CO3)2. Для ее образования необходим жаркий тропический или субтропический климат. При последующем размыве обломки доломита могут выноситься в море с оразованием из них обломочной доломитовой породы.

Железистые минералы. Некоторые железосодержащие минералы могут накапливаться химическим путем. Слои или конкреции лимонта (водный гидроксид железа) могут формироваться на дне озер или болот. В некоторых толщах морских осадочных пород встречаются слои гематита Fe2O3 мощностью несколько метров. Железистый карбонат сидерит FeCO3 также может накапливаться на мелководье в условиях восстановительной среды. Появление пирита FeS2 в осадочных горных породах связано с разложением органических остатков в восстановительной среде. Примеси пирита в угле при сжигании приводят к выбросу в атмосферу сернистых газов и образованию «кислотных дождей».