г \ я 2 - Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ Кафедра «Горные работы» Н.Н.Поликарпова ОБЩАЯ ГЕОЛОГИЯ Учебно-методическое пособие для студентов заочной формы обучения по специальности «Горный инженер» М и н с к 2 0 0 1 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ Кафедра «Горные работы» Н,Н.Поликарпова ОБЩАЯ ГЕОЛОГИЯ Учебно-методическое пособие для студентов заочной формы обучения по специальности «Горный инженер» М и н с к 2001 УДК 5 5 Н М ^ Поликарпова Н.Н. Общая геология: Учебно-метод. пособие для студ. заочной формы обучения по специальности «Горный инженер». - Мн.: БГПА, 2001. -71 с. Учебно-методическое пособие предназначено для студентов заочной формы обучения по специальности «Горный инженер». В пособии представлены основные разделы, входящие в курс «Общей геоло- гии». Цель пособия - обозначить главные понятия, определения, которыми опе- рирует геология, а также изложить задачи науки и охарактеризовать объекты ее изучения. В пособии приведены простейшие методики определения минералов и горных пород и их квалификация. Пособие дает представление по основным темам, но в связи с ограниченно- стью объема не претендует на полноту изложения и не может служить заменой учебнику. Рецензент П.Е.Антонов © Поликарпова Н.Н., 2001 В в е д е н и е Геология (греч. "гео" - Земля, "логос" - учение) изучает строе- ние, состав, происхождение и развитие Земли. Основной задачей явлйется изучение наружной каменной оболочки планеты - земной коры и взаимо- действующих с ней внешних и внутренних оболочек Земли. Объектами изучения геологии являются минералы, горные породы, ис- копаемые органические остатки и геологические процессы. Минералами на- зывают природные химические соединения, однородные по составу и строе- нию, образовавшиеся в результате естественных физико-химических про- цессов. Горные породы - это природные устойчивые ассоциации минералов, сформировавшиеся в результате определенных геологических процессов и образующие в земной коре самостоятельные геологические тела. По проис- хождению выделяют три типа горных пород: магматические, или извержен- ные, возникшие при остывании магмы (огненно-жидкого силикатного расп- лава); осадочные, образовавшиеся при механической, химической или био- химической переработке вещества земной коры в поверхностных условиях; метаморфические, которые формируются в процессе преобразования любых первичных пород в недрах Земли под действием высоких температур, дав- ления и химически активных веществ. Ископаемые органические остатки позволяют определить возраст и условия образования горных пород, в ко- торых они обнаруживаются. Процессы, меняющие состав, строение земной коры и рельеф земной поверхности, называются геологическими. По источнику энергии, месту и условиям протекания геологические процессы разделяются на экзогенные (т .е . извне рожденные) и эндогенные (т .е . внутри рожденные). Экзоген- ные геологические процеосы протекают под воздействием солнечной энер- гии на поверхности Земли. Они выражаются в изменении (выветривании) горных пород, разрушении и переносе продуктов разрушения водными и воздушными массами, осаждении и накоплении продуктов разрушения. Эн- догенные геологические процессы развиваются благодаря внутренней энер- гии Земли. К ним относятся тектонические процессы, объединяющие мед- ленные (вековые) колебательные движения земной коры, и быстро протека- ющие дислокационные: магматизм - образование в недрах Земли огнен- но-жидких расплавов, их движение и остывание; метаморфизм - процесс перерождения горных пород на больших глубинах под действием высоких температур, давлений и химически активных веществ. В геологии применяются прямые, косвенные, экспериментальные и ма- 3 тематические метода- Основным методом геологических исследований явля- ется геологическая съемка и картирование. В процессе геологической съемки оценка состава и строения земной коры производится путем изуче- ния естественных обнажений (обрывы рек, ' оврагов, склоны гор) , искус- ственных горных выработок (канавы, шурфы, карьеры, шахты) и буровых скважин (наиболее глубокой является Кольская скважина - более 12 км). Максимальная глубина, достигнутая горными выработками, около 4 км. Среди наук геологического цикла выделяются дисциплины, изучающие вещественный состав земной коры, ее строение, геологические процессы и их историческую последовательность, а также прикладные науки. Вещество земной коры изучают следующие дисциплины. Геохимия - наука о распреде- лении и процессах миграции химических элементов в земной коре и в Зем- ле в целом. Кристаллография изучает внутреннее кристаллическое строе- ние минералов. Минералогия занимается изучением состава, условий обра- зования и закономерностей распространения минералов. Изучению горных пород посвящены петрография (греч. "петрос" - камень) и литология (учение об осадочных горных породах). Современное строение и происхождение рельефа земной поверхности изучает геоморфология; развитие и строение земной коры - геотектоника (греч. "тектоника" - строительство), формы залегания горных пород - структурная геология. Общие закономерности и последовательность процессов формирования земной коры изучает историческая геология. Историю земной коры иссле- дует также стратиграфия (лат. "стратум" - слой), рассматривающая пос- ледовательность образования и заложения слоистых толщ горных пород, и палеонтология (греч. "палеос" - древний, "онтос" - существо), изучаю- щая развитие органического мира прошлых геологических эпох. Динамическая геология - наука о геологических процессах, включает в качестве разделов сейсмологию - науку о землетрясениях и вулканоло- гию. Вопросами геологического строения и развития отдельных регионов земной коры занимается региональная геология. К геологическим прикладным наукам относятся учение о месторожде- ниях полезных ископаемых, их поиске и разведке; гидрогеология - наука о происхождении, составе, условиях залегания и движении подземных вод; инженерная геология - наука о геологических, условиях возведения и экс- плуатации инженерных сооружений; горнопромышленная геология изучает геологическое обеспечение горного производства при проектировании, строительстве, эксплуатации и ликвидации горных предприятий. 4 Науки геологического цикла играют большую роль в общенаучном и народнохозяйственном аспектах. От них зависит решение задач обеспече- ния минерально-сырьевыми ресурсами, в том числе водными, а также обос- нование строительства различных инженерных объектов. Особенно велико значение геологии для горной науки и промышленности. В овязи со значи- тельным исчерпанием полезных ископаемых в приповерхностных частях зем- ной коры ведущей задачей становится детальное изучение более глубоких зон на основе глубинной комплексной геологической съемки, картирования и разведки. Актуальная проблема комплексного использования полезных ископаемых решается на основе глубокого изучения вещественного состава месторождений. Внедрение новых методов добычи полезных ископаемых, к которым от- носятся подземное выщелачивание руд (урана, меди, золота), калийных и каменных солей, подземная выплавка серы и подземная газификация углей, добыча полезных ископаемых со дна морей и океанов, невозможно без всестороннего геологического изучения разрабатываемых объектов. Поскольку процесс добычи минерального сырья выступает как мощней- ший техногенный фактор воздействия на зеьшую кору, сопоставимый с гео- логическими процессами, на первый план выдвигается наука об охране и рациональном использовании недр. 1. ОШИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗЕМЛЕ Земля - внутренняя планета Солнечной системы - характеризуется наличием хорошо развитых атмосферы, гидросферы и внутренних оболочек. Характер движения Земли в Солнечной системе влияет на количество сол- нечного тепла, получаемого различными участками планеты. Скорость вра- щения Земли меняется в течение года и периодически в многолетнем цик- ле. Ось вращения находится под углом 66°33' и этот наклон с периодом 19 лет меняется. Такое раскачивание оси называется нутацией. Под фигурой или формой Земли принимается форма ее твердого тела, образованная поверхностью материков и дном морей и океанов. Геодези- ческие измерения показали, что упрощенная форма Земли приближается к эллипсоиду вращения (сфероиду). Полярный радиус (R„) равен 6356,8 км , экваториальный (R3) - 6378,2 км. Детальные измерения показали, что Земля имеет более сложную фигуру, свойственную только ей, которая по- лучила название геоида. Поверхность геоида получают мысленным продол- жением поверхности Мирового океана (уровенной поверхности) под конти- 5 ненты. Уровенная поверхность геоида принимается за базовую при отсчете высот в топографии, геодезии, маркшейдерии. Геоид и сфероид не совпа- дают, и расхождение между положением их поверхностей достигает + 160 м. По последним данным, Земля имеет грушевидную форму кардиоидального (т .е . сердцевидного) трехосного эллипсоида или кардиоида. Южный псшос расположен на 242 м ближе.к экватору, чем северный. Масса Земли составляет 5,977-1021 т , объем - 1,083 млрд.км3, пло- щадь - 510 млн.км2, средняя плотность - 5,517 г/см3 . Реальная поверхность твердого тела Земли имеет более сложные очертания, чем геоид, поскольку она находится под влиянием геологичес- ких процессов. Большая часть поверхности планеты - 70,8% покрыта во- дой, остальная часть - 29,2Х приходится на сушу. Мировой океан разде- лен материками на четыре океана: Тихий, Атлантический, Индийский и Се- верный Ледовитый. Суша образована шестью материками - Евразиатским, Североамериканским, Южноамериканским, Африканским, Австралийским, Ан- тарктическим и океаническими островами. Высочайшая отметка суши - 8848 м - гора Джомолунгма в Гималаях, наиболее низкая - 11022 м - Ма- рианская впадина в Тихом океане. Средняя высота материков 875 м. Высо- когорные участки, образующие линейно-вытянутые горные хребты и пояса, приурочены обычно к краевым частям континентов. Выделяют два меридио- нальных (Восточно- и Западно-Тихоокеанский) горных пояса и один широт- ный (Средиземноморский). Ровные участки суши о отметками в среднем 200 м называются равнинами. Они занимают около 2D7. суши. Возвышенные (до 1000 м) холмистые участки суши, называемые плоскогорьями, занимают 53% суши. ..Средняя глубина океана 3800 м. В строении океанического дна выде- ляют: шельф до глубины 200 м (5,5Х), континентальный склон до глубины 3000 м (34.7Х), доже Мирового океана, глубоководные впадины или жело- ба глубиной до 11 км и орединные океанические хребты. Выделяются два типа сочленения материков с океанами. Тихоокеанс- кий тип характеризуется резким переходом краевых высокогорных сооруже- ний через узкую полосу шельфа к глубоководным океаническим впадинам. Атлантический тип, характерный для побережий Атлантического, Индийско- го и Северного Ледовитого океанов, отличается постепенным погружением равнинной суши под уровень океана с образованием широкой шельфовой по- лосы. 6 1.1. Строение Земли Земля как планета характеризуется оболочечным строением с цент- ральной симметрией. Оболочки Земли или геосферы различаются составом, физическими свойствами, состоянием вещества и подразделяются на внеш- ние и внутренние. Внешние оболочки - атмосфера, гидросфера и биосфера составляют характерную особенность строения Земли и играют важную роль в формировании и развитии земной коры. Эти оболочки находятся во взаи- модействии между собой и с твердыми оболочками Земли. Атмосфера - газообразная оболочка Земли с массой Б, 15.10%. Боль- шая часть маооы атмосферы (90%) сосредоточена в слое до высоты 16 км, выше 100 км находится одна миллионная часть массы атмосферного возду- ха. Атмосферу подразделяют на три горизонта: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Важной особенностью стратосферы является наличие озонового слоя. Главные компоненты атмосферы - азот, кислород, аргон, углекисло- та составляют 99,99Х сухого воздуха. В состав атмосферы входят также водород, озон и инертные газы. Особое место занимают мелкие коллоидные частицы - пыль различного происхождения и техногенные соединения: SO , N0 , NH и др. Атмосферная влага образуется путем естественной дистил- ляции - испарения воды с поверхности Земли. Воздушные массы атмосферы находятся в постоянном движении под воздействием неравномерного нагревания поверхности Земли и сил Корио- лиса. В результате возникают периодически дующие ветры (бризы, муссо- ны, пассаты), циклоны и антициклоны, а также постоянные потоки возду- ха. Воздушные потоки переносят влагу, пыль и существенно влияют на температуру различных областей поверхности Земли. Климатотрофная функ- ция атмосферы связана с многообразием явлений, происходящих в тропосфе- ре. В зависимости от влажности и температурных условий различают кли- маты: гумидный - влажный, с умеренной или высокой температурой, свойс- твенный тропическим зонам и прилегающим областям; аридный - сухой жар- кий климат пустынь и сухих степей; нивальный - влажный и холодный кли- мат полярных и высокогорных областей. Кроме того выделяют умерен- но- влажный и тропический типы климата. Гидросфера. Верхняя граница гидросферы определяется уровнем по- верхности открытых водоемов. Нижняя граница неопределенная,предполага- ется, что она соответствует температурному уровню 374°С (критическая температура воды), при котором вся вода переходит в газообразное сос- тояние. В составе гидросферы выделяют три основных типа природных вод, 7 обладающих различным составом и различными физическими свойствами. Это океаносфера (воды морей и океанов), воды суши и ледники. Промежуточное положение занимают подземные воды, сосредоточенные в земной коре. Об- щая масса гидросферы 1644'1015т,что составляет около 0,025% общей мас- сы Земли. Количество океанических вод - 1370 млн.км3 (86,5%), вод суши - 0,5 млн.км3, объем материковых льдов - около 22 млн.км3, подземных вод - 196 млн.км3. Все вода тлрооферы в тсй или иней мэре минерализова- ны и могут рассматриваться как природные растворы. Воды океана содер- жат в среднем 36 г солей на 1 л (3,5%). В составе морской воды катионы Na+, M g £ \ Ca z +, !С, Sr*"1" и анионы С Г , S04Z~, НС03", С032~, Rr~, F~ , НВОз" составляют 95,8% массы растворенных веществ. Большая часть вод суши образуется за счет атмосферных осадков и отличается минимальной минерализацией. Под влиянием солнечной радиации воды гидросферы находятся в неп- рерывном кругообороте, в процессе которого в единую систему связывают- ся все воды, а также осуществляется связь природных вод с атмосферой, земной торой и живым веществом планеты. Биосфера. Это сфера обитания живых организмов. Она включает в се- бя всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы (ниже озонового экрана). Живое вещество Земли по своей массе (2 ,4 - 10 l z r ) составляет ничтож- ную долю по сравнению с другими оболочками планеты. Но по своему воз- действию на окружающую среду оно стоит на первом месте. Основу живого вещества составляет углерод. Кроме углерода широко распространены в живой природе кислород, водород, азот и сера. Осталь- ные элементы встречаются в относительно небольших количествах. Основ- ная масса живого вещества представлена зелеными растениями, главной функцией которых является фотосинтез - процесс поглощения солнечной энергии и консервации ее в виде химических связей органических соеди- нений, происходящий с поглощением углекислого газа и выделением кисло- рода. В планетарном масштабе в реакциях фотосинтеза живым веществом биосферы ежегодно усваивается 3,65-10 , ,т углекислоты и 1 ,5 -ю"т воды и выделяется 266 млрд.т свободного кислорода. Главным генератором сво- бодного кислорода является биомасса Мирового океана. При гибели оргзнизмов происходит процесс разложения органического вещества с участием многочисленных бактериальных и грибковых организ- мов. Этот процесс находится в динамическом равновесии с фстоскнтегом, поэтому общее количество биомассы на Земле постоянно. 8 Фотосинтез вовлекает в кругооборот огромные массы вещеотва Земли и является регулятором поверхностных геохимических процессов - факто- ром, определяющим наличие свободной энергии внешних оболочек планеты. 1.2. Внутренние геосферы В твердом теле Земли выделяют три оболочки: центральную - ядро, промежуточную - мантию и наружную - земную кору. Сейсмическими иссле- дованиями выделены поверхности раздела, отделяющие друг от друга внут- ренние геосферы и неоднородности в их пределах. Разделы 1-го порядка определяются резкими скачками в скоростях распространения сейсмических волн и фиксируют границы между главными оболочками Земли - корой и мантией (раздел Мохоровича), мантией и ядром (раздел Вихерта-Гутенбер- га) . Разделы 2-го порядка отмечают внутренние неоднородности в преде- лах коры, мантии, ядра. Они соответствуют уровню, на котором меняется производная сейсмических скоростей, т .е . скорость нарастания этих ско- ростей с глубиной. В настоящее время наиболее совершенной моделью строения Земли считается модель Гутенберга-Буллена (рис. 1). Корч Конпввяг I Оксан 6 км 30-40 КМ 1 А ^ м а М Н Я б Ш / Ж Ш Ш М " » * Граница' 1 Мохоровича \ 2900 км Граница Вихерта- Гутенберга *49!0 хм 5120 км В^лрвннее ядро 6Т70 Рис. 1. Внутреннее строение Земли (модель Гутенберга-Буллена) Ядро. К.Е. Буллен разделил ядро на три зоны: слой Е (2900-4980 км) - внешнее ядро; одой F (4980-5120 км) - переходная зона; слой S (5120-6370 км) - внутреннее ядро. 9 Зона F не имеет четких границ, так как сама является граничной областью между слоями Е и Q. Предполагается, что внешнее ядро является жидким. Внутреннее - твердым. Состав ядра рассматривается как железо-никелевый с примесями кремния и серы. Считается, что три его зоны по составу близки. По пре- обладающим химическим элементам Ni (никель) и Fe (железо) эту оболочку часто называют "нифе". Мантия. В мантии выделяют три зоны: В - верхняя мантия (33-400 км); С - переходная зона (400-1000 км); D - нижняя мантия (1000-2900 км). Масса мантии составляет около 2/3 массы Земли. 0 составе имеются лишь гипотетические предположения. Считается, что мантия состоит иг железо-магнезиальных силикатов Si (кремний) и Mg (магний) и поэтому эту геосферу именуют "сима". Мантия характеризуется наличием верти- кальных и горизонтальных неоднородностей. Установлено, что на глубине, которая в океанах близка к 50 км, а на материках колеблется между 80 и 120 км, начинается слой пониженных сейсмических скоростей, ограничен- ный сверху и снизу средой с большими сейсмическими скоростями. В этом слое упругая волна распространяется как в канале, поэтому слой называ- ется сейсмическим волноводом или астеносферой. Предполагается, что ас- теносфера слагается плаотичным, размягченным веществом. Под материками толщина волновода 100-150 км, под океанами - до глубины 300-400 км. К астеносфере приурочено большинство очагов промежуточных землетрясений. Полагают, что в ней возникают магматические очаги и зарождаются верти- кальные и горизонтальные движения земной коры (тектонические процессы). 1.3. Земная кора Земная кора - это верхняя часть каменной оболочки Земли (литосфе- ры) , сложенная магматическими, метаморфическими и осадочными породами, сфера деятельности магматических и тектонических процессов. За нижнюю гранищ? земной коры принимается раздел Мохоровича. Литосфера - это подвижный поверхностный прочный слой, способный выдерживать напряжения п -ю 'н /м 2 ' . Литосфера рассматривается как тонкая упругая оболочка, плавающая на жидком субстрате и способная изгибаться под действием нагрузок. Литосфера включает в себя земную кору и верх- нюю мантию до кровли астеносферы. 10 Вое схемы отроения земной коры - это модели, построенные на кос- венных данных. Материковая кора. Ее мощность оценивается от 20 до 80 км. Самый верхний осадочный слой коры на континентах характеризуется скоростями продольных сейсмических волн от 2 до Б км/с. Он имеет прерывистое распространение и при средней мощности 3 км местами отсутствует, а иногда достигает 20 км. Этот слой часто называют "стратисфера". Стратисфера (лат. "стратум" - слой) сложена осадочными и вулканоген- но-осадочными породами: глинами и глинистыми сланцами (42%), песчаными (20%), вулканогенными (19%) и карбонатными (19%) породами. Объем по- род, образующих осадочный чехол,более 80 млн.км3. Второй слой, ранее называвшийся "гранитовым", теперь чаще называ- ют гранитово-гнейсовьм. Он состоит на 50% из гранитов, на 40% - из гнейсов и на 10% - из других метаморфических пород. Скорость продоль- ных сейсмических волн составляет в нем 5-6,5 км/с. Мощность слоя ко- леблется от 8 до 25 км, хотя, в некоторых районах (напримзр, на Балтий- ском и Анабарсксм щитах, в центральной части Прикаспийской впадины) он не обнаружен. Третий слой "Оазальтовьй" теперь называют гранулито- базитовьм или нижней карей, так как он слажен главный образом породами гранулитовой фации мзтаморфизш. Скорость продольных сейсмических волн 6-1,6 км/с. Г^заниид между гранито-гнейсовьм и 1ранулито-базитовьм слоями носит название раздела Конрада. Океаническая кора. Верхний осадочный слой этой коры существенно тоньше, чем на материках, и обычно достигает всего несколько сотен метров. Аномальными выглядят лишь океанические желоба, где мощность осадков может быть как существенно выше средней (6,5 км на юго-западе Японии, более 3 км на северных берегах Колумбии), так и очень низкой (осадки практически отсутствуют в желобе вдоль подвижного хребта в центральной части Индийского океана). Гранито-гнейсовый слой в коре океанического типа не обнаружен. Второй олой с характерными скоростями продольных сейсмических волн 5,0-5,5 км/с здесь достигает мощностей 1,0-1,5 км и представлен в ос- новном базальтовыми лавами. Третий слой предположительно состоит из различных основных и ультраосновных пород (габбро, перидотитов, пирок- сенитов). Сейсмические скорости в этом слое 6 , 5 - 7 , 0 к м / с . Некоторые авторы выделяют еще и промежуточные типы коры. Субокеаническая кора развита во внутренних и краевых морях, где глубины не превышают 2 км. Ее строение отличается от строения океани- •11 ческой коры большей мощностью рыхлых осадков (3-6 км и более). Субконтинентадьная кора характерна для окраин материков и остров- ных дуг. От материковой коры она отличается меньшей мощностью. Другой особенностью этого типа коры является наличие постепенного перехода от гранитного слоя к базальтовому. Участки земной коры, различающиеся типом геологического строения, называются структурными элементами. С точки зрения закономерностей пространственного строения океаны и континенты - это структуры I (планетарного) порядка, существенно от- личающиеся геологическим строением и характером развития. В пределах структурных элементов I порядка по особенностям геоло- гического отроения и развития выделяются структуры I I порядка: на ма- териках - платформенные и геосинкдинадьные области, на океанической коре - платформы и срединно-океанические хребты. В свою очередь эти структуры могут быть разделены по особенностям строения на более мел- кие структурные элементы: глобальные, региональные и локальные. Платформы (фр. "плат" - плоский, "форм" - форма) - это обширные тектонически устойчивые области. Они характеризуются средними и устой- чивыми значениями мощности земной коры; горизонтальным или почти гори- зонтальным залеганием осадочных пород; равнинным рельефом. Платформы имеют двухъярусное строение и состоят из более древнего кристалличес- кого фундамента и перекрывающего его осадочного чехла. Республика Бе- ларусь расположена в пределах западной части Восточно-Европейской (Русской) платформы. Области платформ с двухъярусным строением называ- ют плитами. Выходы фундамента на дневную поверхность называют щитами. На Восточно-Европейсксй платформе выделяются Балтийский и Украинский щиты. Геосинклиналями (греч. "гео" - земля, "син" - вместе, "клин" - наклон) называются линейно вытянутые тектонические подвижные зоны. Они характеризуются значительной до 70-80 км мощностью эемной коры и ее резкими колебаниями; нарушенным складчато-разрывным залеганием горных пород и горным рельефом. Примером геосинклиналей служат такие горно- складчатые сооружения, как Урал, Кавказ и др. 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ ЗЕМЛИ Под полем принято понимать область, которая может быть охаракте- ризована какой-либо естественной физической величиной, например силой 12 тяжести, температурой, радиоактивностью и т.д. Такая область получает название, соответствующее этой величине. Физические поля, создаваемые Землей и отдельными изолированными телами, определяются совокупностью присущих каждому физическому объекту свойств. Поэтому на основании изучения характеристик полей можно составить представление о внутрен- нем строении планеты в делом, строении отдельных регионов и некоторых закономерностях развития геологических процессов. Изучение геофизичес- ких полей дает информацию о физических свойствах горных пород. Гравитационное поле. Огромная масса Земли является причиной су- ществования сил притяжения, которые воздействуют на все тела и предме- ты, находящиеся на ее поверхности. Пространство, в пределах которого проявляются силы притяжения Земли, называется полем силы тяжести иди гравитационным полем. Величина силы тяжест выражается в галах (1 гал = • 1 см/с2 ) . Характеристики гравитационного поля измеряются с помощью гравиметров. Среднее значение силы тяжести на поверхности Земли равно 979,7 гал. Вследствие неравномерности распределения масс в земной коре и других причин фактические значения силы тяжести отличаются от теоре- тически рассчитанных. Эти отклонения называют гравитационными аномали- ями. Особенности строения и состава осадочного чехла проявляются в ре- гиональных и локальных аномалиях. Региональные занимают площади в де- сятки и сотни тысяч км и отличаются большой интенсивностью. В пределах региональных аномалий проявляются локальные. Изучение гравитационных полей позволяет выявить особенности строения земной коры, установить границы нефтегазоносных, угленосных и рудоносных зон и областей. Тепловое попе Земли формируется под действием внешних и внут- ренних источников. Температура на поверхности Земли определяется главньм образсм солнечные теплсм, поток которого составляет в сред- нем 3,4• 10"2 Дж/с-см2. 1 Дж = 107 эрг ; 1 кал.= 4,187 Дж. Считается, что поверхность Земли находится в состоянии, близком к тепловому равновесию, и в среднем излучает столько же тепла, сколько получает. Шток тепла меняется по интенсивности и направлению. Темпе- ратурные колебания разного периода проникают на различную глубину. О длиннопериодных вариациях теплового поля Земли свидетельствуют эпохи оледенений. Тепловой поток, генерируемый в недрах Земли, оценивается в ~1025 Дж/год. Температура горных пород с глубиной возрастает. Интенсивность этих изменений характеризуется геотермическим градиентом, среднее зна- 13 чение которого 3,3°С на каждае 100 м погружения. Однако в разных гео- логических структурах этот градиент существенно отличается от 20°С/100 м в молодых горноскладчатых областях до 0, б-1,0°С/100 для древних кристаллических щитов. Геотермическая ступень - обратная ве- личина - изменяется от 10 до 100 м/°С. Значение плотности теплового потока для земной коры принимается равньм 6,03-10"6 Дж/(см2-с) при ко- лебаниях почти от 0 до 58 Дк/ (см2-с). О температурных условиях недр Земли известно крайне мало. Счита- ется, что геотермическая ступень сохраняется до глубины 20 км. Предпо- лагают, что на глубине 100 км температура достигает 1300^0. На глубине 400 км - 1700еС, 2900 км - 3500еС, 5000 км - 5000°С. ": Изучение теплового поля Земли позволяет определить общие геотер- мальные ресурсы Земли, а также прогнозировать условия подземной разра- ботки полезных ископаемых. Магнитное поле. Наиболее простые модели магнитного поля рассмат- ривают Землю как намагниченный с поверхности шар, действие которого часто заменяют действием стержнеобразного магнита (бруска), располо- женного около его центра. Этот магнит смещен примерно на 40 км от центра в сторону Тихого океана и наклонен к оси вращения Земли прибли- зительно на 12°. Магнитное поле Земли характеризуется напряженностью Т. Единицей измерения магнитной напряженности является одна стотысячная доля эрстеда - гамма. Линии напряженности представляют собой силовые линии магнитного поля. Они направлены от южного магнитного полюса к северному. В каждой точке этой линии напряженность является касатель- ной. Наклон этой касательной к соответствующему магнитному меридиану (к сфероидной поверхности Веыш)называется магнитным наклонением J . Очевидно, что на магнитном экваторе J = 0, а на полюсах J = 90°. Ре- альные измерения магнитного наклонения сводятся к измерению угла между горизонтальной плоскостью и наклоном магнитной стрелки. Магнитные по- люса не совпадают о географическими. Поэтому для характеристики маг- нитного поля используют еще одну величину - магнитное склонение Д , которое определяется как угол между географическим и магнитным мериди- анами. Геомагнитное поле непостоянно, оно меняется из года в год, из столетия в столетие, возрастая в одних районах и уменьшаясь в других - вековой ход. Помимо вековых магнитное поле испытывает суточные колеба- ния, связанные с действием ультрафиолетового излучения Солнца. Извест- ны очень резкие колебания продолжительностью от нескольких часов до нескольких суток - магнитные бури. Исследования намагниченности лаво- 14 вых потоков и отдельных минералов позволили установить инверсии маг- нитного поля Земли и перемещения магнитных полюсов. Изучение аномального магнитного поля широко используется для исс- ледования строения земной коры, поисков и разведки полезных ископаемых. Электрическое поде (теллурическое) из всех физических полей пла- неты менее всего изучено. Наиболее сильные, естественные электрические поля Земли формируются системой, вода-порода благодаря процессам, про- текающим на границе твердых и жидких фаз. 3, ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ Земная кора образована различными по составу и происхождению гор- ными породами. Любая горная порода представляет собой естественную ас- социацию минералов. Минералы в свою очередь являются химическими эле- ментами или их природными соединениями. Вещество земной коры в порядке усложнения степени его организации образует такой последовательный ряд: химический элемент-минерал-горная порода-комплекс (формация) горных пород. Изучением химического состава земной коры, закономерностей его изменения в пространстве и времени занимается геохимия. Установлено, что в земной коре присутствует 93 химических элемента (в космосе - 97). Большинство из них являются сложными, т .е . представлены смесью различных изотопов. Проблема распространенности химических элементов в земной коре принадлежит к числу важнейших проблем геохимии и имеет ог- ромное практическое значение, поскольку среднее содержание химического элемента в технически доступных частях Земли относится к числу важней- ших факторов, определяющих его ценность. Поиски, добыча в виде руды и извлечение малораспространенного элемента, как правило, обходятся значительно дороже, чем более распространенного элемента. Расчет сред- него химического состава земной коры связывают с именем американского исследователя Ф.Кларка. Исходя из предположения, что земная кора до глубины 6 км на 95% состоит ив магматических и к з 5Х к г осадочных по- род, он вычислил средние содержания 50 главнейших химических элемен- тов. Изучением распространенности химических элементов в земной коре занимались многие ученые. Наиболее обоснованными и используемыми явля- ются данные, полученные А.П.Виноградовым и Р.Тейлором. Средние содер- жания отдельных элементов в земной коре называются кларками. Различают кларки весовые (массовые), атомные и объемные. Весовые кларки - это 15 средние массовые содержания элементов, выраженные в процентах или в граммах на грамм породы. Атомные кларки выражают процентные количества числа атомов элементов. Объемные кларки показывают, какой объем в про- центах занимает данный элемент. По А.П.Виноградову, в земной коре наиболее распространены следую- щие химические элементы (%): 47,2 0; 2 7 , б 5 ( ; 8 , 3 A l ; 5 ,1 Fe; 3,6 Са; 2,64 Na; 2,6 К; 2,1 Mff; 0,6 T i ; 0,15 Н; 0 ,1 С. Таким образом, из 93 химических элементов, установленных в земной коре, на 11 элементов при- ходится 99,99% массы, а на остальные 82 элемента - 0,01%. Распространенность химических элементов в земной коре крайне не- равномерна и характеризуется большими контрастами. Кларки отдельных элементов изменяютоя от десятков процентов до 10*®% и ниже. Следует отметить, что понятие "распространенность химических эле- ментов" часто не соответствует представлениям об их обычности и ред- кости. Например, такие обычные элементы, как Си, Zn, Pb, имеют кларки, во много раз меньшие, чем считающиеся редкими Zr, V, Y. Причиной тако- го несоответствия является различная способность химических элементов к образованию значительных концентраций в земной коре. Эта способность определяется их химическими свойствами, зависящими от структуры внеш- них электронных оболочек атомов, а также термодинамическими условиями земной коры. Существует целый ряд геохимических классификаций элементов. Г.Ва- шингтон разделил все элементы периодической системы горизонтальной ло- маной линией так, что часть из них оказалась выше, а часть - ниже этой линии. Элементы верхней части таблицы были названы петрогенными (Si , О, Са, К, Na, Me, A l ) . Они слагают основную массу земной коры - масси- вы горных пород и месторождения неметаллических полезных ископаемых. Элементы, находящиеся в нижней части таблицы, было предложено назвать металлогенными. Эти элементы содержатся в земной коре в крайне ограни- ченных количествах и слагают главным образом рудные месторождения (Си, Pb, Zn, Mo и д р . ) . Часть элементов, располагающихся на гра- нице по ломаной линии (Fe, Мп и др . ) , играют в природе двойственную роль: с одной стороны, они участвуют в образовании минералов, входящих в состав горных пород, как петрогенные элементы, с другой - дают ти- пичные соединения тяжелых металлов как металлогенные элементы. Сравнение содержаний химических элементов (в X) в Земле в целом (28,56 0; 14,47 Si ; 1,22 A l ; 37,04 Fe; 11,03 Mff; 1,38 Са; 0,15 К; 0,52 Na) с содержанием их в земной коре позволяет заключить, что пос- 16 ледняя по сравнению с внутренними геосферами резко обогащена такими химическими элементами, как 0, S i , A l , К, Na, Са,и обеднена Fe и Me (а также тяжелыми металлами Ni , Сг, Со). Химический состав земной коры изменяется в течение всего геологи- ческого времени. Согласно расчетам В.И., Вернадского за счет ядерных превращений ежегодно обновляет свой химический состав 10~б- 10/<3 т ве- щества земной коры. Продолжаются процессы миграции химических элемен- тов из одной геосферы в другую. Происходят изменения и за счет поступ- ления метеорного вещества в виде метеоритов и космической пыли. 4 . МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ В настоящее время доминирует представление, что для земной коры фундаментальным является минеральный уровень структурной организации вещества. Минералы в иерархии природных объектов занимают ключевое место между атомным уровнем, представители которого в виде отдельных элементов входят в минералы, и уровнем горных пород, элементами кото- рого выступают сами минералы. Под минералом понимается кристаллическая составная часть горных пород, руд и других агрегатов природного неорганического мира, которая образовалась в результате физико-химических процессов, протекающих в земной коре и в прилегающих к ней оболочках. Минералы в земной коре находятся в виде индивидов, которые предс- тавляют собой физически и химически индивидуализированные кристаллы или зерна. Совокупность минеральных индивидов одинаковой природы (близких по своей конституции) называется минеральным видом. Число ми- неральных индивидов в литосфере не поддается исчислению, количество же минеральных видов составляет всего около 3000. Интересно сопоставить количественные соотношения видов живой и неживой природы: Мир Растений Животных Минералов Извеотно (1988 г , 300000 видов 2000000 видов 3000 видов ) Ежегодно описывается * 5000 новых видов 10000.ровых форм 50 новых видов По характеру химического соединения весь минеральный мир подраз- деляется на 4 типа - гомоатомные, сульфидные, кислородные и галоидные. 17 Внутри этих главных таксономических единиц выделяются классы - по ве- дущему электроотрицательному элементу или радикалу в составе минералов (например, сульфиды, силикаты, карбонаты), а затем подклассы - по ве- дущему структурному мотиву (островные, цепные, слоистые и т . п . ) . Сле- дующие ступени классификации (отделы, группы и т . д . , вплоть до видов) выделяются по степени сложности и особенностям конституции минералов. Кристаллохимическая структура земной коры показана в табл.1. Т а б л и ц а 1 Схема кристаллохимической классификации и распределение минералов по ее основным таксонам Тип Подтип Класс Число минераль- ных видов относи- тельное, % абсолют- ное 1 2 3 4 5 1.Гомоатомные и 3,67 99 близкие к ним соединения 1.Самородные 1,33 36 элементы г.Интерметал- 2,34 63 лиды II.Сульфиды и 16,62 449 аналогичные соединения 1.Сульфнцы 12,99 351 2.Прочие (арсени- 3,63 99 да,- антишнида, шсмутида, теп- луриды и др.) III.Кислородные 75,12 2029 соединения 1.Оксиды и 13,44 363 гидроксиды 1.Оксиды 9,26 250 18 Окончание табл. 1 1 2 3 4 5 г.Гидроксвды 4,18 113 2.0КСОСОЛИ 61,68 1 6 6 6 1.Силикаты 2 5 , 1 4 6 7 9 2.Фосфаты • 18,20 4 9 2 3.Сульфаты 9 , 2 5 2 5 0 4.Бораты 3 , 6 7 9 9 5.Карбонаты 3,41 9 2 б.Вольфраматы 0 , 5 2 14 7.Хроматы 0,41 11 8. Теллуриты 0,41 11 9.Прочие (иодаты, 0 , 6 7 18 нитраты) IV.Галоидные 4 , 5 9 1 2 4 соединения 1 . Хлориды 2 , 6 3 71 2.Фториды 1 , 6 3 4 4 3.Прочие (бромиды, 0,33 9 иодиды) Еоли судить по числу минеральных видов, то на первом месте нахо- дятся кислородные соединения (75,12%), далее следуют сульфиды и родс- твенные им соединения (16,62%), галоиды (4,59%). Среди отмеченных ти- пов наиболее высоки относительные доли следующих кристаллохимических классов - силикатов (25,14%), фосфатов (18,2%), сульфидов (12,99%), оксидов (9,28%), сульфатов (9,25%). Однако, если перейти к массовым характеристикам, то выясняется, что земная кора на 75% сложена силика- тами и на 17% - оксидами и гидроксидами. Иными словами, литосфера явля- ется по своему составу оксидно-силикатной, поскольку содержание всех остальных минеральных видов в земной коре несопоставимо, о массой ок- сидных и силикатных минералов. 19 4.1. Симметрия минерального мира Существование минералов в природе в виде отдельных индивидов обусловлено их главнейшим признаком - кристаллическим строением. Для минерального вещества характерно то, что в основе его структуры нахо- дятся отдельные материальные частицу (атомы и ионы), которые занимают строго определенные места в пространстве, образуя кристаллические ре- шетки. Основная особенность этого трехмерного периодического образова- ния заключается в повторяемости слагающих его элементов - узлов (цент- ров тяжести атомов или ионов), рядов (совокупностей узлов, лежащих на одной прямой) и плоских сеток (совокупностей рядов, лежащих в одной плоскости) (рис.2). Рис.2. Модели кристаллических решеток галита (а) и сфалерита (б) Характерные свойства кристаллических веществ: симметричность, способность самоограняться, однородность и анизотропность. Симметрич- ность является фундаментальным свойством и для пространственных крис- таллических решеток, и для внешнего облика кристаллов минералов. Сим- метричными называются объекты или фигуры, состоящие из закономерно повторяющихся равных частей. Эта закономерная повторяемость выявляется и описывается с помощью элементов симметрии (центра - С, осей - L, плоскостей симметрии - Р) (рис.3). В бесконечных пространственных решетках Е.С. Федоровым было ус- тановлено 230 разных сочетаний элементов симметрии. Для внешнего огра- нения кристаллов возможно только 32 сочетания - вида симметрии (табл.2). Последние объединяются в 7 кристаллических систем - синго- о NaOci 20 ний, которые в порядке повышения степени симметричности образуют сле- дующий ряд: триклинная-моноклинная-ромбическая-тригональная-тетраго- нальная-гексагональная-кубичеокая. Сингонии составляются видами сим- метрии, в которых находятся один или несколько сходных элементов сим- метрии, Так, например, для всех видов симметрии кубической сингонии характерно присутствие нескольких осей симметрии высшего порядка (обя- зательно 4L ) . В гексагональной, тетрагональной и тригональной синго- ниях это одна ось симметрии соответственно 6, 4 или 3-го порядка (табл.2). Сингонии группируются в категории - низшую, среднюю, высшую. Рио.З. Элементы симметрии фигур и многогранников: ^ - действие центра симметрии С; ф - фигура с плоскостью симметрии Р (слева) и без нее (справа); §) - многогранники с осями симметрии L второго, третьего, четвертого и шестого порядков олева направо) 21 (О s ч о ш н PQ о 6* о К & а н а> со В ид си м м ет р и и и н в ер си о н н о - п л ан ал ьн ы й U. см <м f u d —J В ид си м м ет р и и и н в ер си о н н о -j п р и м и ти вн ы й ^ О. <м Hi -Д - 1 t i £ •f •л - J - J В ид си м м ет р и и 1 1 1 я ' S п Я с ж к a i e e e J ' р m in г - «о ЕС «м CJ _ j о со _i j J а , <ы со to J "1 -Г 40 _J _! CJ J J -4 СО В ид си м м ет р и и 1 i м J иэ "> cJ cq <м , J J J J -tf N M ^ ID C« _ j -г « _1 м CO ч В ид си м м ет р и и 1 a . иэ m J а . o , cu a . W CO CD - J _J J _J -ql С ин го ни я Тр ию ш н- на я М он ок ли н- на я Р ом би че с- ка я Тр иг он ал ь- на я Те тр аг о- на ль на я Ге кс аг о- на ль на я Ку би че с- ка я Ка те го - ри и Н иг ш ая С ре дн яя Вы сш ая 22 4.2. КЬнституция минералов Под конституцией минералов понимаются взаимосвяванные между собой их химический состав и структура. Атомы, соединившиеся в соответствую- щую структуру, это и есть минералы - природное химическое вещество и физическое тело. В состав минералов входит большинство химических элементов (за исключением инертных газов и трансурановых элементов). Однако среди них нет химически чистых веществ. В минералах наряду с основными ви- дообразукщими элементами практически всегда находятся так называемые рассеянные (изоморфные) примеси. Для одних минералов количество таких элементов-примесей незначительно, в других - высокие концентрации при- месных элементов. Соответственно выделяют минералы постоянного и пере- менного состава. Если рассеянные элементы замещают в кристаллической решетке минерала видообразующие, то имеет место явление изоморфизма, которое широко развито в минеральном мире. Как было установлено, нет строгого соответствия между кларком элемента и количеством минеральных видов, где он является видообразую- щим. Многие сравнительно слабо распространенные элементы (H,S,Cu,Pb,As,B,U,Sb) оказываются продуктивными видообразователями, тогда как элементы с более высокими кладками (K,C,Ti,Ba,Sr) значитель- но им уступают в этом отношении. Различное значение элементов в мине- ралообразовании определяется их основными свойствами (строением элект- ронных оболочек, электроотрицательностью, валентностью и др . ) , которые являются главными факторами, обуславливающими формирование тех или иных химических типов природных соединений. Существенное значение име- ют также и физико-химические условия процессов минералообразования. Кристаллические структуры минералов характеризуются громадным разнообразием. Благодаря детальным рентгеновским исследованиям среди них выявлены б основных структурных типов (мотивов): координационный, каркасный, кольцевой, островной, цепной, слоистый (рис.4). 23 Рис.4. Типы структурных мотивов в кристаллах минералов на примере силикатов: а * - изолированный кремнекислородный тетраэдр; б) - сдвоенный тет- раэдр; в), г),д) - кольцевой мотив (в) - из трех тетраэдров, г) - из четырех тетраэдров, д ) - из шести тетраэдров); е) - цепочечный мо- тив; ж) - ленточный мотив; з) - листовой мотив; и) - каркасный мотив Выделение этих обобщающих типов кристаллических решеток отражает пространственное распределение прочнейших связей между атомами в структуре минералов. Среди известных минеральных видов основные струк- туры составляют (округленно): островные - 35%, слоистые - 22%, коорди- национные - 18%, цепные - 13%, каркасные - 10%, кольцевые - 2%. Струк- тура минералов, как и их химический состав, зависит от термодинамичес- ких параметров, в соответствии с которыми происходят полиморфные прев- ращения. Под полиморфизмом понимают свойство химических соединений кристаллизоваться в зависимости от тех или иных условий в различных структурных типах. Атомы, ионы или молекулы в кристаллической структуре минералов организованы по законам пространственной, регулярной решетки. Она об- разуется за счет взаимодействия межатомных сил - химических связей: ионной, ковалентной, металлической, смешанных и промежуточных. Атомная структура в значительной степени определяет морфологию и многие свойс- тва минералов. 4.3. Морфология и основные физические свойства минералов В природе минералы встречаются в виде более или менее хорошо образованных кристаллов, разнообразных сростков, оплошных зернистых масс, землистых скоплений, налетов, натеков, корок и др. Форма мине- ральных выделений имеет ряд специфических особенностей, благодаря ко- торым она является их важным диагностическим признаком. При описании кристаллических индивидов прежде всего обращается внимание на развитие разных простых форм. Известно 47 простых кристаллографических форм кристаллов. Чаще всего кристаллы минералов огранены комбинацией из нескольких простых форм (рис.5). Одиночные кристаллы встречаются редко. Чаще всего они образуют закономерные сростки (двойники и др . ) , разнообразные минеральные агре- гаты и тела: зернистые, землистые, секреции, конкреции, друзы, оолиты и др. 25 Рис.5. Важнейшие кристаллографические формы кристаллов минералов а)-маноэдр; б) - пинакоид; в)-е)—призмы: ромбическая; г) - тригональная; д) - тетрагональная; |) - гексагональная; жНс), лЬо) - соответствующие пирамиды и дипирамиды; п) - тригональный скалено- эдр; р) - ромбоэдр; с) - куб; т) - октаэдр; у) - тетраэдр; ф) - ромбо- додекаэдру) - пентагондодекаэдр; ц) - тетрагонтриоктаэдр 26 4.4. Диагностика минералов Диагностируются минералы на основании их физических свойств, в первую очередь по оптическим (цвет минерала и цвет его черты, блеск) и механическим (твердость, спайность) признакам. Цвет минералов очень разнообразен. Очень немногие минералы имеют только один характерный для них цвет (малахит, азурит, пирит), боль- шинство отличается непостоянной, переменчивой окраской (сфалерит, тур- малин, флюорит). Кроме цвета в зернах и кристаллах для диагностики минералов используется цвет его порошка - черты, оставленной 'минералом на шероховатой фарфоровой пластинке. Часто оказывается, что визуально одинаковые минералы имеют разную черту. Блеск минералов зависит от показателя преломления и отражательной способности поверхности. В зависимости от этих характеристик блеск мо- жет быть металлическим и неметаллическим (стеклянным, алмазным, полу- металлическим). Блеск также зависит от характера отражающих поверхнос- тей: для пластинчатых индивидов - перламутровый, для параллельно-во- локнистых агрегатов - шелковистый, для землистых масс - матовый. Под твердостью понимается способность минералов сопротивляться внешнему механическому воздействию. Для практических целей оперативной диагностики минералов их твердость определяется с помощью 10 ЬФмера- лов-эталонов, предложенных для этой цели Ф.Мэоссм. В этой шкале кавдый последующий минерал своим острым концом царапает предыдущий. № пп Минерал Твердость по Моосу абсолютное значение, к г / а / 1 Тальк 1 2,4 2 Гипс 2 36 3 Кальций 3 109 4 Флюорит 4 189 5 Апатит 5 536 6 Микроклин 6 795 7 Кварц 7 1120 8 Топаз 8 1427 9 Корунд 9 2060 10 Алмаз 10 10060 27 Кроме образцов этой шкалы для определения твердости минералов можно пользоваться легкодоступными "эталонами", твердость которых из- вестна в цифрах шкалы Мооса. Ноготь пальца (2,Б), медная монета (3) , стекло (5,5-6) , нож (б). Спайность - способность минералов раскалываться по определенным плоскостям с образованием гладких ровных блестящих поверхностей. Рас- кол происходит параллельно плоским сеткам пространственной решетки, между которыми действуют наиболее слабые силы связи. Для спайности оп- ределяется степень совершенства и простая форма, по которой кристалл раскалывается. По степени совершенства спайность бывает: 1 -весьма совершенной - легко расщепляется руками на пластинки или листочки (слюды, гипс, тальк); 2 - совершенной - кристаллы раскалываются при слабом ударе молот- ком на главные ровные выколки (галит, кальцит); 3 - средней - поверхность скола может быть неровной, поскольку при раскалывании в одинаковой степени образуются как ровные, так и неров- ные сколы (флюорит); 4 -несовершенной и весьма несовершенной - сколы характеризуются только неровной поверхностью или изломом (кварц). При макроскопическом определении минералов используется и ряд до- полнительных свойств: плотность, излом, хрупкость, ковкость, упру- гость, магнитнооть, вкус, горючесть, запах, гигроскопичность, люминес- ценция, а также простейшие химические реакции. 4.5. Условия образования и нахсвдения минералов Минералы являются продуктами природных физико-химических процес- сов и составными частями разнообразных горных пород и месторождений. Условия, в которых они образуются, могут быть подразделены на эндоген- ные и экзогенные. Среди первых это магматогенные и метаморфогенные, среди вторых - седиментогенные и гипергенные. В процессе кристаллизации магм в глубинных магматических очагах либо при вулканических извержениях формируются собственно магматоген- ные минеральные ассоциации. При их остывании и постепенной кристалли- зации в определенной последовательности выделяются вначале наиболее тугоплавкие минералы (хромит, платина), затем породообразующие минера- лы (полевые шпаты, оливин, пироксены, кварц и др.) и наконец остаточ- ные продукты (сульфиды, магнетит). 28 Постмагматические процессы приводят к формированию минералов из газов магматического происхождения (пневмотолиз) и из горячих сущест- венно водных или углекисло-водных раотворов. Типичный пример пневмато- лиза отложения серы, сульфатов, хлоридов на стенках кратеров вулканов. Гидротермальные образования характеризуются чаще всего жильной формой залегания и сложены главным образом кварцем, карбонатами, баритом, флюоритом. Метаморфогенными являются продукты преобразования первичных оса- дочных и магматических пород, подвергшееся воздействию высоких темпе- ратур и давлений. При региональном характере этих явлений формируются сланцы, гнейсы, амфиболиты. Локальное развитие процессов метаморфизма приводит к образованию грейзенов и скарнов, с которыми часто связаны крупные залежи рудных компонентов (магнетита, галенита, сфалерита, халькопирита и др . ) . Седиментогенные минеральные комплексы формируются в гидросфере (реках, озерах, морях). Среди них выделяют терригенные (обломочные), хемогенные и органогенные. Среди терригенных наиболее важны россыпные месторождения (золото, алмазы). Хемогенные осадки выпадают в водных бассейнах за счет выпаривания (карбонаты, сульфаты, хлориды). органо- генные образования оостоят из карбонатного, кремнистого и углеродисто- го материала органического происхождения. К гипергенным минеральным комплексам относятоя разнообразные коры выветривания и зоны окисления рудных месторождений. При поверхностном выветривании кислых интрузивных пород образуются глинистые минералы (каолинит) и бокситы. 4.6. Главные породообразуоиие и руднье минералы и их классификация . Тип - гомоатомные и близкие к ним соединения. К этому типу отно- сится около 100 минеральных видов, из которых 36 относится к подтипу самородных элементов, а остальные к подтипу интерметаллидов (природных металлических сплавов). Самородные элементы представляют собой моноэ- лементные минеральные виды. В виде самородных элементов образуют про- мышленные концентрации особо ценные металлы (золото, серебро, платина) и неметаллы (сера, алмаз, графит). Тип - сернистые соединения и их аналоги. Включает в себя около 450 минеральных видов глагным образом сернистых соединений - сульфи- 29 дов, из которых наиболее распространенными являются сульфиды железа (пирит, пирротин), свинца (галенит), цинка (сфалерит), меди (халькопи- рит), составляющие основу одноименных руд. Тип - кислородные соединения; подтип - оксиды и гидроксиды. К не- му относятся более 400 видов, представляющих соединения металлов и ме- таллоидов с кислородом и гидроксилом. Наиболее распространены оксиды кремния (кварц и минералы его группы слагают около 13Х массы земной коры) и железа (гематит, магнетит), а также гидроксиды железа, марган- ца, алюминия. Многие из минералов данного подтипа являются ценными ру- дами ряда маталлов (Fe,Ti,Mn,Cr); абразивным сырьем (корунд); пьезоэ- лектриками (кварц); ювелирными камнями (рубин, сапфир, аметист). Подтип - оксосоли. К этому подтипу относится подавляющая масса минеральных видов (около 1679), являющихся солями различных кислород- ных кислот (угольной, серной, фосфорной и др. ) . К ним же относятся и силикаты. Именно силикаты составляют около четверти всех известных ми- неральных видов. В основе их структуры находятся кремнекислородные тетраэдры, которые могут быть либо одиночными, либо полимеривоваться с образованием комплексов разной конфигурации и размеров, давая в соче- тании с анионными группировками практически безграничное разнообразие структур. Силикаты являются важнейшими породообразующими минералами, многие из которых имеют большое промышленное значение (полевые шпаты, слюды, глинистые минералы). Полевые шпаты - главная составляющая мно- гих горных пород (гранитов, габбро, гнейсов и др. ) . Оливины, гранаты, пироксены, амфиболы являются составляющими магматических и метаморфи- ческих пород. При различного рода изменениях за счет оливина, пироксе- нов, амфиболов образуются серпентин, тальк, хлориты. При гидротермаль- ном изменении полевых пшатов возникают слюды (мусковит, биотит и др . ) . Среди полевых шпатов выделяют калиево-натриевые (микроклин, ортоклаз) и натриево-кальциевые (плагиоклазы - альбит, анортит, Лабрадор и др.) . Класс - карбонаты - (около 100 минеральных видов) - соли угольной кислоты. Породообразующие компоненты некоторых осадочных (известняки, доломиты) и метаморфических (мраморы) пород. Являются ценным оптичес- ким сырьем (исландский шпат), строительным камнем. Класс - сульфаты - (около 250 минеральных видов) - соли серной кислоты, за исключением нескольких видов (барит), в большинстве образу- ются в экзогенных условиях. Используются в химической промышленности (барит), строительстве, медицине (гипс). Минералы класса фосфатов составляют около 500 видов, из которых 30 самый распространенный - апатит. Он применяется для получения ортофос- форной кислоты, как сырья для производства суперфосфата. Тип - галоидные соединения (более 120 минеральных видов). Наи- большим распространением в природе пользуются хлориды и фториды. Гало- идные соединения находят широкое применение в пищевой и химической промышленности (гадит), как сырье для получения калийных удобрений (сильвин), в качестве флюса и оптического сырья (флюорит). 4.7. Определение минералов' В настоящее время нет единых методик и рекомендаций по макроско- пическому определению минералов, в таСл. 3 представлена простейшая схема макроскопического определения главных породо- и рудообразующих минералов. 31 я а к « Q Ш н Я г § з о f-. о Ф о ёт 2 О ф 3 в у а Ф m о см Ж C\i 8 о о _ - * Й Я! a sr ф Ф со и и о и I и в! a О) я о О № Ф Я 33 03 ш и a о ф a о S-1 * I ф а M Ф (=Г & га >s Я о. Ф о W Ф о * Ф m fri Ф П сг 1 ' § . а. •s ф л о ф ь о я I Ф га I S я Ч) Ж R Ч Ф Ф ю ч « •Я >к Я) я и о л н S ф и ф % § 0) и тн В 9 ю ф . S ? р* ю 32 34 I «1 0 of ь, Ё 1 ф Г-, v0 О •н" !Л Ф % & я а СП f ж ф Я Я S3 Ф в н S и а <ь 2 X а ф а > Ф Ф 0 2 а я ч 2 w О Ф я К П 0 « m Я о Ф Л о о а г> ф ас ® CJ в в н я; « га к я я я 2 Йф > а и « о я L Я пЗ о ft ПО § 2 § Я 2 « О Ф Ч Ч h О > н< Ф ' Я а § ф * о f-i в Ф « в я а и % о н СО ф * о (- I »Н ( »к ф Я 0> Я ч is ч ? Ф 3 5 ^ а I ф ю m -и ID 35 3 s и a й © 0 о а ф со а и а> Ф а t/i \ ' ы t—* Ф и. i f ш о <м о •н (Л ИТ a -т W а) к ф § s a SC я tn Я<т) s « я к к § 11 S X В > Ф а я ч ф « g 8 ч и >. 3 Q о о а о n О R В « т-< Ф К О ф >Я н я о О « h % ё w ф <9 « U ф ст) га о» I о к и Ф (О ч и Ф сЯ M РЗ Ф Э с-а I Ф Ю я « ь< из 1 н а г-ф Ф л ё В 36 бч г g S & S a К ^ •Й « о о Ф ж S в й о § 5 § & £ о А Ф В § е со N ь. о •гЧ И гО О к о н I a 1 я Ф В. ф я о О К Ф Я Ж X о и Ф -X О Э и о f- н а я f-< й е О (0 01 . . gn я о Ф О Ф м га М Ф Я R а г- ф ^ п h 5. ПЕТРОГРАФИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ Горные породы представляют собой материальную среду земной коры. Знание условий образования горных пород, их состава и свойств является основой для разведки месторождения полезных ископаемых и их эксплуата- ции. Горными породами называются устойчивые парагенетические ассоциа- ции минералов, возникающие в результате определенных геологических процессов и образующие геологически самостоятельные тела в земной коре. Геологические процессы, приводящие к образованию горных пород, называются процессами петрогенеза. Таких процессов три: - кристаллизация природных силикатных расплавов ( ш ш или лав) - магматизм; - разрушение ранее существовавших горных пород в поверхностных условиях, отлшение продуктов разрушения в в о д и а х и на поверхности суши - осадконакопление; - перекристаллизация горных пород любого происхождения в резуль- тате изменения физикэ-хишческих условий (повыиения температуры и дав- ления) - мэтамзрфизм. Условия образования горных пород, определяющие их состав и внеш- ний облик, называют фациальными условиями (лат. "фацио" - вид, облик, лицо). Фация - это однородный по составу комплекс горных пород, обра- зовавшихся в сходных условиях. Вещественными составляющими горных пород могут являться: 1) зерна минералов; 2) вулканическое стекло; 3) обломки ранее существовавших минералов и пород; 4) органические остатки; 5) космическая пыль. Главной составной частью горных пород являются минералы. Минера- лы, слагающие горные породы (породообразующие минералы), по своей роли в их составе разделяются на главные и второстепенные. Главными счита- ются минералы, количественно преобладающие в составе горных пород и определяющие их принадлежность к определенному виду. Например, кварц, калиевый полевой шпат, кислые плагиоклазы и биотит являются главными минералами гранита, нефелин - нефелинового сиенита и т.д. К главным породообразующим минералам принадлежит 20-30 минеральных видов. Среди них преобладают силикаты. Второстепенные минералы (акцессорные) входят в состав горной по- роды в незначительном количестве. По ним производится выделение от- дельных разновидностей горных пород. Например, гранит, содержащий по- 38 мимо биотита мусковит, называется двуслюдяным. Главные минералы одних видов горных пород могут быть второстепен- ными в других. В зависимости от времени образования минералы, входящие в соста] горных пород, делят на первичные и вторичные. Первичные возникают npi процессах формирования самой горной породы. Вторичные - позднее, зг счет различных преобразований. В различных по происхождению порода; одни и те же минералы могут Сыть как первичные, так и вторичныэ. Кар- бонаты в магматических породах большей частью вторичные, а в осадоч- ных - первичнье. По числу слагающих их минералов горные породы делятся на мономи- нерадьные, образованные одним минералом (кварцит, мрамор, лабрадорит), и подиминеральные, состоящие ив нескольких минералов (гранит, гнейс, габбро и др . ) . Последние распространены в земной коре более широко. Детальное минералогическое исследование горных пород проводят npt микроскопическом изучении их тонких срезов - шлифов. С точки зрения фазового состава горные породы представляют co6oi динамические двух- или трехфазные системы и состоят из твердой (мине- ральный скелет), жидкой (поровый раствор) и газообразной фаз. Строение горных пород зависит от отроения минерального скелета, порового пространства и характера структурных связей между составляю- щими породы. Строение минерального скелета характеризуется структурой и текс- турой. Под структурой понимается совокупность признаков горных пород, обусловленная степенью кристалличности, абсолютными и относительными размерами, формой, взаимным расположением и способами сочетания мине- ральных составляющих (полнокристаллические, неполнокристаллические, равномернозернистые, неравномернозернистые, крупно-, средне- и мелко- зернистые и др. ) . Текстура определяется ориентировкой, относительным расположением и способом выполнения пространства минеральными массами породы, харак- теризующими степень ее однородности и сплошности. Морфологическими единицами текстуры являются минеральные агрегаты. В зависимости от характера расположения минеральных агрегатов, степени равномерности их распределения выделяются текстуры однородные и неоднородные. Последние разделяют на слоистые, сланцеватые, полос- чатые, прожидковые, пятнистые и др. В зависимости от плотности упаков- 39 ки - плотные, массивные, пористые, пузырчатые и др. Строение порового пространства определяется морфологическими осо- бенностями пор. Возраст горных пород В истории формирования и развития Земли выделяют два этапа - до- геологический и геологический. Геологический этап охватывает отрезок от начала формирования земной коры до настоящего времени. Для опреде- ления последовательности образования слагающих земную кору геологичес- ких объектов и, в первую очередь, горных пород используется серия ме- тодов, среди которых выделяют методы определения относительного и аб- солютного возраста. К первой группе относятся геологостратиграфичес- кие, основанные на изучении последовательности напластования осадочных горных толщ и биостратиграфическйе палеонтологические методы, которые основаны на изучении остатков животных и растительных организмов, жив- ших в прошлые геологические эпохи и захороненных в толщах осадочных горных пород. Для оценки абсолютного возраста в настоящее время поль- зуются методом "радиоактивных часов", основанным на процессе радиоак- тивного распада различных природных изотопов. В ходе изучения земной коры была разработана периодизация ее ис- тории, созданы единая для всего земного шара стратиграфическая и соот- ветствующая ей геохронодогичеокая шкалы. Важной характеристикой горных пород, изучаемой в полевых услови- ях, является форма их залегания. Под формами залегания горных пород понимаются формы геологических тел, образуемых ими в земной коре. Зна- ние форм залегания имеет важное теоретическое и практическое значение, поскольку они являются либо месторождениями полезных ископаемых, либо вмещающей их средой. Формы залегания делятся на первичные (ненарушенные) и вторичные (нарушенные), возникшие в результате дислокаций первичных форм. Дисло- кации возникают в результате тектонических процессов. 6. ХАРАКТЕРИСТИКА. ТЕКГОНОСФЕЩ И ДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ КОШ Тектоносфера включает в себя земную кору и верхнюю мантию. В пре- делах тектоносферы развиваются и взаимодействуют тектонические, магма- тические и метаморфические процессы. Тектоническая активность связана 40 с мантийным магматизмом. Установлена зависимость между типом тектони- ческого режима и структурой земной коры, тепловым потоком, строением мантии. Тектонические движения проявляются в поднятиях и прогибах отдель- ных участков литосферы, в деформациях первичных форм залегания горных пород, в их горизонтальных и вертикальных перемещениях и в образовании крупных элементов рельефа. - континентов и океанов, гор и глубоководных впадин. О характере тектонических движений далекого прошлого можно су- дить по условиям залегания горных пород. Например, горизонтальное или пологое залегание является первичным залеганием горных пород, накапли- вающихся в областях опускания земной коры. В пределах поднятий проис- ходит размыв горных пород и вынос разрушенного материала. Вторичное, нарушенное, залегание горных пород появляется в результате воздействия последующих тектонических движений. Типизация тектонических движений к настоящему времени однозначно не решена. Широким признанием пользуется концепция тектоники плит, базирую- щаяся на гипотезах дрейфа материков - спрединга (раздвигания океани- ческого дна). Согласно этой концепции жесткие литосферные плиты толщи- ной 70-100 кмj залегающие на пластичной астеносфере, перемещаются про- исходящими в ней конвекционными потоками материи с большой горизон- тальной составляющей в противоположные стороны от зон раедвига, совпа- дающих со срединно-океаническими хребтами. По времени проявления тектонические движения делятся на совре- менные, новейшие и древние. Современные движения доступны непосредс- твенному изучению и поддаются количественной оценке с помощью геодези- ческих, инженерных, археологических методов. Новейшие колебательные движения изучаются с помощью геоморфологических и геологических мето- дов и их количественная оценка делается весьма приближенно. Для изуче- ния древних движений рельеф уже не имеет значения, а исследуются мощ- ности и фации отложений. Неотектонические движения или новейшие тектонические движения - это движения земной коры, проявившиеся в неогеновый и четвертичный (антропогеновый) периоды. Они приводят к переустройству рельефа земной поверхности, возникновению новых его форм и влияют на развитие экзо- генных процессов. Землетрясения. При внезапной разрядке напряжений в земной коре или мантии, вызванной тектоническими движениями, возникают кратковре- менные колебания земной коры - землетрясения. При наиболее сильных 41 землетрясениях в их очаге, гипоцентре,выделяется энергия до 10 Дж. Зем- летрясения оказывают влияние на рельеф земной поверхнооти. Образуются многокилометровые трещины, сбросы и сдвиги, обвалы и оползни. Наиболее активно землетрясения проявляются в областях самой молодой (альпийс- кой) складчатости. Интенсивность землетрясений определяется по 12-балльной шкале, учитывающей характер деформации почвы, степень пов- реждения различных сооружений и др. Моретрясения вызываются теми же причинами, что и землетрясения, отличаются от последних расположением гипоцентра на морском дне. Под действием волн упругости в водной среде возникают видимые громадные волны (цунами) высотой до 25 м, производя- щие опустошительное разрушение побережья. Тектонические нарушения земной коры — это проявление глубинных эндогенных процессов, захватывающих все твердые оболочки Земли. Они выражаются в форме необратимых дислокаций - складок или разрывов. Трещинные разрушения наступают в результате превышения действую- щих напряжений сил межатомного, молекулярного, ионного притяжения. Разрывные нарушения делятся на две группы: разрывы без смещения и разрывы со смещением горных пород. К первой группе относятся различно- го рода трещины. В любом разрывном нарушении со смещением (рис.6) выделяют геомет- рические элементы: сместитель - поверхность разрыва, по которому про- исходит смещение; крылья - примыкающие к этой поверхности смещенные блоки горных пород. Крыло, расположенное над сместителем, называется висячим, а под ним - лежачим. Важное значение имеет определение ам- плитуды смещения (рис.6). Основные виды разрывных нарушений: сбросы (а) , взбросы (б), надвиги (в) , сдвиги ( г ) , отупенчатые сбросы (д), горсты (ж), грабены (е,з) - представлены на рис.7. Рис.6. Геометрические элементы сброса: А - наклонная амплитуда; а' - вертикальная амплитуда; а* - стратиграфическая амплитуда; b - горизонтальная амплитуда; . 1 - висячее крыло; 2 - лежачее крыло; 3 - сместитель 3 42 Складчатые нарушения связаны с пластическими дислокациями крис- таллического вещества горных пород и выражаются в волнообразном изги- бании слоев бее разрыва их сплошности. Среди складчатых нарушений раз- личают несколько структурных форм. Это моноклинали, флексуры и склад- ки. Складки являются основной формой пликативных нарушений и предс- тавляют собой волнообразные изгибы слоев. В зависимости от направления изгиба различают синклинальные и антиклинальные складки. Основными ге- ометрическими элементами складок являются крылья, ядро, замок, шарнир, угол, осевая поверхность и ось (рис.8). Рис.8. Геометрические элементы складок: 2-3 - замок антиклинали (А); 4-5 - замок синклинали (С); 1-2 , 3-4, 5-6 - крылья складок; ©6 - угол складки Формы складок очень многообразны (рис.9). Классификация их осно- вана на различных признаках: I - по положению осевой плоскости: пршые (а), наклонные (О), оп- рокинутые (в), лежачие ( г ) , перевернутыэ (д); I I - по форме замка и соотношению между крыльями: нормальные ок- руглые (а), нормальные острые (б), сундучные (в), веерные ( г ) , изокли- нальные (д); I I I - по соотношению основных раалеров: линейные - длина значитель- но превынает ширину (1); Срахискладки - длина больше шириы в 2-5 раз (2а, 26); купола - антиклинальные складки (За); мульда - синклинальные складки, в которых длина превынает ширину мэнее, чем в 2 раза (3d). Совокупность складок, проявляющаяся в определенных участках зем- ной коры, называется складчатостью. 44 Рис. 9. Морфологические типы складок (стрелками показано падение крыльев складки) 7. МАГМАТИЗМ И МАГМАТИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ Магматизмом называется совокупность процессов образования магмы, ее извержения и последующих затвердевания и кристаллизации. Магма - природный силикатный подвижный горячий расплав, возникающий в нижних слоях земной- коры или верхней мантии, насыщенный различными газами и параш. По мере продвижения к земной поверхности магма теряет большую часть летучих компонентов. Вышедшая на поверхность магма - лава. Явле- ния, обусловленные извержением лавы, называются эффузивным магматиз- мом или вулканизмом. Извергаемые из магматического очага на земную поверхность продук- ты (лава и пирокластические материалы) создают вулканические постройки - вулканы. Их форма завиоит от характера подводящих каналов, состава и свойств извергаемых продуктов. С трещинными извержениями связаны излияния базальтовых лав, расп- ространяющихся на большую площадь в виде покровов и создающих обширные лавовые плато. Этот тип вулканов характерен для прошлых геологических эпох. Б современное время они встречаются в Исландии, на Канадских и Азорских островах. В результате извержения через центральные выводные канады-жерла образуются пологовыпукдые щитовые и более крутонаклонные конические или куполовидные возвышенности - вулканы центрального типа. Щитовые вулканы формируются за счет излияний наиболее жидких базальтовых лав. Эти вулканы широко распространены на Гавайских островах и в Исландии. Конические и куполовидные вулканы слагаются более вязкими лавами сред- него и кислого состава. Извержения этих лав часто сопровождаются взрывной деятельностью и выбросами обломочного (пирокластического) ма- териала. Интрузивный или глубинный магматизм охватывает процессы развития и внедрения магмы внутри литосферы с последующим образованием разнооб- разных по форме и составу шпттических тел - интрузий (рис. 10). Формы интрузий находятся в зависимости от условий их образования. В зависи- мости от формы и положения во вмещающих породах выделяют: А - согласные интрузии: - сиплы - пластооОразные залежи; - лакксшты - граОообразньк тела с выпуклой кровлей; - лопсшиты - сшвдцеоОразньв тела с вогнутой или плоской кровлей; - факолиты - чечевицеобразныэ изогнутые тела, приуроченные к сво- 46 дам складок во вмещающих породах; В - несогласные (приуроченные к секущим трещинам и каналам): - дайки - крутопадакщие жилообразньк тела; - жерловины или некки - труСообразные тела; - батолиты глубинные, наиболее крупные и Олизлежадае к шгматиче- скему очагу; - штоки - тела меньших размеров, чем батолиты, часто связанные с последними на глубине. Интрузивная деятельность вызывает изменения вмещающих горных по- род на контакте их с интрузиями. К интрузиям приурочены определенные рудные комплексы полезных ископаемых. Рис.10. Формы залегания магматических горных пород Классификация магматических пород По условиям образования магматические породы разделяют на эффу- зивные и интрузивные. Первые образуются за счет затвердения излившейся на поверхность лавы, вторые - за счет остывания и кристаллизации магмы в толще ранее образовавшихся горных пород. На поверхности силикатный расплав остывает быстрее, чем в недрах, и не успевает кристаллизовать- ся, поэтому эффузивные породы характеризуются стекловатыми и неполнок- ристаллическими структурами, а интрузивные - полнокристаллическими. Разделение магматических пород по составу основано на различиях в со- 47 держании кремнезема SiO i и оксидов щелочных металлов Na^O + К^О. По химизму выделяют 5 групп магматических пород: ультраосновные, основные, средние, кислые и щелочные (табл. 4) . При увеличении в гор- ных породах содержания кремнезема уменьшается содержание цветных мине- ралов и соответственно изменяется окраска. Ультраосновные породы цели- ком сложены темноокрашенными минералами. В основных породах они обычно преобладают над плагиоклазами, обуславливая общую темно-серую окраску породы. В средних породах, имзацих неоднородную серую и зеленовато- серую окраску, цветной шнерал (обычно роговая обманка) достигает 50%. Кйсльк породы окрашены в розовато-сйетло-серый цвет и состоят уже глав- ным образом из полевых шпатов и кварца. С магматической деятельностью таююэ связано образование пирокла- сгических пород, образующихся при взрывных вулканических извержениях. Эти порода, называемые вулканическими туфами, пс составу слагающих их обломков и частиц бывают ОСНОВНЬЕ, средние, кислые и щелочные. 48 IB . s 4 о л E-i 3 I О e a о r-, о Ф 1 ш М ш ер ал ьн ы й со ст ав to 70 -1 00 % ол ив ин а, 0- 30 % пи ро кс ен а 30 -7 0% ол ив ин а, 30 -7 0% пи ро кс ен а 0- 30 % ол ив ин а, 70 -1 00 % пи ро кс ен а В кр ап ле нн ик и ол ив ин а и пи ро кс ен а ср ед и по лу - ст ек ло ва то й зе ле но ва то - че рн ой м ас сы 50 -7 0% п ир ок се на , ин ог да ам ф иб ол а, 30 -5 0% п ла ги о- кл аз а И но гд а ра зл ич аю тс я м ел - ки е пл ас ти нк и и иг ол оч ки пл аг ио кл аз а и пи ро кс ен а Т ек ст ур а ю М ас си вн ая t> , г 1 М ас си вн ая , по - ри ст ая , м ин да - ле ка м ен на я М ас си вн ая , пя т- ни ст ая ,п ол ос ча - та я М ас си вн ая , по - ри ст ая , м ин да - ле ка м ен на я С тр ук ту ра М ел ко - ил и ск ры - то кр ис та лл ич ес ка я М ел ко - и ср ед не - кр ис та лл ич ес ка я С ре дн е- и кр уп но - кр ис та лл ич ес ка я П ор ф ир ов ая С ре дн е- и кр уп но - кр ис та лл ич ес ка я П ол ус те кл ов ат ая , ок ры то кр ис та лл и- че ск ая Н аз ва ни е по ро ды со Д ун ит П ер ид от ит П ир ок се ни т П ик ри то вы й по рф ир ит Га бб ро Б аз ал ьт Ус ло ви я об ра зо ва ни я N И нт ру зи вн ы е Эф ф уз ив ны е И нт ру зи вн ы е Ф г л Й Гр уп па п ор од п о со де рж ан ию , % S iO ; N a 0+ К 2 0 Г-1 Ф <ч О Ч-T S3 1 8?. Q, Ю О сн ов ны е 45 -5 2; 1- 4 49 50 М & S .-. _ „ ш о о ш в о S ж s а о н 8 я S я о Е-Ч & ф о н £ о f-i m в я « о со >. а и и s « о « я н ч я Ф я t I ГС О я S э ш ф я и о* о о ч сч «I I Ef со 51 8. МЕТАМОРФИЗМ И МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ Метаморфизмом называется процесс преобразования горных пород под действием эндогенных факторов, вызывающих значительные изменения тер- модинамических условий и формирование у пород новых свойств. Метамор- физму могут подвергаться горные породы любого происхождения - осадоч- ные, магматические и ранее существовавшие метаморфические. Главными причинами или факторами метаморфизма являются температура, давление и химически активные вещества - растворы и летучие соединения. При метаморфизме меняются структурно-текстурные особенности гор- ных пород и их минеральный состав. Степень изменений первичнач горных пород может быть самой различной - от незначительных преобразований до полного изменения состава и облика горных пород. Обычно все виды преобразований протекают в твердой среде, однако при высоких ступенях метаморфизма может происходить частичное, очаго- вое плавление (анатексис). Основой классификации всех метаморфических комплексов служит под- разделение их на продукты регионального и контактового метаморфизма. Первые имеют самое широкое распространение, слагая основную массу по- род гранитного слоя земной коры, представленного на земной поверхности щитами, уходящими под осадочную оболочку, вторые возникают на контак- тах крупных магматических (интрузивных) тел и вмещающих пород. Регио- нальный метаморфизм охватывает огромные площади, контактовый метамор- физм проявляется в значительно меньшем масштабе и мощность контактных зон не превышает нескольких сотен метров. При любых метаморфических преобразованиях образующиеся горные по- роды имеют в своем составе две группы минералов - унаследованные от изначально существовавшей породы и образованные при метаморфизме. Главной особенностью структур метаморфических пород является бла- стичность (бластоз - росток). Под микроскопом в шлифах она хорошо ваднз, выражается в плотном срастании соседних минеральных зерен по сложной извилистой поверхности, обуславливающей значительное взаимо- проникновение, что сообщает метаморфической породе повышенную крепость и плотность. Структура называется гранобластсвой, если слагающие ее минеральные зерна имеют изометричную или овальную форму или лепидо- бластовую (лепидос - листок). Первым типом структуры обладают кварци- ты, амфиболиты, мраморы; вторым - тальковые, слюдяные, хлоритовые сланцы. Гнейсы, тальк имеют переходный, лепидогранобластовый тип структуры. 52 Важнейшие представители метаморфических пород. Гнейс. Чрезвычайно широко распространен продукт средне- и глубо- ксмэтаморфизированных комплексов. Структура кристаллическая. Текстура полосчатая, линейная, гнейсовидная. Минеральный состав: полевые шпаты, кварц, роговая обманка, биотит. Часто ассоциирует с гранитоидами, об- разуя непрерывный ряд гранит-гранитогнейс-гнейсогранит-гнейс. Гнейс образуется за счет глинистых сланцев, песчаников, гранитов и других пород. Слюдяные сдзнцы. Встречаются в.стратифицированных толщах вместе с гнейсами и связаны о последними взаимопереходами. Структура чешуйча- тая. Текстура полосчатая, сланцеватая, линейная. Минеральный состав: слюды, роговая обманка, кварц, полевой шпат и др. В зависимости от преобладания мусковита или биотита соответственно меняется и название - биотитовый сланец или мусковитовый. Серицитовый сланец. Представляет собой тонкочешуйчатый мускови- товый сланец. Амфиболит. Порода, состоящая в основном из роговей обманки. Структура кристаллическая. Текстура линейная, полосчатая. Возникает ва счет магматических пород основного состава. Кварцит. Порода обладает почти мономинеральным составом (кварце- вым) . Примеси - мусковит и полевые шпаты. Структура средне- и мелко- кристаллическая. Текстура массивная, пятнистая, реже полосчатая. Поро- да обычно окрашена гидроксидами железа в красный цвет. Разновидность кварцитов - железистые кварциты - содержат магнетит и гематит. Мрамор. Мономинеральная порода, состоящая из кальцита. Структура кристаллическая. Текстура массивная, пятнистая, полосчатая. Окраска самая различная, чаще светлая. Образуется за счет известковых осадоч- ных пород, характерна реакция с соляной кислотой. Тальковый сланец. Мягкая, мылкая на ощупь порода с серебристым, шелковистым отливом, состоящая из талька. Примесь - амфибол и др. Структура чешуйчатая, пластинчатая. Текстура полосчатая, сланцеватая. Возникает за счет богатых магнием магматических и осадочных пород. Серпентинит (змеевик). Формируется в результате метаморфизма уль- траосновных пород: дунитов, перидотитов; состоит в основном из серпен- тина - минерала, замещающего оливин. Название ему дано по сходству по- род о раскраской змеи. Структура волокнистая, пластинчатая или скры- токристаллическая. Текстура полосчатая, пятнистая. 53 ХЛОРИТОВЫЙ сдааед. Состоит из хлорита с примесью биотита, роговой обманки, полевых шпатов и др. Структура чешуйчатая. Текстура полосча- тая. Отличительные признаки,- характерный грязно-зеленый цвет, прису- щий хлориту, и низкая твердость. Филлит. Одна ив наиболее распространенных пород- низких ступеней метаморфизма. Обладает темной, часто пятнистой окраской с зеленоватым оттенком. Структура афанитовая. Текстура сланцеватая. Характерный признак - шелковистый блеск. Отличительное свойство - узловатость. Роговик. Порода контактового метаморфизма. Окраска серая до чер- ной. Структура афанитовая. Текстура пятнистая, полосчатая, реже мас- сивная. Для роговика характерны трещины, по которым распространяется ожелезнение и порода раскалывается при ударе. Роговик имеет высокие прочностные характеристики: царапает стекло, имеет максимальную проч- ность на сжатие. Скарн. Эта порода образуется на контакте известковых толщ и ин- трузивных тел кислого состава. В результате сложных химических реакций возникают специфические минеральные ассоциации: кальцит, сульфиды, гранат, магнетит - до 40 адекватно развитых минералов, среди которых многие (сульфиды,магнетит) имеют большую промышленную ценность. 9. ЭКЗОГЕННЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Экзогенные геологические процессы в отличие от эндогенных проте- кают в самых верхних слоях земной коры на ее границе с внешними геос- ферами. Их энергетической основой является энергия солнечной радиации (6,95-1024 Дж ежегодно) и сил гравитации. Экзогенные процессы протекают при нормальных значениях температуры и давления по эндотермической схеме с поглощением тепла. Выделяют четыре группы экзогенных геологи- ческих процессов: выветривание, денудация, аккумуляция, диагенез. Выветривание - процесс разрушения и изменения горных пород на по- верхности и небольшой глубине в связи с физическим, химическим воз- действием атмосферы, вод и организмов. Выветривание развивается выше зоны цементации, в которой осуществляется переход рыхлых обводненных осадков в каменистые осадочные горные породы. В зависимости от преоб- ладания того или иного фактора в этом процессе выделяют три его типа: физическое (механическое), химическое и органическое. Выделяемые типы имеют неодинаковое развитие в различных физи- ко-географических условиях. В приполярных областях преобладает физи- 54 ческое выветривание, в тропических областях преимущественное развитие имеет химическое выветривание. Характер и скорость выветривания зави- сят также от состава и строения горных пород. В полиминеральных поро- дах выветривание проявляется интенсивнее, чем в мономинеральных. Не- равномерно- и крупнокристаллические породы выветриваются быстрее, чем равномерно- и мелкокристаллические. Магматические породы, состоящие из силикатов и кварца, устойчивее по отношению к выветриванию по сравне- нию с' осадочными, состоящими из карбонатов, сульфатов и гидросилика- тов. Физическое выветривание обусловлено в основном колебаниями темпе- ратуры и представляет собой механическое разрыхление горных пород и превращение их в обломочный материал. Продукты выветривания горных по- род, залегающие на месте своего образования, называются элювием. Боль- шие скопления крупнообломочного элювия называют курумами. Химическое выветривание связано главным образом с воздействием воды, заключенной в трещинах и порах горных пород. Оно приводит к хи- мическому разложению первичных и возникновению новых минералов, более устойчивых в приповерхностных условиях. Химическая активность подзем- ных вод возрастает в связи с присутствием растворенных в них углекис- лого газа, кислорода и других агентов. Типичными для химического вы- ветривания являются реакции гидратации, дегидратации, гидролиза, окис- ления, простого и сложного обмена. Химическое выветривание развивается после физического выветривания. На первой стадии выносятся наиболее растворимые соли калия и натрия, на второй - кальция и магния. Силика- ты и алюмосиликаты превращаются в гидросиликаты. Глинистые минералы становятся преобладающими среди продуктов выветривания. На третьей стадии глинистые минералы разлагаются с образованием оксидов и гидрок- сидов. Остаточные продукты, обогащенные этими соединениями, называются латеритами. Органическое выветривание проявляется при активном физическом и химическом воздействии на горные породы организмов и продуктов их жиз- недеятельности. Особенно велика при этом роль бактерий и растительнос- ти. Один из продуктов органического выветривания - почва. Кора выветривания. Коры выветривания, представляющие собой сово- купность различных продуктов физического, химического и биохимического выветривания, либо залегающих на месте образования, либо перемещенных на небольшие расстояния. Современная кора выветривания, выходящая на земную поверхность, состоит из элювия и почвенного слоя. Древняя кора 55 выветривания погребена под более молодыми образованиями и обычно представлена комплексом вторичных низкотемпературных минералов. Мощ- ность коры выветривания колеблется от долей метра до 100 м. Различают два основных типа коры выветривания. Осадочная кора выветривания находится на месте разложения мате- ринских пород и часто сохраняет особенности структуры и текстуры ис- ходных пород. Перемещенная кора выветривания образуется за счет изменения оста- точной древцей коры выветривания в результате ее переноса и перемыва- ния. Денудация (лат."денудацио" - обнажение) - это совокупность про- цессов удаления (сноса и переноса) продуктов выветривания с места их образования. Перемещение материала с возвышенностей в пониженные участки рельефа приводит к образованию выровненных форм рельефа. Дену- дационные процессы "тесно" связаны с аккумуляцией. Скорость аккумуля- тивных процессов зависит от интенсивности привноса продуктов разруше- ния первичных горных пород. Движущими силами этих двух групп экзоген- ных процессов являются одни и те же агенты. К агентам денудации отно- сятся: ветер, вода континентов, морей и океанов, ледники, силы грави- тации. Геологическая деятельность ветра. Геологическую работу ветра на- зывают эоловой или зодицией, по имени бога Эола. Деятельность ветра имеет планетарный характер. В атмосфере аккумулируется огромный энер- гетический потенциал. Наиболее интенсивное выделение энергии происхо- дит во время ураганов и бурь - 2>1сЯкВт/ч - энергетические потребности США в течение 6 месяцев. Скорость ураганов может быть значительно больше 40-60 м/с, а в торнадо (смерч) может превышать скорость звука - 331,8 м/с. Лобовое давление ветра уже при скорости 40 м/с превышает 1 кПа. В то же время резкое изменение давления всего на 50 Па приводит к перераспределению геомеханического напряжения в массиве горных по- род. В сейсмоопасных зонах это может вызвать землетрясение. Процессы разрушения горных пород, транспортировки и аккумуляции разрушенного материала представляют собой взаимосвязанные виды механической работы ветра. Ветер вызывает дробление и выдувание горных пород на поверхнос- ти Земли - дефляцию. "Обтачивание" горных пород терригенным материалом называется корсазия. Разрушение обрывистых берегов под совместным воз- действием воды и ветра - абразия - является одним из наиболее интен- сивных способов механического разрушения пород. Транспортировка эоло- 56 вого материала зависит от силы ветра, а также от формы, размеров и плотности чаотиц. Из терригенного материала аккумулируются три ком- плекса: эоловые пески, лесс и красные суглинки. Количество переносимо- го в течение года ураганами и бурями материала оценивается цЛсР - Д*10? т. Суммарный вынос с суши в море 0,4-1,6 млрд.т в год. Разрушительная деятельность вод поверхностного стока заключается в плоскостном смыве продуктов выветривания со склонов возвышенных участков рельефа (делювиальные процессы) и русловом размыве горных по- род движущимися водными потоками (эрозионные процессы). При плоскостном смыве дождевыми и талыми водами элювиальные об- ломки перемещаются и частично окатываются. Такие полуокатанные обломки называются делювиальными. Отложения временных водных потоков в виде конусов выноса называются продювиальными. • На неоднородных и слабозадернованных склонах струйки неруслового стока сливаются в более мощные струи фиксированного стока и склоновый сток переходит в линейный русловый сток. Среди русловых потоков по степени постоянства стока различают временные и постоянные водные по- токи. В равнинных областях под влиянием временных потоков образуются овраги. Постоянные водотоки - реки. В результате эрозийной деятельнос- ти текучих вод создаются речные долины. В долинах различают дно и склоны. В пределах дна выделяются русло и пойма, Русло - это наиболее низкая полоса, по которой течет водоток, а пойма - часть дна, заливае- мая ежегодно водой при половодье. Склоны долин часто осложнены про- дольными горизонтальными или слабонаклонными к руслу площадками - речными террасами. Эрозийно-аккумулятивная деятельность рек развивает- ся как процесс взаимодействия водного потока и русла. Кинетическая энергия потока, или живая сила его К , в основном расходуется на пе- редвижение поступающего в поток материала Т и на разрушение горных по- род (эрозию). Если К>Т , преобладает эрозия; если К«Т , наблюдается равновесие между эрозией и аккумуляцией, работа реки направлена на пе- ренос; если К<Т , преобладает аккумуляция. В развитии речных долин вы- деляют три стадии: молодую, зрелую и старую, в молодую стадию преобла- дает глубинная эрозия. Продольный профиль долины в это время ступенча- тый, невыработанный, изобилующий водопадами и перекатами, чередующими- ся с плесами. Поперечный профиль коньонообразный или Y-образный. В зрелую стадию река вырабатывает продольный профиль равновесия, после Чего возможна лишь боковая эрозия. Поперечный профиль долин зрелых рек ~ U-образный и ящикообразный. В отарую стадию река заполняет аллюви- 57 альными осадками (речными отложениями) выработанную ранее долину, ме- андрирует (образует излучины) и отчленяет от себя старицы. Поперечный профиль становится корытообразным. Возобновление глубинной эрозии про- исходит при понижении базиса эрозии в результате тектонических процес- сов. Разрушаемый и перерабатываемый реками материал переносится воло- чением, скачкообразно, а также взвесью и в растворе. При этом происхо- дит измельчение и "окатывание" обломков и сортировка их по весу и крупности с образованием россыпных месторождений полезных ископаемых (золота, платины, алмазов и пр . ) . Ежегодно за счет волочения и сальта- ции перемещается 1 млрд.т рыхлого материала, а во взвешенном состоянии 12,7 млрд.т. В устье реки формируется дельта - конус выноса реки - участок суши, сложенный в основном аллювием. Дельто-аллювиальная равни- о на обладает большими размерами (Янцзы - 0,5 млн.км ; Волга - 2 2 19 тыс.км ;Тигр-Евфрат - 48 тыс.км ) . Е^годный прирост дельты достига- ет, м/год: Волга - 170, кура - 300, Терек - 100. С дельтами связаны крупнейшие месторсвдения угля и нефти. Геологическая работа подземных вод. Все виды воды, находящиеся ниже поверхности Земли, приуроченные к горным породам коры и веществу мантии и образующие с поверхностными и атмосферными водами единую вод- ную оболочку Земли (гидросферу), принято называть подземными. Подзем- ные воды могут встречаться в свободном состоянии (пар, капедыга-жвдкая вода, лед); физически связанная вода (капиллярные воды, диффузная, ад- сорбированная); химически связанная вода (кристаллизационная, цеолит- ная, конституционная). Разрушительная работа подземных вод сводится к химическому взаимодействию их с горными породами и механическому разд- роблению, вымыванию силами движущихся потоков. Перенос разрушенного материала происходит главным образом в виде химически растворенного вещества. Процессы химического разложения горных пород под воздействи- ем подземных и поверхностных вод называются карстовыми процессами или карстом. В результате формируются карстовые воронки и карстовые пеще- £ы. В определенных условиях подземные воды производят механическую ра- боту по разрушению горных пород - суффозию (лат."суффозии" - подкалы- вание). В рельефе поверхности при этом возникают суффоаионные провалы, колодцы, овраги, воронки и блюдца. Разрушительная работа снега и льда. Ледниками называются естест- венные скопления движущегося льда, образующиеся на суше в результате процесса накопления. В настоящее время ледниками покрыто 11% всей пло- щади суши. Лед возникает благодаря скоплению снега в понижениях рель- 58 ефа (нарах). В результате вначале образуется ледяная крупа (фирн), ко- торая смерзается и уплотняется, формируя фирновый лед, в дальнейшем фирновый лед еще более уплотняется, приобретает голубую окраску и ста- новится глетчерньм льдом, плотность которого превыиает плотность снега в 10 раз, дохода до 1 т/м3 . При достижении мсщности 15-20 м лед приоб- ретает пластичность и при наличии наклонов поверхности рельефа начина- ет течь, образуя ледниковые языки. Скорость движения льда мажет изме- няться от долей метра до сотни и более метров в сутки. Все ныне существующие ледники подразделяются на горные и покров- ные. Горные характеризуются относительно небольшими размерами, четко выраженной границей между областями питания и разгрузки. Покровные ледники занимают 98,5% всей занятой ледниками поверхности и почти сплошь покрывают Антарктиду, Гренландию, огромные районы Исландии, Шпицбергена, Новой Земли и Северной Земли. Отличительная особенность - огромные размеры и отсутствие четких границ между областями питания и разгрузки. Разрушительная работа ледников называется экзарацией (лат. "ехага- t i o " - выпахиваю) . Ледниковая экзарация в горных областях проявляется в выпахивании, сглаживании и изменении форм. Единичньк скалы, обточенные ледником, называются бараньими лбами, а их скопления - кучерявьми ска- лами. Эрозийные долины под действием движущихся масс льда преобразуют- ся в корытообразные ледниковые долины - троги, имеющие широкое пологое дно и крутые склоны. Возникающий в результате экзарации обломочный материал оказывает- ся запечатанным в теле ледника и далее транспортируется к месту акку- муляции. Этот материал называется подвижной мореной. Морена перемеща- ется до тех пор, пока не происходит полного таяния льда. Горные ледни- .ки переносят морену на десяти!, реже сотни километров. ПокроЕные же ледники, располагая существенно большей массой льда, способны транс- портировать обломки на тысячу километров и далее. Крупные валуны из коренных пород Скандинавского щита обнаруживаются в четвертичных отло- жениях Е низовьях Днепра и Дона. В истории Земли выделяется четыре крупных периода оледенения (от древних к молодым): 1) докембрийский; 2) позднеордовикский; 3) перм- ско-каменноугольный; 4) кайнозойский. Гравитационные процессы денудации. Действие гравитационных сил обуславливает возникновение и развитие собственно гравитационных и водно-гравитационных процессов как на континентах, так и в океаничес- ком дне. 59 Собственно гравитационные процессы развиваются на склонах о угла- ми наклона более 30°. На обрывистых и нависающих склонах развиваются процессы обваливания - внезапное обрушение горных пород в виде отдель- ных глыб или блоков, сопровождающееся дроблением сорвавшейся массы при ее падении. Горные обвалы часто имеют катастрофический характер. Не- посредственной причиной обвала могут быть землетрясения, сильные лив- ни, удары молнии. Осыпньв процессы гроявляюгся при мэньшей крутизне скло- нов. Сни развиваются намного медленнее обвальных, но распространены зна- чительно шире. Оеьыно они наблодаются в горных районах. Наклон поверхно- сти осыпи близок к углу естественного откоса материата, из которого сна слажена. Для песка угол естественного откоса равен 33°, для мергеля - 25°, сланцев - 26-29°, известняка - 32°, гнейса - 34°, гранита - 35-40°. Водно-гравитационные процессы протекают на склонах различной кру- тизны, но обязательно при значительном увлажнении смещающихся горных пород. Оползание - процесс соскальзывания вниз по склону масс горных пород по возникающим поверхностям отрыва. При насыщении водой поверх- ностного и подземного стока залегающих на склонах горных пород проис- ходит увеличение их массы, ослабление сцепления и уменьшение сил тре- ния. При движении вниз по склону оползневый массив образует выровнен- ную площадку - оползневую террасу. Скорость движения оползней - от первых сантиметров в сутки до сотен ютометров в час. Транспортирующая способность - от десятков до сотен кубических метров. Содифлюкция (греч. "солюм" - почва, "флюксус" - течение) - мед- ленное течение поверхностного слоя горных пород под влиянием силы тя- жести и увлажнения. Скорость движения очень мала - сантиметры, редко первые метры за сезон. В результате солифлюкции образуются солифлюкци- онные террасы, натечньв полосы, валы, потоки. Типичные солифлюкции развиваются в зонах многолетнемерзлых горных пород на пологих (2-6° ) склонах в водонасыщенных глинистых массах. Особый тип сшифдюкционных процессов возникает на поверхностях, сложенных магматическими и мета- морфическими породами. На склонах скапливаются каменные глыбы, которые медленно перемещаются вниз при крутизне от 3-5 до 40-45°. Такие движе- ния каменного материала называются курумы (Якутск "курум" - камень). Геологическая деятельность озер и болот. Озера - это водоемы с замедленным водообменом, расположенные в замкнутых углублениях суши (котловинах). Они занимают около 2% поверхности. Величайшее озеро мира - Каспийское море имеет площадь 395 тыс.км2-. Самое глубокое - Байкал 60 (наибольшая глубина 1741 м). в озерах протекают различные процессы, приводящие к образованию континентальных осадочных пород. Денудацион- ная деятельность озер так же, как и морских водоемов, сводится к разру- шению береговых уступов и прибрежных частей дна (абразия), разносу об- ломочного и растворенного материала. Движение водных масс проявляется в виде волн, течений, турбулентного перемешивания воды. Химический состав и минерализация озерных вод отличаются большим разнообразием: пресные - минерализацией до 1 г / к г ; солоноватыз - от 1 до 35 г / к г и соленые или рассольньвэ - более 35 г / к г . В состав озерных отложений входят вещества, образующиеся в озере и поступающие в него с реками,ветром и в результате человеческой дея- тельности. На характер и интенсивность процессов осадкообразования в озерах решающее значение оказывает ланциафтно-клиывтическая зональность. Обломочные отложения играют существенную роль в крупных озерах с большим количеством впадающих водотоков и в горных озерах. У берега осаждается грубо- и крупнозернистый материал (гравий, песок), затем отложения алевритовой фракции (0,1-0,01 мм) и в центральных частях во- доема поймовые и глинистые илы с размером частиц 0,01-0,001 мм и менее. Органогенные отложения образуются за счет накопления нераеложив- шихся и полуразложившихся остатков растений и животных. Это одна из ветвей "детритогенеза", охватывающая процессы образования сапропеля и торфа. В этих отложениях сосредоточены значительные запасы энергии в виде органического углерода, переводимого в это состояние из углекис- лого газа в результате процесса фотосинтеза. Фактически органогенные отложения - производные процесса фотосинтеза. Вторая, не менее важная сторона фотосинтеза,- пополнение кислородом атмосферы Земли. Глобаль- ное геологическое значение озер и болот - это процессы детритогенеза, при которых в органогенных отложениях аккумулируется энергия, атмосфе- ра теряет избыток углекислоты и пополняется кислородом. На дне пресноводных озер из остатков водорослей, планктонных и бентосных организмов образуется сапропель, содержащий кроме органиче- ского вещества и минеральные составляющее - песчаные, алевритовыэ и глинистые частицы, а также хемогенные осадки. Сапропелем называют гни- лостный ил, имеющий коллоидную структуру и не менее 50£ органического вещества. В естественном состоянии сапропель имеет очень высокую влаж- ность (до 97%) и на вид представляет собой студенистую массу желтова- то-бурых оттенков, жирную на ощупь. Высохнув, становится очень плотным и не размокает в воде. В сухом состоянии его называют оадрокод. В те- 61 чение года отлагается слой сапропеля от нескольких сантиметров до нес- кольких дециметров. Мощность сапропелей - от метров до десятков метров. Месторождения сапропеля образовались в последние 10-12 тыс.лет. Более древние сапропели в результате диагенеза превратились в горючие сланцы и ископаемые угли. При зарастании пресноводных озер накапливается торф. При отложении в озерах кремниевых скелетов диатомовых водорослей образуется диатомит - пористая рыхлая порода белого, серого, кремового цвета с мальм удельньм весом. В Ткменской области запасы диатомита 500 трлн.м. Озерная известь образуется на дне озер из минерала кальцита. За- пасы озерной извести очень велики. Хемогенные осадки. В озерах гумидной территории накапливаются илистые осадки, состоящие большей частью из глинистых минералов (алю- мосиликатов) . Скопления оксидов и гидроксидов железа, марганца и алю- миния формируют мелкие конкреции - "бобовые руды". Из глинистых илов, обогащенных карбонатными минералами, образуются прослои мергелей. В аридной зоне из соленых озер осаждаются соли. Вначале кальцит и гипс, затем галит NaCl, далее сильвин КС1 и в последнюю очередь хлори- ды магния. В озерах вулканического типа часто образуется самородная оера. Болота. Это избыточно увлажненные участки суши, часто имеющие торфяную залежь и покрытые специфической болотной растительностью. Бо- лотные массивы особенно развиты в областях с влажным климатом. Выделя- ются два основных способа образования болот - заболачивание суши и за- растание озер. Заболачивание суши происходит на переувлажненных почвах. Избыточ- ное увлажнение почв вызывается разными причинами. К основным относятся обилие атмосферных осадков и близкое залегание к поверхности водоупор- ных слоев. Часто болота образуются в поймах рек - их называют плавня- ми. Заболачивание может развиваться в местах пластовых выходов подзем- ных вод или мочажин, расположенных на относительно ровных, горизон- тальных участках рельефа. В тропических и экваториальном поясах нахо- дятся обширные заболоченные прибрежно-морские низменности, а также ши- роко распространен своеобразный тип болот - мангровые леса. Болота, образующиеся путем зарастания озер, представляют собой стадию старения и умирания озера. Зарастание и заторфовывание озера происходит как от 62 берегов к центру (при этом образуются торфяные залежи, по составу соот- ветствующие отмирающей растительности), так и по вертикали. Отмирающая растительность, накапливаясь на дне, подвергается слабому разложению в анаэробных условиях, что способствует обмелению озера. Процесс этот развивается дальше: обмелевшие участки обживаются мелководной расти- тельностью и прибрежные растения подвигаются к центру водоема. В глу- боких озерах с застойным режимом зарастание происходит по вертикали. На поверхности воды из плавающей растительности образуется плавающий ковер, называемый сплавиной. Мощность сплавины постепенно увеличивает- ся, а на дне накапливается слой отмерших растительных остатков. Если сплавина покрывает всю водную поверхность озера, образуется зыбкое бо- лото. Сплошное плотное болото формируется при смыкании зыбуна с донны- ми осадками. На основании условий водного и минерального питания, а также мес- тоположения выделяют разные типы болот. Низинные болота располагаются в понижениях рельефа и питаются в основном подземными водами, богатыми минеральными веществами. На них произрастают евтотрофные (требовательные к минеральному питанию) рас- тения, из отмерших остатков которых накапливается торф. Торф низинного типа состоит из хорошо разложившихся растительных остатков и имеет по- вышенную зольность (6-18%). В зависимости от ботанического состава вы- деляют виды торфа:сосновый, тростниковый, гипновый и др. Поверхность низинных болот плоская или вогнутая. Переходные болота с обедненным минеральным питанием образуются за счет атмосферных и подземных вод. На этих болотах развита мезотрофная растительность, не требующая обилия питательных веществ и образующая торф переходного типа (зольность 4-6%). По характеру эти болота проме- жуточные между низинными и верховыми. Верховые болота образуются в условиях исключительной бедности ми- нерального состава - только за счет атмосферных осадков. Особенно это характерно для водоразделов. Верховые болота называют олиготрофными по характеру растительности, не требовательной к содержанию питательных веществ. Типичные растительные формы - мхи, много кустарников. Верхо- вой торф имеет пониженную зольность (2-4%) и невысокую степень разло- жения растительных остатков. Среди четвертичных и современных болотных отложений наибольшее распространение и практическое значение имеет торф - горная порода ор- ганогенного происхождения, образующаяся в результате неполного разло- 63 жения растительных остатков в условиях избыточной влажности и недос- татка кислорода, содержащая менее 50% минеральных веществ. Торф предс- тавляет собой продукт начальной стадии преобразования растительного материала в уголь. Одним из важнейших процессов при этом является био- химическая гумификация - образование аморфного вещества - гумуса. Со- держание этого вещества определяет многие практические свойства торфа. .Интенсивность окраски торфа также зависит от содержания гумуса. Струк- туру торфа при низкой степени разложения сохраняет некоторые признаки "исходного растительного материала (волокнистая, войлочная, ленточная и ..ДР.,). Пористость торфа при малой степени разложения - до 80%, влажность при естественном залегании - до 95%. Торф залегает в вида линз или пла- стов. Мощность пластовых залежей достигает первых десятков метров. Покрытие торфяников породами кровли означает переход к углефика- щш, заключающейся в превращении торфа в бурый уголь и далее, при бла- гоприятных геологических условиях, в каменный уголь и антрацит под длительным воздействием повышенных температур и давлений без доступа кислорода воздуха. Химические изменения при этом заключаются в увели- чении содержания углерода (от 65% в бурых углях до 98% в антрацитах), уменьшении содержания кислорода (от 30% до 1 %) и водорода (от 6% до 1%) соответственно. К болотным отложениям относятся также хемогенные осадки. В условиях низинных болот образуются железные руды или бурые же- лезняки, вивианит, сидерит, болотная известь. Геологическая деятельность болот многопланова. Болотные массивы играют роль гигантских фильтров, постоянно очищающих атмосферную воду. Многие крупнейшие реки мира берут начало из болот - водорегулирующая роль болот. Геологическая деятельность морей и океанов. В геологической исто- рии Земли роль морей и океанов чрезвычайно велика. Площадь акватории Мирового океана составляет 2/3 всей поверхности планеты, т .е . 361 млн.км*. Одними из важнейших химических особенностей мзрсксй вода яв- ляются ее соленость и солевой состав.. Средняя соленость в Мировом океане 35%. В солевом составе преобладают растворимые соли. Содержание кисло- рода в воде более чем в 1,5 раза превышает его содержание в воздухе, что создает весьма благоприятные условия для существования в ней жи- вотных и растительных организмов и резко повышает ее химическую актив- ность. Вода в Мировом океане находится в непрерывном движении: волне- ния, течения, сгонно-нагонные движения, приливно-отливные движения. 64 разрушительная работа морей и океанов называется абразией (лат. "абра- зио" - соскабливаю). Она подразумевает механическое разрушение горных пород волнами и подводными течениями. Наиболее активно абразия проте- кает в прибрежной зоне, где происходит формирование абразивной тер- рабы. Продукты абразии вместе с другим осадочным материалом, доставлен- и й реками, ветром и льдом,накапливается в определенной закономернос- ти, формируя различные виды осадков: терригенные, биогенные, хемоген- ные, из которых в процессе диагенеза образуются соответствующие оса- дочные породы. Диагенез (греч. "диагенеэис") - перерождение, происходит вследс- твие следующих процессов. Под влиянием сил гравитации по мере накопле- ния осадков происходит их уплотнение, что приводит к активному взаимо- действию составляющих их компонентов друг с другом, а также с перовыми водами и средой их накопления. Под тяжестью вышележащих осадков в ниж- них слоях происходит выжимание поровой воды - обезвоживание. Отдельные компоненты осадка при заполнении порового пространства связываются между собой - цементация. В качестве цемента встречаются кремнезем, оксиды железа, карбонаты, фосфаты и др. Уплотнение. или уменьшение объема, обусловлено в основном вышележащими осадками и происходит в ре- зультате перекристаллизации, обезвоживания к цементащи осадочного ве- щества. В конечном итоге диагенеза рыхлые осадки превращаются в твер- дую окаменевшую горную породу. Например, пески - в песчаники, терри- генные илы - в глины, солевая рапа - в каменную соль, карбонатные илы - в известняки и т.д. Осадочные горные породы. Обломочные (терригенные) породы образу- ются из обломочных частиц. В основу классификации этих пород положены следующие признаки: размер породообразующих частиц, их форма (углова- тые или окатанные), облик породы (рыхлая или сцементированная). Клас- сификация обломочных пород представлена в табл.5. Хемогенные и органогенные породы классифицируются по химичес- кому составу, поэтому целесообразно их рассматривать совместно. Наибо- лее распространенными из них являются карбонатные: известняки, доломи- ты, мергели. Известняки - мономинеральные породы, состоящие из кальцита СаСОз. Они могут иметь хемогенное и органогенное происхождение. Хемогенные Известняки подразделяются на разновидности в зависимости от их внешне- го облика. Они могут быть кристаллическими, скрытокристаддическими, 65 <0 я s <3 о (О, Еч' I О в Q. О I-. 0 1 66 оолитовыми и кавернозными. Органогенные известняки сложены преимущественно скелетными форма- ми животных. Известняки, состоящие из скелетных чаотей хорошей сохран- ности, называются раковинными. Если же в состав входят обломки рако- вин, то есть детрит (от лат. "детритус" - обломок), то они именуются детритовьм4. Разновидностью известняков является мел, имэкздий тонко- кристаллическую структуру и состояний из мельчайших кристалликов каль- цита и облсмков планктонной микрофауны - фораминифер. Вое известняки • реагируют с 5-10%-й соляной кислотой. Доломит состоит из одноименного минерала, слабовокипающего от воздействия НС1. Доломиты исключительно хемогенного происхождения. При различных соотношениях в породе кальцита и доломита возникает целая гамма переходных пород. Мергель - смешанная порода, состоящая из кальцита и глинистого материала. После реакции на НС1 образует грязное пятно из глинистых частиц. Кремнистые породы, состоящие из оксидных и гидроисидных соедине- ний кремния, также могут быть хемогенными и органогенными образования- ми. Органогенные породы представлены -диатомитом, состоящим из скорлу- пок диатомовых водорослей, а хемогенные - трепелом, опокой, кремнем, явмой. Трепел - мелоподобная порода, ив мельчайших стяжений опала, очень легкая и макроскопически неотличимая от диатомита. Уплотненный трепел называется опокой. Яшма и кремень являются мономинеральными породами, слаженными халцедоном. Яша в отличие от кремня, благодаря присутствию в ней красителей, приобретает яркую живописную окраску, которая связана о ее происхождением (при подводном извержении вулканов). Обе породы весьма твердые, с раковистым изломом. Сульфатные породы состоят из минералов ангидрита(CaS04) и гипса (CaS04-Hg0) и имеют аналогичные названия. У них хемэгенное происхожде- ние, и возникают они из перенасыщенных растворов в озерах и лагунах. Галоидные породы возникают в условиях, аналогичных условиям обра- зования сульфатных пород. Наиболее распространенными их представителя- ми являются каменная соль, состоящая из галита (NaCl), и сильвинит (калийная соль), представленный сильвином (КС1). 67 Фосфоратовые породы представлены фосфоратом, имеющим кристалли- ческую или скрытокристаллическую структуру и образующим либо конкре- ции, либо цемент в терригенных породах. Имеет хемогенное происхожде- ние. Железистые породы возникают химическим путем, представлены оксид- ными и гидроксидными соединениями железа: магнитный железняк - магне- титом, красный железняк - гематитом и бурый железняк - лимонитом. Б болотных рудах железо встречается в составе сидерита (РеСОз). Марганцовистые породы - породы, содержащие первые проценты мар- ганца. При содержании марганца в породе выше Ю% порода превращается в руду. Марганец часто встречается в сочетании с железом, образуя же- лезсмарганцевые конкреции. Их запасы в Мировом океане исчисляются триллионами тонн. Аддатные породы отличаются высоким содержанием глинозема. К ним относятся латераты - элювиальный продукт физико-химического выветрива- ния. Если в этих породах содержание AI2O3 превышает 287;, они становят- ся алюминиевой рудой - бокситом. Кауотобиодиты, или горючие породы. Органогенные породы, образую- щиеся из продуктов переработки растительных и животных остатков. Б за- висимости от состава исходного материала и способов его переработки (участия кислорода и бактерий) выделяют битумы, гумусы и сапропелита. Битумы представляют собой углеводороды метанового ряда, в их сос- тав входят газ, нефть и твердые образования - озокерит или горный воск и асфальт. Гумусы являются углеродсодержащими породами и в зависимости от степени разложения органического вещества и содержания углерода обра- зуют ряд: торф (содержание С - 50-60%), бурый уголь (С - 70%), камен- ный уголь (С - 80%), антрацит (С - 90%). Сапропелита - сапропелевые угли и горючие сланцы. Эти породы об- разуются из накалливанцегося в озерах сапропеля. 68 Л и т е р а т у р а 1 . А л л и с о н А., П а л ь м е р Д. Геология.-М.: Мир, 1984. 2. Е р ш о в В В., Н о в и к о в А.А., П о п о в а Г.Б. Основы геологии. - М.: Недра, 1986. -309 с. 3. Общая и полевая геология / Под ред. АН.Панлова. - Л.: Недра, 1991. - 462 с. 4. Ш т р ю б е л ь Г., Ц и м м е р З.Х. Минералогический словарь. - М.: Недра, 1987. -492 с. 5. В ы с о ц к и й Э.А., Д е м и д о в и ч Л.А., Д е р е в я н к и н Ю.А. Геология и полезные ископаемые Республики Беларусь. - Мн : Ушверсгсэцкае, 1989. 6. Лабораторные работы по разделу ((Минералы// курса «Геологические дисциплины» для студентов специальности Т.09.05 - «Открытые горные работы». -Мн. , 1991.-28 с. 7. Лабораторные работы по разделу «Горные породы» курса «Геологиче- ские дисциплины» для студентов специальности Т.09.05 - «Открытые горные работы». - Мн., 1991. - 34 с. 69 С о д е р ж а н и е В в е д е н и е 3 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗЕМЛЕ 5 1.1. Строение Земли 7 1.2. Внутренние геосферы 9 1.3. Земная кора 10 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ ЗЕМЛИ 12 3. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ 15 4. МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ 17 4.1. Симметрия минерального мира 20 4.2. Конституция минералов 23 4.3. Морфология и основные физические свойства минералов 25 4.4. Диагностика минералов 27 4.5. Условия образования и нахождения минералов 28 4.6. Главные породообразующие и рудные минералы и их классификация 29 4.7. Определение минералов 31 5. ПЕТРОГРАФИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ 38 Возраст горных пород 40 6. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕКТОНОСФЕРЫ И ДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ 40 7. МАГМАТИЗМ И МАГМАТИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ 46 Классификация магматических пород 47 8. МЕТАМОРФИЗМ И МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ.. . 52 9. ЭКЗОГЕННЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 54 Л и т е р а т у р а 69 Учебное издание ПОЛИКАРПОВА Наталья Неотеровна ОБЩАЯ ГЕОЛОГИЯ Учебно-методическое пособие для студентов заочной формы обучения по специальности «Горный инженер» Редактор Н.А.Школьникова Подписано в печать 23.10.2000. Формат 60x84 1/16. Бумага тип. № 2. Офсет, печать. Усл.печ.л. 4,2. Уч.-изд.л. 3,3. Тираж 100. Заказ 6. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусская государственная политехническая академия. Лицензия ЛВ № 155 от 30.01.98. 220027, Минск, пр. Ф.Скорины, 65.