Происхождение и классификация горных пород

На протяжении своего существования Земля прошла длинный ряд непрерывных изменений. Они вызываются процессами различными по скорости, по масштабности и по источникам энергии. Эти процессы перемещения вещества, видоизменяющие земную кору и поверхность Земли, называются геологическими или геодинамическими.

Эндогенными процессами называются такие геологические процессы, происхождение которых связано с глубокими недрами Земли. В недрах Земли под внешними ее оболочками происходят сложные физико-механические и физико-химические преобразования вещества, в результате которых возникают мощные силы, воздействующие на земную кору, за счет которых они преобразуют ее. Эндогенные процессы коренным образом меняют характер земной коры и, в частности, ее поверхности; они приводят к созданию основных форм рельефа поверхности Земли – горных стран и отдельных возвышенностей, огромных впадин – вместилищ океанической и морской воды и др. Основными внутренними источниками энергии Земли являются: гравитационная дифференциация, ротационные (вращательные) силы, радиоактивный распад, химические и фазовые превращения, происходящие в недрах. Процессы, вызванные этими источниками энергии, называются эндогеннымиили процессами внутренней динамики. К ним относят:

1. тектонические движения (колебательные и горообразовательные);

2. магматизм;

3. метаморфизм;

4. землетрясения;

Вторая группа процессов вызвана внешними источниками энергии и проявляется на поверхности Земли и их называют экзогенными. Это солнечная энергия и гравитация, перемещения водных и воздушных масс, влияние различных растительных и животных организмов, их воздействие на горные породы и минералы. Такие процессы называются экзогеннымиили процессами внешней динамики. К ним относят:

1. выветривание;

2. влияние текучих поверхностных и подземных вод;

3. влияние ледников и водно-ледниковых потоков;

4. процессы в мерзлой зоне литосферы;

5. влияние морей и океанов, озер и болот;

6. гравитационные процессы;

7. деятельность человека (техногенез).

Эндогенные и экзогенные процессы действуют одновременно и тесно связаны друг с другом (рис. 2.5)

Горные породы – природная совокупность минералов более или менее постоянного минералогического состава, образующая самостоятельное тело в земной коре

Горные породы формируются при различных процессах, протекающих как в недрах Земли, так и на ее поверхности, образуя сплавы, меха­нические смеси, состоящие из одного (мрамор) или нескольких минералов (гранит) (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Происхождение горных пород.

Горные породы классифицируют по происхождению (по генезису) и хи­мическому составу. По происхождению выделяют магматиче­ские, осадочные и метаморфические породы (рис. 2.6).

Рисунок 2.6. Классификация горных пород по типу образования

Магматические и метаморфические горные породы слагают около 90 % объёма земной коры, однако, на поверхности материков области их распространения сравнительно невелики. Остальные 10 % приходятся на долю осадочных пород, занимающих 75 % площади земной поверхности.

Магматические горные породы подразделяют на интру­зивные – глубинные и эффузивные – излившиеся.

Интрузив­ные горные породы образуются в недрах Земли в условиях вы­соких давлений и очень медленного остывания. Магма на глубине нескольких десятков километров от поверхности Земли находится под очень большим всесторонним гидростатическим давлением, достигающим нескольких тысяч атмосфер, и обладает высокой температурой. При внедрении магмы в вышележащие слои Земли физическая обстановка изменяется: магма встречается с твердыми и относительно холодными породами и начинает застывать и кристаллизоваться. Однако отдача тепла магмой в окружающую среду происходит очень медленно, так как теплопроводность горных пород низка. Температура магмы падает постепенно в течение миллионов лет. Примером может служить следующее наблюдение: на Северном Кавказе в районе Пятигорска интрузия магмы произошла в конце палеогенового периода (~30 млн. лет назад). Однако и в настоящее время разогретые массы магмы существуют на сравнительно небольшой глубине, на что указывают выходящие на поверхность земли горячие источники.

При медленном остывании магмы происходит постепенная и последовательная раздельная кристаллизация входящих в ее состав химических соединений, каждое из которых превращается в кристалл какого-либо минерала. Благодаря медленному росту кристаллы могут достигать относительно больших размеров, поэтому для многих интрузивных пород характерна крупно кристаллическая структура. В результате медленного остывания магмы происходит полная кристаллизация всего ее вещества, и в возникшей породе не остается аморфных участков.

Образующиеся в ходе кристаллизации минералы выпадают из расплава в определенной временной последовательности. Эту последовательность определяет степень тугоплавкости минералов, а также химический состав магмы. Большую роль в процессе кристаллизации играют летучие парообразные и газообразные вещества, способствующие и часто определяющие порядок и скорость кристаллизации минералов.

Поясним это на примере магмы гранитного состава, в результате кристаллизации которой на глубине образуется порода – гранит. В состав гранита входят такие породообразующие минералы, как полевые шпаты, кварц, из темноцветных силикатов – и реже роговая обманка (табл. 2.4). Температура плавления биотита и роговой обманки очень высокая (при 600 МПа 620–270 ^оС), поэтому их кристаллы образуются еще в жидкой магме.

Во вторую фазу кристаллизации возникают кристаллы полевых шпатов, температура плавления которых ниже, чем у темных силикатов (при 10⁵ Па 1120 – 1250 ^оС). В отличие от условий первой фазы при кристаллизации полевых шпатов в жидкой массе магмы уже существуют твердые кристаллы темноцветных силикатов. Вследствие этого кристаллы полевых шпатов могут «обрастать» кристаллы биотита или роговой обманки и включать их в себя.

После кристаллизации темных и светлых силикатов порода окажется сформированной на 75—80% объема. Кремнезем, содержащийся в гранитной магме в избытке, начнет переходить в твердое кристаллическое состояние в последнюю очередь, превращаясь в кварц. Его кристаллы занимают свободное пространство между ранее образовавшимися кристаллами биотита, роговой обманки и полевого шпата и приобретать вид зерен неправильной формы, хотя внутреннее строение их кристаллической решетки вполне правильно. В итоге произойдет полная кристаллизация магмы, все ее вещество примет кристаллическое строение. Возникшая таким путем структура породы получила название полнокристаллической. Полнокристаллическая структура дает информацию о глубинных, или абиссальных, условия застывания магмы.

На больших глубинах в условиях всестороннего давления ориентировка осей и плоскостей растущих кристаллов ничем не контролируется, и расположение их в породе случайно. Подобную текстуру породы называют массивной, неориентированной; она характерна в основном для глубинных пород.

В ходе магматической интрузии возможно течение вязкой массы магмы, хотя и в ограниченных пределах. При этом кристаллы с удлиненными формами, например столбики роговых обманок и листочки слюды, ориентируются длинными осями параллельно направлению потоков в магме. Образуется так называемая флюидальная текстура. Встречаясь в интрузивных породах, она, однако, более типична для пород эффузивных.

Эффузивные горные породы образуются при излиянии на поверхность земли расплавленной магмы. При эффузии почти мгновенно, меняются температура окружающей среды и давление, снижающееся от нескольких тысяч атм. до 1 атм. В результате этого вначале начинается бурное выделение газов, растворенных в магме, сопровождающееся взрывами. Лава, выходящая из жерла вулкана, расплескивается, выбрасываясь вверх брызгами. Выделяющиеся из лавы газы могут ее вспенивать, образуя многочисленные пузыри, сохраняющиеся и при затвердевании вещества. Так образуется пузырчатая текстура. Порода подобного сложения получила название пемзы. Ее плотность настолько низка, что пемза плавает в воде.

Резко снижающаяся температура создает условия, при которых одновременно кристаллизуются многие минералы. Однако очень быстрое затвердевание вещества приводит к образованию мелких зачаточных форм кристаллов, которые можно обнаружить только под микроскопом. Значительная часть породы превращается в аморфную или стекловатую массу. Такая структура пород называется скрытокристаллической. При очень быстром остывании лавы процесс кристаллизации может и вовсе не начаться, в этом случае порода целиком будет состоять из вулканического стекла. Такая порода названа обсидианом. Это черная, темно-серая или темно-бурая порода с раковистым изломом, похожая на глыбу стекла. Полости газовых пузырей часто заполняются минералами, которые образуются вторично – в результате их кристаллизации из растворов горячих вод, проникших в застывшую лаву. При этом на фоне темно-серой породы, имеющей скрытокристаллическую структуру, выделяются округлые светлые пятна таких включений. Обычно они представлены такими минералами как кальцит и аморфный кремнезем – опал и халцедон.

С процессом извержения вулканов связано также образование группы пород, которые принято называть пиропластическими. Выделяющиеся из магмы газы часто скапливаются внутри жерла вулкана в таких больших количествах и под столь большим давлением, что возникают мощные взрывы, выбрасывающие высоко в атмосферу огромные массы лавы, состоящей из частиц самых разных размеров. Они остывают в воздухе и падают на землю в виде твердых пылинок, горошин и более крупных обломков. Их называют вулканическим пеплом. Массы этого вулканического материала покрывают окрестности извергающегося вулкана толстым рыхлым слоем. Дожди смачивают его, и он приходит в движение, образуя потоки вулканической грязи. Высыхая, грязь превращается в легкую пористую и твердую породу, называемую туфом. Подобная порода, образованная на дне моря или озера называется туффитом.

Классификация интрузивных и эффузивных пород строят на основе указанных выше особенностей структуры и текстуры, а также их химического и минералогического состава. По химическому составу магматические горные породы делят в зависимости от содержания в них окиси кремния SiO₂ (табл. 2.5). Кислые породы чаще бывают светлыми, иногда белыми. С уменьшением содержания кремнезема окраска породы изменяется от серой до темно-серой. Для ультраосновных пород характерна черная или темно-зеленая окраска, зависящая от увеличения содержания темноцветных минералов, богатых окислами железа и магния.

Таблица 2.5. Классификация магматических пород по содержанию окиси кремния.

В табл. 2.6. приведена краткая характеристика основных магматических горных пород.

Таблица 2.6. Характеристика основных магматических горных пород.

Наибольшее распространение в земной коре имеют граниты (интрузивные породы), андезиты и базальты (эффузивные породы).

Граниты составляют ~30% массы земной коры. Граниты состоят в основном из трех минералов: кварца, полевого шпата и слюды (или роговой обманки).

Андезиты – породы с вкраплениями из полевых шпатов (альбита, анортита), рого­вой обманки, слюд и пироксена – составляют ~25% массы земной коры.

Базальты составляют ~ 20% массы земной коры, в их состав входят преимущест­венно полевые шпаты, пироксен, оливин. Остальное приходится на долю всех остальных горных пород.

Осадочные горные породы образуются при механическом и химическом разрушении магматических пород под действием воды, воздуха и органического вещества.

По признаку происхождения их делят на три группы: обломочные, химические и органические.

Обломочные горные породы обра­зуются в процессах разрушения, переноса и отложения об­ломков горных пород. Это чаще всего каменистые осыпи, га­лечники, пески, суглинки, глины и лёссы. Обломочные породы разделяют по крупности:

· грубообломочные (> 2 мм); остроугольные обломки – дресва, щебень, сцементированные глинистыми сланцами, об­разуют брекчии, а окатанные – гравий, галька – конгломе­раты);

· среднеобломочные (от 2 до 0,5 мм) – образуют пески;

· мелкообломочные, или пылеватые – образуют лёссы;

· тонкообломочные, или глинистые (< 0,001 мм) – при уплотнении превращаются в глинистые сланцы.

Осадочные породы химического происхождения – соли и от­ложения, образующиеся из насыщенных водных растворов. Они имеют слоистое строение, состоят из галоидных, сернокислых и карбонатных минералов. К ним относятся каменная соль, гипс, карналлит, опоки, мергель, фосфориты, железо-марганцевые конкреции и т.д. (табл. 2.4). Они могут образовываться в смеси с обломочными и органическими отложениями.

Мергель образуется при вымывании из известняков карбо­ната кальция, содержит глинистые частицы, плотный, светлый.

Железо-марганцевые конкреции образуются из колло­идных растворов и под действием микроорганизмов и создают шариковидные залежи железных руд. Фосфориты образуются в форме шишковидных конкреций неправильной формы, при слиянии которых возникают фосфоритные плиты – залежи фос­форитовых руд серого и буроватого цветов.

Горные породы органического происхождения широко рас­пространены в природе – это останки животных и растений: ко­раллы, известняки, ракушечники, радиоляриевые, диатомовые и различные черные органические илы, торф, каменные и бурые угли, нефть.

Осадочная толща земной коры формируется под воздействием климата, ледников, стока, почвообразования, жизнедеятельности организмов, и ей присуща зональность: зональные донные илы в Мировом океане и континентальные отложения на суше (ледниковые и водно-ледниковые в полярных областях, торф в тайге, соли в пустыне и т. д.). Осадочные толщи накапливались в течение многих миллионов лет. За это время картина зональности многократно менялась в связи с переменами в положении оси вращения Земли и другими астрономическими причинами. Для каждой конкретной геологической эпохи можно восстановить систему зон с соответствующей ей дифференциацией процессов осадконакопления. Строение современной осадочной оболочки – это результаты перекрытия множества разновременных зональных систем.

На большей части территории земного шара почвообразование идет на осадочных горных породах. В северной части Азии, Европы и Америки обширные пространства заняты породами, отложенными ледниками четвертичного периода (мореной) и продуктами размывания их талыми ледниковыми водами.

Моренные суглинки и супеси. Эти породы отличаются неоднородностью состава: они представляют сочетание глины, песка и валунов различного размера. Супесчаные почвы содержат больше Si0₂ и меньше других окислов. Окраска большей частью красно-бурая, иногда палевая или светло-бурая; сложение плотное. Более благоприятную среду для растений представляют моренные отложения, содержащие валуны известковых пород.

Покровные глины и суглинки - безвалунные, мелкоземистые породы. Состоят преимущественно из частиц меньше 0,05 мм в диаметре. Окраска буровато-желтая, большей частью обладают мелкой пористостью. Содержат больше элементов питания, чем описанные выше пески.

Лессовидные суглинки и лессы – безвалунные, мелкоземистые, карбонатные, палевые и желто-палевые, мелкопористые породы. Для типичных лессов характерно преобладание частиц диаметром 0,05-0,01 мм. Встречаются также разновидности с преобладанием частиц диаметром меньше 0,01 мм. Содержание углекислого кальция колеблется от 10 до 50%. Верхние слои лессовидных суглинков нередко бывают освобождены от углекислого кальция. В бескарбонатной части преобладают кварц, полевые шпаты, глинистые минералы.

Красноцветная кора выветривания. В странах с тропическим и субтропическим климатом широко распространены мелкоземистые отложения третичного возраста. Они отличаются красноватой окраской, сильно обогащены алюминием и железом и обеднены другими элементами.

Коренные породы. На значительных территориях на поверхность выходят морские и континентальные породы дочетвертичного возраста, объединяемые под названием «коренные породы». Названные породы особенно распространены в Поволжье, а также в предгорьях и горных странах. Среди коренных пород широко распространены карбонатные и мергелистые суглинки и глины, известняки, а также песчаные отложения. Следует отметить обогащенность многих песчаных коренных пород элементами питания. Кроме кварца эти пески содержат значительные количества других минералов: слюд, полевых шпатов, некоторых силикатов и т. д. В качестве материнской горной породы они резко отличаются от древнеаллювиальных кварцевых песков. Состав коренных пород очень разнообразен и недостаточно изучен.

Метаморфические горные породы – это магматиче­ские и осадочные горные породы, измененные температурой, давлением и химически активными веществами. Метаморфоза горных пород происходит под влиянием следующих факторов:

- давления, возникающего при горообразовательных процессах;

- повышения темпера­туры, вызванного внедряющейся в литосферу магмой, горячих водных растворов и газов, несущих новые химически активные соединения;

- давления вышележащих горных пород.

Одна из последних классификаций метаморфизма приведена в табл. 2.6.

Таблица 2.6.Классификация метаморфизма горных пород

Например, при накоплении осадочных горных пород мощностью 10 – 14 км нижние их слои испытывают огромное давление, сопро­вождающееся повышением температуры и перекристаллизацией всего материала. В результате этого процесса из глин образуются сначала сланцы, а затем гнейсы, напоминающие по составу гранит. Со­став гнейсов различен. Из песков в присутствии соединений же­леза сначала образуются песчаники, очень легко рассыпаю­щиеся при приложении небольших усилий, а затем кварциты, т.е. кристаллическая горная порода. Кварциты и гнейсы сохра­няют слоистое строение, характерное для осадочных пород. Из­вестняки при перекристаллизации образуют мрамор.

Таким образом, процессы метаморфизма как бы заключают цикл изменений, происходящих с горными по­родами.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется минералами, на какие классы они делятся?

2. Как определять минералы?

3. Дайте характеристику наиболее распространенных минералов.

4. Что называется горной породой?

5. Как образуются горные породы?

6. Назовите наиболее распространенные горные породы.