Сесёлкин И.В. Основы геологии и гидрогеологии

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 2. Сравнительная геохимическая характеристика земных и

лунных пород (по В.Ф.Дерпгольцу)

Из химических элементов таблицы Менделеева широкое распро-

странение в земной коре имеют кислород, кремний, железо алюминий,

магний. Содержание остальных элементов составляет всего около 3 %.

Для сравнения, на рисунке 2, показано содержание химических

элементов в нескольких образцах лунных пород, полученных в резуль

тате космических исследований советских и американских учёных. По

предварительным данным наблюдается значительное сходство по со-

ставу пород Луны и Земли, хотя в лунных образцах содержится значи-

тельно больше титана и отсутствует вода.

По данным автоматических станций «Викинг-1» и «Викинг-2» в

породах Марса содержится 15 – 30 % кремния; 12 – 16 % железа. В

этом состоит сходство планеты

Марс с Землёй, однако, в породах Мар-

са меньше алюминия (2 – 7 %), но больше фосфора, хрома, никеля,

ванадия и др. Всё это свидетельствует о единстве состава Земли, Луны

и других планет Солнечной системы.

Возраст Земли, как планеты, оценивается примерно 4,55 ± 0,05

млрд. лет. Таков же возраст метеоритов.

2 Породообразующие минералы и горные породы

2.1 0бшие сведения о минералах

Минералы - это природные химические соединения, приблизи-

тельно однородные по химическому составу и физическим свойствам.

К минералам относятся также самородные элементы, встречаемые в

природе (золото, платина и др.). Изучение минералов входит в задачу

науки минералогии, выделившейся из геологии.

Важным отличительным признаком минералов является их при-

родное происхождение. Вещества, изготовленные в лаборатории,

даже

если они полностью сходны с природными образованиями (искусст-

венные рубины, алмазы), минералами не являются.

Нельзя отнести к минералам природные смолы – янтарь и гагат,

потому что они не имеют кристаллической структуры. Раньше, когда

минералы отличались между собой в основном по составу, ртуть и во-

да признавались минералами. Сейчас минералы различают и

по их

структуре, так что жидкие вещества не могут быть минералами.

Все минералы имеют кристаллическое строение, которое харак-

теризуется закономерным расположение атомов, ионов, молекул в уз-

лах пространственной кристаллической решетки. Это выражается пра-

вильной внешней формой минералов. В настоящее время известно

около 4000 минералов, однако, из них только несколько десятков ши-

роко встречаются в земной коре и участвуют в образовании горных

пород. Минералы образуются непосредственно в земной коре, в вод-

ной среде, на поверхности земли, в результате различных физико-

химических процессов.

По происхождению минералы делятся на эндогенные и экзоген-

ные. Минералы, образованные внутри Земли при высоких температу-

рах и давлении, называются эндогенными

; образующиеся на поверх-

ности Земли - экзогенными. Эндогенные минералы бывают магмати-

ческого и метаморфического происхождения, экзогенные образуются

путем выветривания или имеют осадочное происхождение.

Эндогенные минералы магматического происхождения образова-

лись следующим образом. В результате физико-химических и радиоак-

тивных процессов в верхней мантии и самой коре возникают очаги

раствора-расплава горных пород, называемого магмой. Магма под

большим давлением устремляется к поверхности Земли по разломам и

трещинам в земной коре, раздвигая слои горных пород и застывая на

различных глубинах. Застывание магмы сопровождается дифферен-

циацией на составные части (по плотности), при этом происходит об-

разование минералов.

Эндогенные минералы метаморфического происхождения обра

зуются в результате глубокого преобразования ранее сформировав-

шихся минералов и горных пород вследствие изменения физико-

химических условий под влиянием высоких температур, давления и

воздействия химически активных компонентов. Такие преобразования

происходят в горных породах как при их погружении на большую глу-

бину во время движения земной коры (землетрясений), так и на

грани-

це между осадочной породой и внедрившимся в неё магматическим

телом.

Экзогенные минералы образуются в результате выветривания.

Минералы и горные породы, образовавшиеся на различных глубинах в

земной коре в результате магматических процессов, попадая на по-

верхность Земли под действием воды, ветра, воздуха, солнца, смены

температур, деятельности живых организмов и химических

процессов

разрушаются и претерпевают изменения. Этот процесс называется вы-

ветриванием. В результате выветривания образуются новые минералы,

устойчивые на поверхности Земли. Часть продуктов выветривания за-

хватывается поверхностными водами и приносится в крупные водоёмы

(озёра, моря, океаны), где происходит их отложение. Некоторые мор-

ские организмы содержат те или иные элементы (кальций, кремний,

фосфор и др.). Накопление на дне их скелетов приводит к образованию

биогенных осадков, которые, кристаллизуясь, образуют минералы оса-

дочного происхождения.

2. 2 Классификация минералов

Первые классификации, в которых учитывались физические

свойства минералов, содержатся в трудах выдающихся мыслителей

средневекового Востока: аль-Бируни и Ибн Сины (Авиценны). Ави-

ценна разделял минералы по их свойствам на камни и земли, металлы,

горючие ископаемые и соли. В Европе сведения по минералогии и

рудному делу были обобщены в XVI столетии немецким учёным

Геор-

гом Бауэром (Агриколой).

В настоящее время минералы классифицируются по химическо-

му составу, происхождению, структурным особенностям и т. п. Наибо-

лее целесообразна классификация минералов по химическому составу,

согласно которой выделяют:

- самородные элементы (графит, золото, серебро, сера и др.);

- сульфиды (пирит, киноварь, халькопирит, галенит и др.);

- сульфаты (гипс, мирабилит и др.);

- галоиды (галит,

сильвинит, флюорит, карналлит);

- силикаты и алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, глинистые

минералы, асбест, тальк и др.);

- оксиды и гидроксиды (кварц, корунд, магнетит, бурый железняк

и др.);

- карбонаты (кальцит, доломит, сидерит, и др.);

- фосфаты (апатит, вивианит фосфорнокислые соли железа).

Содержание главнейших минералов в земной коре характеризу-

ется следующими ориентировочными цифрами (% по

массе): силика-

ты - 75; оксиды – 17; карбонаты - 1,7; сульфиды – 0,4; галоиды – 0,5;

самородные элементы – 0,1. Наиболее распространены: полевые шпа-

ты, составляющие по объёму до 60 % магматических и 30 % метамор-

фических пород.

Чтобы определять минералы по внешним признакам необходимо

знать физические свойства каждого минерала, это: форма, цвет, про-

зрачность, блеск, спайность, излом, твердость, плотность. Если визу-

ально нельзя определить

минерал, то проводят, спектральный анализ,

в особо сложных случаях применяют люминесцентный, ренгенострук-

турный, электронно-микроскопический и другие методы анализа.

Ниже приведено описание наиболее часто встречающихся мине-

ралов.

Один из самых распространённых породообразующих минера-

лов – кварц (SiO

). Цвет самый разнообразный: бесцветный (горный

хрусталь), фиолетовый (аметист), золотистый (цитрин), чёрный (мо-

рион) и др.

Полевые шпаты слагают около 50 % массы земной коры, отно-

сятся к группе каркасных алюмосиликатов. Различают натриево-

кальциевые разновидности полевых шпатов (плагиоклазы) и щелоч-

ные (ортоклаз, микроклин и др.)

Пироксены – группа минералов, в структуре которых присутст-

вуют

цепочки силикатных тетраэдров – являются главными породо-

образующими минералами основных, ультраосновных изверженных

горных пород.

Роговые обманки – породообразующие минералы, относятся к

семейству амфиболов, входят в состав многих глубинных магматиче-

ских и метаморфических пород. Представляют собой тёмно-зелёные

(до черного) удлинённые кристаллы, сплошной зернистой массы.

Слюды – группа листовых алюмосиликатов, наиболее распро-

странённые из которых: биотит, флогопит и мусковит. Всем

слюдам

свойственны небольшая твёрдость и весьма совершенная спайность:

пальцами их кристаллы можно расщепить на зеркально-гладкие пла-

стинки. Слюды чаще всего встречаются в виде мелких чешуек в раз-

нообразных горных породах, их можно наблюдать на сколе гранита.

Есть и целые породы, сложенные пластинками слюд – слюдяные

сланцы.

2. 3 Классификация горных пород

Горными породами называются природные агрегаты минералов

более или менее постоянно состава, образовавшиеся в результате гео-

логических процессов и слагающие земную кору. Горные породы об-

разуют в земной коре определённые тела (формы залегания) - пласты,

слои, жилы, потоки и т. д.

Современная классификация горных пород основана на их хими-

ческом и минеральном

составе, а также на условиях образования. При-

нято выделять три основных типа горных пород: магматические или

изверженные, осадочные и метаморфические.

Магматические породы образовались в результате остывания

магмы – силикатного расплава, содержащего различные газы и водя-

ной пар. В недрах земной коры магма имеет температуру 1000 – 1300

ºС. По трещинам-разломам магма выталкивается к

земной поверхности

давлением содержащихся в ней газов и вмещающих пород. Она дви-

жется по системе каналов, состоящей из вертикальных и горизонталь-

ных трещин и узлов их пересечения. Но на большой глубине давление

препятствует раскрытию трещин, поэтому большая часть магмы не

может пробиться наверх и застывает почти на той же глубине, где

образовалась. При излиянии на поверхность магма теряет летучие ве-

щества и в таком виде называется лавой.

Осадочные породы образуются на земной поверхности в услови-

ях относительно низких температур и давлений, в результате разруше-

ния других пород, жизнедеятельности организмов и выделения из

водной или воздушной среды.

Метаморфические породы образуются на значительной глубине

в толще земной коры в результате глубокого преобразования магмати-

ческих и осадочных пород.

Магматические и метаморфические горные породы составляют

около 90% объёма земной коры. Несмотря на то, что на долю осадоч-

ных горных пород

приходится 10% объема земной коры, они занимают

75% площади земной поверхности, так как слагают верхнюю часть

земной коры.

Горные породы всех трёх групп различаются по совокупности их

свойств: минеральному составу, цвету, структуре и текстуре.

Каждая горная порода характеризуется определённым минераль-

ным составом. Горная порода может состоять из одного минерала (ка-

менная соль

, известняк) или нескольких минералов (гранит, песчаник).

В горной породе различают главные породообразующие минералы и

второстепенные (акцессорные), слагающие менее 5 % её объёма.

Цвет породы зависит от её минерального состава, т.е. от цвета

входящих в породу минералов и рассеянных в неё примесей.

Под структурой понимают особенность внутреннего строения

горной породы, обусловленную степенью

кристаллизации её вещества,

размерами, формой и взаимным расположением минеральных зерен

(например: зернистая, обломочная, оолитовая).

Текстура (сложение) породы – это совокупность признаков её

внешнего строения, определяемая характером размещения минераль-

ных зерен, их ориентировкой и окраской (например: слоистая, массив-

ная, полосчатая).

2. 3. 1 Магматические горные породы

Магматические горные породы по условиям образования подраз-

деляются на два типа: интрузивные - застывшие в толще земной коры

среди других горных пород и эффузивные - застывшие на земной по-

верхности в результате излияния магмы при вулканических изверже-

ниях. Эти породы различаются структурой и текстурой. Интрузивные

породы застывают на больших глубинах в условиях высоких

темпера-

тур и давлений, поэтому обладают полнокристаллической и крупно-

зернистой структурой. По относительному размеру минеральных зерен

интрузивные породы имеют равномерно-зернистые структуры. Эффу-

зивные горные породы вследствие быстрого остывания в поверхност-

ных условиях не успевают полностью кристолизоваться и поэтому

имеют неполнокристаллические и стекловатые структуры, а по абсо-

лютному и относительному размеру минеральных зерён - тонкозерни-

стые и мелкозернистые структуры.

Некоторые эффузивные породы проходят две стадии кристалли-

зации. Первая стадия соответствует времени подъёма силикатного рас-

плава

вверх, к поверхности Земли, при этом в расплаве зарождаются

отдельные минералы в виде кристаллов, которые находятся во взве-

шенном состоянии и медленно растут при движении расплава вверх.

Вторая стадия протекает после достижения расплавом земной поверх-

ности и характеризуется быстрым его застыванием с образованием

мелких кристаллов или стекловатой массы.

Таким образом,

на фоне мелкокристаллической или стекловатой

структуры основной массы, образовавшейся на второй стадии кри-

сталлизации, выделяются более крупные кристаллы, сформировавшие-

ся на первой стадии кристаллизации. Эти кристаллы называют порфи-

ровыми выделениями, а структуру всей породы – порфировидной.

Порфировидную структуру могут иметь и интрузивные горные поро-

ды, застывшие на небольших глубинах (гранит-порфиры).

магматических горных пород различат следующие текстуры:

массивную, пятнистую, пузырчатую, миндалекаменную, флюидаль-

ную, полосчатую и др.

Массивная текстура характерна для однородных пород – ею об-

ладают равномернозернистые интрузивные породы, а также бесструк-

турные вулканические стёкла. Пятнистую текстуру имеют породы с

неправильным чередованием светлых и тёмных минералов, пузырча-

тую – породы с наличием пустот

, которые образуются пузырьками

газов. Если пустоты заполнены вторичными минералами (например,

такими как опал, халцедон, кальцит), то текстура породы называется

миндалекаменной. Пузырчатую и миндалекаменную текстуру имеют

вулканические (эффузивные) породы. Иногда в породах, образовав-

шихся путём застывания излившейся магмы, видны следы течения в

виде неровных полосок застывшего стекла – текстуру таких пород на-

зывают флюидальной. Полосчатая текстура часто наблюдается в ру-

дах и характеризуется чередованием относительно тонких полос, раз-

личающихся по минеральному составу, цвету, крупности.

Рис. 3. Формы залегания интрузивных тел:

а) – батолит; б) – лакколит; в) – силлы; г) - дайка

Внедряясь в земную кору, магма после застывания образует раз-

личной формы тела – глубинные (батолиты, штоки), полуглубинные

(лакколиты, пластовые и трещинные интрузии) и поверхностные (по-

кровы, потоки).

Батолиты – интрузивные тела больших размеров как по площади

(сотни тысяч

квадратных километров), так и по глубине. Штоки пред-

ставляют собой тела неправильной формы, более простые и меньшего

размера, чем батолиты (площадью не более 100 км

). Лакколиты –

грибообразные или караваеобразные интрузии с выпуклой кровлей и

приблизительно горизонтальной подошвой. Пластовые интрузивные

залежи – силлы – образуются при внедрении магмы между слоями

вмещающих пород. К трещинным интрузиям относятся секущие (т.е.

прорывающие вмещающие породы) тела – дайки и жилы.

Дайка – пластинообразное геологическое тело, ограниченное па-

раллельными плоскостями и секущее вмещающие

породы. Жила –

протяжённое в двух направлениях геологическое тело, образовавшееся

в результате заполнения трещины минеральным веществом. Основные

формы залегания интрузивных тел показаны на рисунке 3.

Эффузивные породы имеют следующие формы залегания: покро-

вы, потоки, некки, вулканические конусы, соммы (рис. 4). Покровы –

это масса застывшей лавы (излившегося на поверхность раствора-

расплава горных пород), распространённая во

все стороны и зани-

мающая большие площади.

Рис. 4. Формы залегания эффузивных пород:

а – покров; б – поток; в – некк; г- конус; д - сомма

Потоки – форма распространения лавы по поверхности, характе-

ризующаяся значительной длиной (до 100 и более км) и относительно

небольшой шириной. Некки – столбообразные тела, образующиеся

при заполнении жерл вулканов застывшей лавой и другими продукта-

ми вулканического извержения

Вулканические конусы – образования, возникшие в результате

накопления продуктов вулканического извержения (застывшей лавы,

пепла, шлака и т.д.) вокруг жерла; вершина конуса обычно срезается и

в неё находится чашеобразное углубление – кратер.

Соммы – представляют собой гребнеобразную часть наиболее

древнего вулкана, частично или полностью окаймляющую новый вул-

кан и отделенную от него кольцевой

долиной.

Магматические породы классифицируются по минеральному и

химическому составу. В основу этой классификации положено про-

центное содержание в породе окиси кремния. По содержанию SiO

изверженные породы делятся на:

- кислые (65 - 75%) - гранит, гранит-порфир, дацит и др.;

- средние (52 - 65%) - сиениты, диориты, андезиты;

- основные (40 - 52%) - габбро, диабазы, базальты;

- ультраосновные (SiO

< 40%) - дуниты, кимберлиты и др.

В классификацию магматических пород не включены породы

сложенные вулканическим стеклом – обсидианы, пемзы. По химиче-

скому составу они могут быть кислыми, средними и основными, но

классифицировать из можно только после химического анализа.

Кислым породам свойственны минералы со светлой окраской,

такие как кварц, ортоклаз, альбит; в основных породах преобладают

цветные материалы – авгит, роговая

обманка. В ультраосновных по-

родах отсутствует кварц и полевые шпаты.

Ниже приводится описание наиболее распространённых магма-

тических пород.

К кислым изверженным породам относятся гранит, гранит-

порфир, липарит, дацит.

Граниты представляют собой полнокристаллическую горную

породу, состоящую из довольно крупных зерен кварца, полевых шпа-

тов и слюды. Окрашены в разные цвета – серый,

белый, желтоватый,

красный, зеленоватый.

Гранит-порфиры имеют такой же состав, но отличаются от гра-

нитов порфировидной структурой: на фоне равномерно-зернистой

полнокристаллической массы выделяются более крупные кристаллы

кварца, ортоклаза, плагиоклаза.

Липариты – это застывшая магма гранитного состава, излив-

шаяся в виде лавового потока из жерла вулкана. Липариты имеют та-

кой же химический

состав, что и граниты, но сильно отличаются от

последних по внешнему виду. Это мелкокристаллическая горная по-

рода светло-серого цвета, в которую вкраплены крупные, идеально

огранённые кристаллы кварца и полевых шпатов.

Дацит – кислая эффузивная горная порода, состоящая из тонко-

зернистой или стекловатой основной массы и вкрапления плагиоклаза,

кварца, роговой обманки

и т.д.

К средним породам относятся интрузивные сиениты, диориты и

др., а также эффузивные породы – андезиты. Все они характеризуют-

ся серой окраской и отсутствием или малым содержанием кварца.

Средние интрузивные породы имеют полнокристаллическую равно-

мерно-зернистую или порфировидную структуру и массивную пятни-

стую, реже полосчатую текстуру.

Сиениты – имеют светло-

серую и розовато-серую окраску; сло-

жены полевыми шпатами и цветными минералами – пироксеном, ро-

говой обманкой и др.