Распространение и происхождение магматических пород

Вопрос о причинах разнообразия и особенностях распределения магматических пород достаточно прояснился лишь в 60-х годах прошлого века. А среди самых ранних геологов назовем монаха Кирхера (начало XVII в.), который говорил о существовании в недрах планеты многочисленных и разрозненных магматических очагов, предопределявших разнообразие магмы. Напротив, из гипотезы Канта - Лапласа (начало XVIII в.) о «первоначально расплавленной Земле» выходило, что магма должна быть единообразной. К концу прошлого века стало ясно, что классов магматических пород даже больше, чем возможных исходных магм. Это обусловлено магматической дифференциацией: удалением летучих компонентов или выделением кристаллов, всплыванием легких (например, санидина) или опусканием тяжелых (например магнетит), а также разделением - ликвацией в расплавленном состоянии.

Кроме того, внедряясь в застывшие магматические или осадочные горные породы магма обменивается с ними веществом. Системы с одним объяснением не получалось. Ключом к дальнейшему рассуждению послужила неравномерность распределения магматических пород. Широкое распространение гранитов и базальтов привело Ф.Ю. Левинсон-Лессинга в 1910 г. к предположению о существовании двух исходных магм, которые так и были названы - гранитная и базальтовая. Графически это соотношение продемонстрировали в 1922 г. два английских геолога - преподаватель и его студент - У.А. Ричардсон и Ж.Снисби. Оказалось, что наиболее распространены магматические породы с содержанием SiО₂ 52,5% - основные, базальты и 73% - кислые, граниты (рис.2.1).

Рис. 2.1. Распространенность горных пород разного состава: а - по данным Ричардсона (Richardson, Sneesby, 1922); б - по данным П.Н.Кропоткина (1941); распространенность горных пород по отношению к общей площади, занятой соответственно эффузивными или интрузивными породами. 1 - эффузивные породы; 2 - интрузивные породы

Дальнейшее решение проблемы происхождения теперь уже по крайней мере двух исходных магм было основано на детальных полевых исследованиях, которые проверялись экспериментально при плавлении и кристаллизации силикатных расплавов. Расплавленное жидкое вещество разных составов в недрах Земли образуется и существует на разных глубинах, хотя в целом земная кора твердая. Можно выделить ряд зон в земной коре, где сосуществует, наряду с твердым и вещество в жидкой фазе:

1) пресная вода, находящаяся выше уровня моря - в реках и озерах, наряду со льдом, и в приповерхностных слоях литосферы;

2) вода соленая, заполняющая отрицательные формы рельефа планеты - вода океанов;

3) глубинные рассолы и минеральные воды недр литосферы, пропитывающие горные породы до глубины 2-5 км и образующие единую систему с углеводородами.

4) силикатные растворы с растущей вглубь концентрацией до глубин 5-10 км;

5) гранитные магматические расплавы, существующие на глубинах 12-15 км при давлении 4 кбар, содержащие до 10% Н₂О. Далее на глубинах 20-100 км следует область, бедная жидкими составляющими;

6) «Сухие магмы» основного состава. Распространены на глубинах 100 км при давлении 3 кбар, температуре 1300°. Вверху они андезитовые, внизу более основные, вплоть до оливиновых базальтов.

По-видимому, в основании слоя возможного существования базальтовой магмы находится астеносфера - планетарный прерывистый слой субрасплавленного вещества, по которому «проскальзывает» по мантии земная кора. Геофизические данные говорят о твердых свойствах вещества, находящегося еще ниже, под волноводом, областью базальтовой магмы, астеносферы.

Сравнение среднего химического состава осадочных пород и земной коры в целом показывает, что каких-либо кардинальных различий по главным компонентам не отмечается (табл. 11). Вместе с тем, некоторые важные отличия существуют. Из них прежде всего необходимо отметить повышенное содержание в осадочном комплексе кальция (в разы больше, чем в гранито-гнейсовой оболочке), резко повышенное содержание органического углерода, углекислоты, воды, а также летучих - серы, хлора, фтора (в 5-10 раз).

2.3. Метаморфические горные породы

Метаморфические (превращенные) породы образуются из магматических, осадочных или других метаморфических пород в результате действия химических и физических (давление и температура) факторов. При метаморфизме породы преобразуются без переплавления в глубине земной коры. Различают следующие разновидности метаморфизма. Региональный метаморфизм, проявляется на огромных площадях, когда толщи пород погружаются в глубокие недра (превращение известняка в мрамор, глин - в глинистые сланцы, затем в кристаллические сланцы и гнейсы). Породы регионального метаморфизма составляют значительную часть разреза земной коры и поверхность многих ее территорий. Они образуются при погружении участков земной коры на глубины в десятки и сотни километров, где породы перекристаллизовываются, в них образуется комплекс новых минералов.

Таблица 11.

Классификация главных магматических пород по составу, структуре и происхождению.

Содержание SiO2 %	<52	52-65	62-75	52-65	45-52	<45
Минеральный состав породы   Условия образования и структура	Нефелин, К - полевой шпат, кислый плагиоклаз, щелочные пироксены и роговая обманка биотит	К - полевой шпат, роговая обманка, кислый плагиоклаз щелочные пироксены биотит	Кварц, К - полевой шпат, кислый плагиоклаз слюды, роговая обманка	Кварц, средний плагиоклаз, К- полевой шпат, роговая обманка, биотит, пироксен	Средний плагио-клаз, роговая обманка пироксен, биотит,	Основной плагио-клаз, пироксен, оливин, биотит, роговая обманка	Оливин пироксен рудные минералы
эффузивные	нео-тип-ные	порфировые с микрокристалли-ческой, или стекловатой основной массой	фонолит	трахит	липарит (риолит)	дацит	андезит	базальт	пикрит
палео-тип-ные	ортоклазо-вый порфир	кварцевый порфир	дацитовый порфирит	порфи-рит	базаль-товый порфи-рит
интрузивные	Гипабиссальные - полнокристаллические, порфировидные или средне- и мелкокристаллические	порфировид-ный нефелиновый сиенит	порфиро-видный сиенит	порфиро-видный гранит	порфиро-видный гранодиорит	порфиро-видный	диабаз	порфировид-ные дунит, пироксенит, перидотит
Абиссальные - полнокристаллические, крупнокристаллическиеравномернокристалли-ческие	нефелиновый сиенит	сиенит	гранит	гранодиорит	диорит 1)	габбро 2)	дунит3 пироксенит перидотит

¹⁾ При наличии более 5% кварца -кварцевый диорит.

²⁾ Типичное габбро состоит из основного плагиоклаза и моноклинного пироксена; лабрадорит - из основного плагиоклаза (лабрадора), норит - из основного плагиоклаза и ромбического пироксена, габбро-норит - из основного плагиоклаза и пироксенов (ромбических и моноклинных)

³⁾ Дунит состоит из оливина, пироксенит из пироксена, а перидотит из оливина и пироксена.

Граница между эпигенезом (об этом см. ниже) и региональным метаморфизмом условно проводится по массовому появлению новых минералов, в первую очередь слюд, роговых обманок и полевых шпатов. По тому, какие преобразования произошли в породе, выделяют фации метаморфизма, называемые по преобладающим новообразованным минералам.

Цеолитовая фация формируется при давлении 2-3 тысячи атмосфер и температуре 200-300°. Будучи переходной от эпигенеза, ее минералы неустойчивы и редко сохраняются.

Фация зеленых сланцев характерна для метаморфизма глинистых пород, которые формируются при температуре более 300 градусов и давлениях 2-4 тыс. атм.

Фация амфиболитов формируется при температурах свыше 700° и давлениях свыше 10 тыс. атм. В этих условиях начинает выплавляться из осадочных пород гранитная магма.

Фация гранулитов характерна для температур свыше 700° град. и давлении до 10 тыс. атм. Происходит частичное расплавление и перекристаллизация пород.

- Эклогитовая фация формируется на глубинах около 40 км при температурах, превышающих 700 градусов и давлениях более 10 тыс. атм.

- Динамометаморфизмпроисходит под действием одностороннего давления без значительного повышения температуры. В результате часто породы раздробляются вплоть до истирания в пыль, преобразуются в глины. Обычно они связаны с разломами и для нефтяников важны тем, что к ним приурочены узкие зоны трещинных коллекторов, обладающих высокой проницаемостью. Поэтому с зонами разломов связаны не только высокие дебиты, но и выбросы, фонтаны, случающиеся при бурении.

- Контактовый метаморфизм- возникает при температурном воздействии на горные породы внедряющихся горячих интрузий. В результате часто получаются горные породы, похожие на кость, или рог. Их так и называют - роговики. Простейший пример – контактового метаморфизма – обжиг осадочной породы на контакте с расплавленной магмой. Однако здесь происходят и значительные химические реакции, приводящие к образованию новых минералов и горных пород. Классическим примером пород контактового метаморфизма являются скарны, образующиеся при внедрении магмы в карбонаты. Здесь образуются новые минералы и месторождения полезных ископаемых.

- Автометаморфизм происходит в тех случаях, когда в очаге застывающей магмы остаются раскаленные флюиды, которые перерабатывают затвердевшую часть интрузии, внедряясь в нее. С некоторой долей условности сюда можно отнести гидротермальный метаморфизм, когда горячие воды, насыщенные активными анионами, вымывают из вмещающих пород катионы металлов, а потом осаждают их, образуя рудные месторождения. Область этого метаморфизма также достаточно ограниченна.

- Регрессивный метаморфизм возникает, когда горные породы, образовавшиеся при высоких температурах и давлениях, попадают в условия умеренных и малых давлений и температур (например, ультраосновные породы превращаются в метаморфическую породу серпентинит, которая затем может превратиться в асбест). Конечной стадией регрессивного метаморфизма является выветривание на поверхности Земли, или гипергенез. Здесь породы раздробляются, окисляются, превращаются в глины и почвы – особые биогеологические тела. Поверхности древнего (палео- ) рельефа и слагающие их минералы и горные породы представляют особый интерес для нефтяников.

Естественно, что в метаморфических породах не сохраняются органические соединения. На начальных стадиях метаморфизма углеводороды, будучи разогретыми, возгоняются в низкотемпературные зоны и мигрируют, а углистое вещество переходит в графит. Важно подчеркнуть, что несмотря на высокие температуры, в метаморфических породах крайне затруднена миграция веществ, и в результате процессов регионального метаморфизма химический, элементный состав пород, попавших в эту зону, например, песчаников, глинистых сланцев и так далее, сохраняется при перекристаллизации и полной трансформации при образовании метаморфических пород, т.е. процесс регионального метаморфизма изохимичен.

Как можно понять из сказанного, в зоне метаморфизма породы могут расплавиться, но, как правило, происходит, не полное, а частичное плавление, точнее, выплавление вещества, которое в отдельных случаях может концентрироваться, образуя очаг магмы. Именно по этой схеме и выплавляется из пород осадочных гранитная магма.

Импактный (ударный) метаморфизмвозникает в породах, подвергшихся кратовременному ударному воздействию, которые называются коптогенными. Эти породы возникают в месте соударения космических тел (по отношению к Земле - в месте падения метеоров и астероидов). При этом выделяющееся в первый момент тепло испаряет вещество и метеора и мишени-Земли, которое в виде силикатного «пара» поднимается в атмосферу, где конденсируется и падает на Землю стеклянным дождем силикатных капелек - тектитов. Высокое давление разрушает и трансформирует минералы Земли – мишени. Они растрескиваются, приобретают несвойственную им спайность (кварц), иногда перекристаллизовываются в более плотные кристаллические структуры. Таким образом, в ударных кратерах из углистых сланцев образуются алмазы, из обычного кварца - его высокобарические модификации - коэсит и стишовит. В других кристаллах в результате резкой смены давлений полностью разрушается кристаллическая решетка, их структура становится беспорядочной, подобной аморфной структуре стекла.

Систематическое изучение метеоритных кратеров и образующихся в них минералов связано с изучением поверхности Луны, которая практически вся переработана ударами метеоритов. На Земле импактные породы быстро разрушаются осадочным процессом и относительно редки.

С метеоритными кратерами связаны полезные ископаемые. Так, в кратере Попигай нашли алмазы, в Сотсберри - метеоритный никель, Большка (на Украине) – горючие сланцы. Локальные изолированные зоны трещиноватости, окружающие ударный кратер, могут стать ловушкой для нефти и газа. Скрытый под более молодыми осадками Калужский метеоритный кратер используется как газохранилище - в его пористые породы закачивают газ.

Глава 3

Осадочные горные породы

3.1. Химический и минеральный состав

осадочных пород

Сравнение среднего химического состава осадочных пород и гранито-гнейсовой оболочки земной коры в целом показывает, что каких-либо кардинальных различий по главным компонентам не отмечается (табл. 12). Вместе с тем, некоторые важные отличия существуют. Это, прежде всего, повышенное содержание в осадочном комплексе кальция по сравнению с гранито-гнейсовой оболочкой, резко повышенное содержание органического углерода, углекислоты, воды, а также летучих - серы, хлора, фтора (в 5-10раз).

Таблица 12.

Средний минеральный состав магматических

(Заварицкий, 1956) и осадочных (Кузнецов,1998) пород

Если химический состав пород осадочных и магматических близок, то отличия их минерального состава кардинально различны и общее у них лишь то, что и те и другие сложены, в основном, твердым кристаллическим веществом - в просторечии - и те, и другие - камни. Кроме того, и в тех и в других породах есть кварц - наиболее устойчивый в стратисфере породообразующий минерал, в осадочных породах присутствуют и полевые шпаты, и мусковит. Все остальне магматические минералы на поверхности Земли неустойчивы и разрушаются. Самые распространенные в магматических породах – полевые шпаты (до 65%) становятся источником самых распространенных в стратисфере глинистых минералов (40-45%). Отсутствуют в магматических породах карбонаты - хемогенные и, в основном, биогенные минералы - по сути дела умершие и окаменевшие живые существа.

3.2. Общее представление об осадочном процессе.

Осадочные горные породы - это геологические тела, закономерные ассоциации (парагенезы) минералов, возникшие на поверхности литосферы и существующие в термодинамических условиях поверхностной части земной коры. Общий объем осадочных (А.Б.Ронов, 1993) отложений неогея (верхний докембрий – фанерозой) достигает 1130 ּ 10⁶км³. Это составляет всего 11 % объема земной коры и 0,1 % общего объема всей Земли, или 9 % массы коры и лишь 0,5% массы Земли. Несмотря на столь небольшое, казалось бы, относительное количество, они покрывают почти 80% суши (119 млн. из 149 млн. км²), и примерно столько же - 76 % площади дна современного Мирового Океана. Вместе с тем, распределение мощностей и массы осадочных пород весьма неравномерны. Максимальные мощности, видимо, превышают 20-30 км в горноскладчатых областях, некоторых впадинах платформ и в прогибах окраин континентов. Практически отсутствует осадочный чехол на щитах платформ и на срединно-океанических хребтах. Средняя мощность осадочного чехла определяется в 2,2 км. Общий объем осадочной оболочки континентов составляет 765х10⁶ км³, и океанов 115х10⁶ км³.

Среди осадочных пород наиболее распространены глинистые - 51,2% - примерно столько же, сколько составляют в магматических породах полевые шпаты, являющиеся главным исходным материалом для глинистых минералов. Вдвое меньше обломочных пород, в основном песчаников и алевролитов; немного меньше карбонатных пород –20,4%, кремнистых пород – 2,3% и лишь 1,2% сульфатов и галоидов.

Практически вся жизнедеятельность человечества связана с осадочными породами, которые покрывают земную поверхность, на которой мы живем. Невозможно переоценить и экономическое значение полезных ископаемых осадочного происхождения: их стоимость составляет 75-80% стоимости всех добываемых полезных ископаемых. В осадочных породах содержатся практически все мировые запасы горючих ископаемых: нефти, газа, угля, горючих сланцев и торфа, все алюминиевые и марганцевые руды и калийные соли, 80-90% железных, магниевых, титановых, кобальтовых и урановых руд, фосфориты и сера, 50-80% медных, никелевых и оловянных руд и львиная доля полезных ископаемых, самых больших по массе и валовой цене - стройматериалов.

Осадочные породы образуются в результате разрушения любых других пород, перемещении их частиц в виде механических взвесей различной крупности, или в виде раствора, и отложении, или осаждении из раствора (седиментации) (табл.13).

Таблица 13

Принципиальная схема подразделения осадочных пород по их составу

Обычно, чем крупнее частицы, тем ближе к области разрушения они откладываются. Впрочем, тут имеются многочисленные исключения, и каждый раз необходимо рассматривать конкретную ситуацию – агенты и условия транспортировки и т. д. В процессе транспортировки частицы измельчаются, окатываются, сортируются. Воссоздание палеогеографических условий формирования осадочных горных пород имеет огромное значение при поисках и разведке литологических залежей. Затем происходит уплотнение, отжим воды, цементация, и осадок превращается в горную породу. Например, песок превращается в песчаник, ил – в глину. Этот, во многом загадочный процесс, называется диагенезом - превращением. Раздел петрографии, изучающий осадочные горные породы, называется литологией(литос - камень).

Осадочные породы образуются на земной поверхности всюду. Самой древней из известных горных пород на Земле являются серые гнейсы, имеющие возраст более 4 млрд. лет, которые являются продуктом преобразования осадочных пород, т.е. осадочный процесс происходил в самое отдаленное время, о котором наука располагает конкретными сведениями. Остальное- гипотезы.

Важнейшей характеристикой обломочных горных пород является цемент, которым скреплены эти частицы (рис.3.1).

Рис. 3.1. Основные структуры осадочных горных пород

Цемент характеризуют:

- составом (карбонатный, глинистый, силикатныйи т.д.)

- степенью и характером заполнения пор (поровый, базальный и др).

Именно от состава и типа цемента во многом зависит проницаемость, а также - прочность, крепость осадочных горных пород, их сопротивляемость выветриванию и бурению.

Обломочная часть терригенных горных пород может состоять из очень твердых минералов, например кварца, а скрепляющий его цемент быть непрочным (например, глинистым). В результате порода в целом будет достаточно рыхлая, хорошо буримая, однако с сильным абразивным воздействием на буровой инструмент.

Обломочные – важнейшие породы, в которых находятся основные месторождения нефти и газа.

Глины – это породы, которые на 50 и более процентов состоят из тонкодисперсного (менее 0,01 мм) материала и особых групп глинистых минералов – в основном, каолина, монтмориллонита и гидрослюд. Важная особенность глин - их способность размокать в воде и делаться пластичными, что связано с размером частиц и со строением кристаллической решетки глинистых минералов. Они либо включают воду в кристаллическую решетку, либо притягивают молекулы воды к своей поверхности и «разбухают». Форма их минералов чешуйчатая, что делает глинистые агрегаты анизотропным, имеющими различные свойства вдоль и поперек слоистости.

Глины имеют огромное значение для нефтегазовой геологии как нефтематеринские породы, как породы-флюидоупоры и как материал для приготовления бурового раствора.

Хемогенные породы образуются в результате выпадения солей в осадок. К ним относятся хемогенные известняки, доломиты, каменная соль, гипс и ряд других.Каменную соль, гипс и другие породы, которые выпадают с осадок при испарении водоемов, называют также эвапоритами. В настоящее время условия образования эвапоритов возникают, например, в Аральском море, в заливе Кара-Богаз-Гол. Каменная соль состоит из минерала галита, поэтому толщи каменной слои иногда называют галитовыми.

Органогенные породы образуются в результате деятельности растений и животных. Например, – известняки – ракушечник, коралловый, писчий мел, угли, горючие сланцы. В группе органогенных пород выделяется отдельное семейство – каустобиолиты, к которым относятся и нефть с газом. Подробнее о них будет рассказано ниже. Обычно, наряду с минеральной составляющей, в органогенных породах встречаются многочисленные остатки животных организмов и растений, называемые окаменелостями. Часто органогенные породы (например, коралловый риф) разрушаются под воздействием волн, и их обломки откладываются тут же рядом, образую терригенную известковую породу. Такая порода называется детритусовым известняком.

К породам смешанного состава относятся, например, суглинки, супеси, опоки, мергели – сильно известковистые глины, песчаные и глинистые известняки и т.д.

Сущность осадочного процесса состоит в разрушении пород на возвышенностях, на суше, сносу продуктов их разрушения во впадины, их отложению и уплотнению.

Главным действующим фактором осадочного процесса является вода. Существование на Земле Н₂О в жидкой, твердой и газообразной фазах и постоянный обмен между ними приводят к тому, что Н₂О образует единое динамическое целое – гидросферу, а испаряясь, пронизывает атмосферу. Н₂О, переходя из одной фазы в другую, является главным фактором перераспределения и энергии и вещества. Где берется энергия, обеспечивающая процесс? Практически все процессы на Земле обеспечены солнечной энергией, которой противостоит косная энергия притяжения: если бы не было солнечной энергии, то все движение на Земле прекратилось бы, а если бы не было притяжения, все вещество Земли, получив энергетический импульс, разлетелась бы в космосе. Чтобы шел осадочный процесс, расходуется солнечная энергия. Она идет на разрушение и перенос материала и на образование новых веществ, практически содержащих в себе окаменевшую или сжиженную солнечную энергию – таковы уголь и нефть. Важнейшая тенденция осадочного процесса - разделение, дифференциация вещества и образование гигантских объемов химических веществ, чистых и однородных - например, кварцевого песка, извести, каменной соли и того же каменного угля, состоящего почти целиком из углерода.

3.3. Образование осадочных горных пород