Методы петрографического исследования горных пород.

Изучение горных пород в петрографии осуществляется несколькими методами: геологическим, микроскопическим, химическим, экспериментальным, физико-химическим и другими.

Геологический метод является основным. При полевых исследованиях петролог изучает сначала, промежуточные стадии и результаты разнообразных физико-химических процессов, протекавших в земной коре на протяжении миллиардов лет. Петрограф должен выяснить условия залегания пород, определить эти породы, выяснить их взаимоотношения с соседними породами, другими словами, дать полевое описание и точно закартировать горные породы. Без такого анализа геолог не может дать ответа на вопрос, где залегают и где надо искать полезные ископаемые.

Микроскопический метод является продолжением геологического. Микроскоп появился в XIX в. и позволил дополнить и уточнить знания о горных породах и привести их в относительно стройную систему. Микроскоп позволяет диагностировать минералы, слагающие горную породу, определять структуру горной породы, иногда химический состав минералов, а также делать дополнительные заключения о процессе образования горной породы.

Метод химического анализа дает точное представление о химизме горных пород, что имеет существенное значение как при диагностике и классификации горных пород, так и при решении вопросов об их происхождении. За последнее время значительно повысился интерес к нахождению и распределению в горных породах редких или рассеянных элементов. Благодаря этому интересу широкое распространение получили специальные науки – геохимия и петрохимия.

Четвертый экспериментальный метод развивается в петрографии двумя путями. Первый путь – путь моделирования, т.е. воспроизведения природного процесса в лабораторных условиях. Например, огромный сдвиг в познаниях о ходе кристаллизации магматических пород произвели эксперименты, которые выполнены в многокомпонентных силикатных системах, близких по составу к составу магм. Второй путь в этом методе – это совершенствование, упрощение и удешевление методик по изучению состава минералов и горных пород: микроскопический, химический, спектрохимический, рентгеновский и многих других.

Пятый метод петрографии –теоретический физико-химический. Поскольку образование горных пород подчиняется физико-химическим законам, то знание этих законов дает возможность воссоздавать представления о ходе геологических процессов на точной физико-химической основе. В заключение следует отметить метод математического анализа в петрографии и петрологии, который весьма перспективен. К сожалению метод, пока главным образом, изучает вопросы научного отбора проб и обработки химических анализов и еще слабо вторгается в анализ петрологического материала.

Магмы

Магма ( от греч. «паста») – это существенно силикатный расплав, в состав которого входят следующие химические элементы: Si, Al, Fe, Mg, Mn, Ca, Na, K. Кроме силикатных, известны карбонатитовые, хромититовые, сульфидные и магнетитовые магмы. Предполагается, что в силикатных магмах группы SiO₄ образуют связанные полимерные структуры. Наибольшей степенью полимеризации характеризуется расплав чистого кремнезема, представляющий собой протяженный трехмерный каркас из тетраэдров SiO₄. При введении в такой расплав окислов металлов Ме₂О или МеО происходит деполимеризация кремнекислородного каркаса с разрывом жестких ковалентных связей =Si–O–Si= между отдельными тетраэдрами и образованием связей =Si–O^-... Ме⁺ преимущественно ионного характера.

Увеличение концентрации Ме приводит к постепенному разрушению непрерывной сетки кремнезема и появлению различных типов дискретных структурных элементов – слоистых, ленточных, кольцевых, цепочечных. Таким образом, согласно современным представлениям силикатные расплавы рассматриваются как существенно ионные жидкости, состоящие из набора полимерных структур группированных комплексных кремнекислородных (алюмокремнекислородных) полианионов с простыми катионами (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ и др.) и солеобразующими анионами (Cl^-, F^-, S^2-, OH^-, CO₃^2- и др.).

Флюидная фаза в лавах и магмах

При наличии давления силикатные расплавы могут растворить несколько процентов воды, которая образует главную часть газовой фазы магмы и носит название летучего компонента. Обычно содержание в воды в магмах колеблется в пределах 1 – 3 % (масс.). Если магмы содержат меньше 1%, они называются «сухими», а если больше 3% - «насыщенными».

Судя по составу газов, извергаемых вулканами, кроме воды, газовая фаза магмы состоит из малых количеств CO₂, HCl, HF, H₂S, SO₂, CH₄ и др. (таблица 1).

Таблица 1.

Состав вулканических газов действующего базальтового вулкана Килауэуа,

Гавайские острова, (объем %)

Вулканы обычно интенсивно выделяют флюидную фазу («курятся») во время дождливых сезонов.

Структурное положение флюидной фазы летучих компонентов можно показать на примере кислорода, который может быть в трех формах:

- мостиковой, в кремнекислородных полианионах;

- немостиковой, в промежуточном положении между Si и Ме (=Si–O^-...Ме⁺);

- свободные ионы О^2-, ассоциирующие с ионами Ме.

Вода и другие летучие компоненты находятся в магме в растворенном молекулярно-дисперсном состоянии. При температурах 650–700^оС – в диссоциированном, а около 1200^оС в полностью диссоциированном состоянии. Количество растворенной в магме воды зависит от давления и обычно не превышает несколько весовых процентов.

Таблица 2

Растворимость Н₂О в расплаве гранита, % (масс.)

Максимальное количество воды, которое может быть растворено в магме, достигает 20% при давлении около 10 тысяч атмосфер.

Флюидная фаза и летучие компоненты являются главными переносчиками химических компонентов из магм и, в частности, компонентов месторождений полезных ископаемых. Если в силикатном расплаве были растворены летучие компоненты, то в процессе кристаллизации они будут отделяться от расплава, т. к. в отличие от силикатных расплавов растворимость летучих компонентов в твердом кристаллическом веществе ничтожна. Кристаллы как бы вытесняют газовую фазу из магмы, и процесс напоминает кипение. В отличие от обычного кипения процесс идет не при притоке тепла в систему, а, наоборот, при отдаче системой тепла и носит название ретроградного кипения или магматической дистилляции. Таким образом, состав горных пород отражает состав магм, исключая летучие компоненты, т. е. (по В. А. Николаеву и В. В. Доливо-Добровольскому) газовую фазу. Другими словами, состав горных пород не эквивалентен составу магм, хотя некоторая доля летучих компонентов входит в состав кристаллизующихся минералов (в мусковит, биотит, роговую обманку).

Неэквивалентность составов магм, вулканических и плутонических горных пород.

Результатом магматической дистилляции является неэквивалентность химического состава магм интрузивных и эффузивных пород, на что еще в своё время указывал В. И. Вернадский. Считается, что в быстро закристаллизованных эффузивных породах, как бы, “законсервировалась” та часть летучих компонентов и растворенных в ней соединений, которая из медленно кристаллизовавшихся интрузивных пород удалялась в процессе магматической дистилляции и при благоприятных геологических условиях могла образовывать месторождения. По разнице содержаний химических элементов в быстро и медленно закристаллизованных породах можно судить о способности, а по коэффициенту отделения даже о степени и количестве этих элементов, уходящих из магмы во флюидную фазу, а также металлогенической специализации данного интрузивного массива. Отсюда появляется принципиальная возможность оценки рудоносности магм. Подсчет способности химических элементов переходить из расплава в газово-жидкую фазу с помощью коэффициента отделения где коэффициент отделения, и - концентрации химических элементов в эффузивной и интрузивной породе. Высокие значения величин коэффициентов отделения химических элементов свидетельствуют о его больших потенциальных возможностях рудообразования в ходе магматической дистилляции. Разные значения этих величин для разных элементов свидетельствуют об их дифференцированной способности переходить из расплава во флюидную фазу.