Школьникам и первокурсникам о минералогии

Процессы минералообразования в природе

Возникновение минералов связано с различными природными процессами, протекавшими не только в земной коре или мантии Земли, но также на поверхности или во внутренних частях других планетарных тел, в межзвездной среде и, наконец, как было показано в последнее время, в атмосферах различных звезд.

Первое минеральное вещество во Вселенной возникло задолго до начала образования нашей Солнечной системы и с тех самых пор процессы минералообразования не прекращались. Они и сейчас протекают на различных планетах и в некоторых других космических объектах. Большая часть минерального вещества, образованная на ранних этапах эволюции Вселенной, претерпела к настоящему времени существенные изменения, и лишь в последние годы ученым удалось зафиксировать в составе некоторых метеоритов мельчайшие частицы, пришедшие к нам из далеких космических глубин. Это так называемые досолнечные минеральные зерна, в составе которых установлены алмаз, графит, карбид кремния (SiC), корунд (Al₂O₃) и некоторые другие минеральные фазы.

Вероятно, одним из первых процессов образования минерального вещества в условиях ранней Солнечной системы была конденсация из высокотемпературного "силикатного пара" с образованием тугоплавких минералов, установленных в некоторых типах включений из углистых метеоритов.

Однако в большинстве случаев минералогам приходится иметь дело с разнообразными земными процессами минералообразования, которые для удобства поделены на две главные генетические группы:

1) эндогенные, протекающие за счет внутренней тепловой энергии Земли;

2) экзогенные, совершающиеся за счет внешней (солнечной или космической) энергии, получаемой поверхностью Земли; источником вещества для протекания экзогенных процессов являются обнажившиеся на поверхности Земли различные горные породы и руды.

При попадании продуктов эндогенных и экзогенных процессов минералообразования в более глубокие зоны земной коры, первые могут претерпевать существенные превращения (метаморфизм). Продукты глубинного метаморфизма (регионального метаморфизма) широко проявлены в составе земной коры.

Среди эндогенных процессов минералообразования главными являются магматические, пегматитовые и пневматолитово-гидротермальные.

Магматические процессы. Прежде, чем рассматривать собственно магматические процессы минералообразования, дадим определения что такое магма и лава.

Магмой называется сложный по составу расплав, содержащий многие химические элементы и их соединения, образующийся в глубинных частях Земли или других планет. Особую роль в магме играют кремнекислородные соединения и поэтому магму часто называют силикатным расплавом, главными составляющими которого являются оксиды кремния, алюминия, железа, магния, кальция, натрия и калия. Остальные элементы присутствуют в магме в существенно меньших количествах. Кроме того, в магме растворены газообразные и летучие вещества (вода, углекислота, углеводороды, сернистые соединения и др.), принимающие активное участие в процессах образования минералов. Минералы, образующиеся при застывании магмы, представляют собой соединения, состоящие из тех химических элементов, которые в ней содержались. При застывании магмы в глубинных частях планет возникают интрузивные или плутонические породы. При движении отдельных блоков земной коры или кор других планет магма выжимается по трещинам или ослабленным зонам на поверхность. При этом магма оказывается в областях меньшего давления, где происходит потеря магмой большей части летучих соединений, растворенных в ней. Магма превращается в лаву. При застывании последней возникают эффузивные или вулканические породы. Обе группы магматических пород получили название изверженных, т.е. образовавшихся из расплавов. Огромные массы изверженных горных пород формировались практически на всех этапах геологического развития планет земной группы и некоторых спутников планет-гигантов. Эффузивные породы при быстром остывании на поверхности планеты раскристаллизовывались не полностью и поэтому в своем составе содержат вулканическое стекло и округлые пустоты, свидетельствующие об обильном выделении растворенных в магме (лаве) газообразных продуктов. Главным признаком всех интрузивных пород является их относительно крупная зернистость и отсутствие аморфного стекла, что свидетельствует о медленной кристаллизации магмы на больших глубинах.

Возникновение магм обычно связывается с внутренней тепловой энергией планеты - радиоактивным распадом некоторых химических элементов и движением отдельных блоков коры планет относительно друг друга. Эти явления приводят к локальному нагреву и плавлению окружающих пород. При движении к поверхности планет магмы различного состава могут смешиваться между собой и растворять захваченные по пути следования обломки других горных пород. Таким образом возникают магмы различного типа, кристаллизация которых объясняет наблюдаемое разнообразие изверженных горных пород.

В зависимости от содержания SiO₂ магмы и, соответственно, магматические или изверженные горные породы подразделяются на ультраосновные, основные, средние и кислые. Первые содержат менее 45% кремнезема, последние - более 65%. Подобные вариации наблюдаются и для других химических элементов. Наиболее распространенным типами пород на Земле являются граниты и базальты.

Последовательность кристаллизации минералов из магмы при охлаждении последней зависит как от ее исходного состава, так и от условий кристаллизации. При движении магмы от области ее генерации к поверхности сульфидные комплексы могут отщепляться от нее и кристаллизоваться независимо от других составляющих силикатных расплавов. Таким путем формировались руды медно-никелевых ликвационных месторождений. От магмы могут отщепляться также некоторые минералы, принадлежащие классу оксидов, образуя, например, хромитовые залежи, часто содержащие элементы платиновой группы. Помимо образования сульфидных и окисных минералов, на ранних стадиях кристаллизации магмы выделяется также островной силикат оливин - (Mg,Fe)₂SiO₄, являющийся одним из главных породообразующих минералов в ультраосновных и основных изверженных породах.

Общая схема процесса кристаллизации магмы может быть описана так называемым  реакционным рядом Боуэна, суть которого сводится к последовательному образованию при падении температуры все более кислых (т.е., обогащенных кремнеземом) темноцветных и светлоокрашенных минералов:

	темноцветные	светлоокрашенные
	Оливин (Mg,Fe)2SiO4	Анортит CaAl2Si2O8
	Пироксен Ca(Mg,Fe)Si2O6
	Амфибол Ca2(Mg,Fe)5[Si8O22](OH)2
	Биотит K(Mg,Fe)2[AlSi3O10](OH)2
	Мусковит KAl2[AlSi3O10](OH)2	Ортоклаз KAlSi3O8   Альбит NaAlSi3O8
	Кварц SiO2

  Таким образом, в процессе кристаллизации магмы увеличение ее кремнекислотности при одновременном возрастании роли летучих приводит к образованию на поздних стадиях все более кислых пород.

Некоторые типы магматических пород залегают в форме жил или прожилков. Они образуются в результате заполнения трещин различными минеральными веществами. В трещины из глубинных частей земной коры могли проникать остаточные расплавы, разнообразные пары и газы (флюиды) или горячие водные растворы.

В соответствии с этим жилы по типу источника вещества их слагающих подразделяются на пегматитовые, образовавшиеся в результате собственно магматического процесса на одной из заключительных стадий его протекания, пневматолитовые, в образовании которых приняли участие флюиды, входившие в состав магмы, и гидротермальные, сформированные из горячих водных растворов, поступавших из глубинных частей земной коры.

Пегматитовые процессы. В конце основной стадии магматической кристаллизации остаточный расплав заметно обогащается кремнеземом, глиноземом, щелочами и летучими компонентами. Наряду с этим он также концентрирует в себе значительные количества редких и рассеянных элементов (Li, Be, B, F, Rb, Cs, р.з.э., Mo, Zr, Hf, Ta, Nb, Th, U и др.), размеры ионных радиусов которых не позволили им войти в структуры обычных породообразующих минералов. Обилие легколетучих компонентов (главным образом Н₂О) обуславливает низкую вязкость остаточного расплава, из-за чего последний может легко проникать в трещины и полости вмещающих его пород. Дальнейшая кристаллизация такого расплава приводит к образованию пегматитовых жил. Пегматиты обычно образуются в ассоциации с кислыми (граниты) или щелочными (нефелиновые сиениты) породами. По своему минеральному составу пегматиты близки к материнским породам - главная их масса состоит из тех же породообразующих минералов, однако число и распространенность второстепенных минералов в пегматитах в некоторых случаях существенно больше, чем в материнских породах. Так, например, в гранитных пегматитах кроме породообразующих минералов (полевые шпаты, кварц, слюды) иногда наблюдаются фтор- и борсодержащие соединения (топаз - Al₂[SiO₄](F,OH)₂, турмалин - Na(Mg,Fe)₃Al₆[Si₆O₁₈] (BO₃)₃(OH)₄), минералы бериллия (берилл - Be₃Al₂Si₆O₁₈), лития (литиевые пироксены и слюды), редкоземельных элементов, ниобия, тантала и др. Большинство пегматитов обладает крупнозернистой структурой; отдельные минералы в них иногда достигают гигантских размеров. Во многих пегматитовых жилах наблюдается зональное строение, выраженное в закономерном распределении минералов.

В некоторых случаях пегматитовый расплав-раствор может проникать по трещинам в контрастные по составу вмещающие интрузив породы. При этом в результате взаимодействия вмещающих пород с остаточным расплав-раствором состав последнего может измениться и стать существенно отличным от состава пегматитов, залегающих в материнских породах. Такие пегматиты по классификации академика А.Е. Ферсмана относятся к пегматитам линии скрещения, в отличие от рассмотренных выше пегматитов чистой линии. Важно подчеркнуть, что все пегматиты образуются в конце собственно магматического процесса и занимают как бы промежуточное положение между глубинными магматическими породами и постмагматическими пневматолито-гидротермальными образованиями.

Пневматолито-гидротермальные процессы. Явление пневматолиза (от греческого "пневма" - газ) протекает в тех случаях, когда вследствие перепада давлений происходит вскипание остаточного расплав-раствора и вся жидкость переходит в газообразную фазу, вступая при этом в реакцию с ранее выделившимися твердыми минералами.

Если отщепление летучих, в том числе и паров воды, на заключительной стадии кристаллизации магмы или образования пегматитов происходило на больших или средних глубинах, то высвободившиеся при этом летучие соединения в газообразной форме могли вступать в химические реакции с вмещающими породами, производя так называемый контактовый метаморфизм. Степень метаморфизма и состав получающихся продуктов определялись главным образом химической активностью флюида и составом реагирующей с ним породы. Наиболее интенсивные изменения установлены для зон контактов гранитных массивов с известковистыми породами. В результате разнообразных реакций замещения (метасоматических реакций) в этом случае возникают породы, получившие название скарны. Источниками вещества для их формирования послужили как вмещающие породы, так и некоторые составляющие части магмы. С образованием скарнов нередко связаны крупные месторождения железа, вольфрама, молибдена и некоторых других металлов.

Если отщепление летучих в магматическом очаге или пегматитовых телах происходило на относительно малых глубинах, то дальнейшая миграция (удаление от магматического очага) такого флюида могла привести, в конечном итоге, к образованию другого типа жильных тел (рис. 14). В тех случаях, когда формирование минерального вещества в этих жилах происходило выше критической точки воды (374,5 ^оС), т.е. активную роль в этом процессе играли пар и флюиды, принято говорить о собственно пневматолитовом генезисе. Если формирование минерального вещества происходило ниже критической точки воды, т.е. вода в качестве самостоятельной жидкой фазы играла существенную роль в процессе образования минеральных ассоциаций, говорят о гидротермальном генезисе.

Минеральный состав пневматолитовых и гидротермальных жил крайне разнообразен. Жилы в большинстве случаев сложены кварцем, карбонатами, которые заключают в себя скопления самородных элементов (Au, Ag, Bi), сульфидов, селенидов и теллуридов таких элементов как Mo, Bi, Cu, Zn, Ag, Pb, Sb, Hg и др., оксисоединений вольфрама, Mo, Sn, U и некоторые другие минералы. Именно с пневматолитово-гидротермальными процессами связано образование крупных месторождений редких (W, Mo, Sn, Bi, Sb, As, Hg), цветных (Cu, Pb, Zn), благородных (Au, Ag) и радиоактивных (U, Th) металлов.

В соответствии с температурой образования гидротермальные месторождения подразделяются на высокотемпературные (гипотермальные), возникшие при температурах 400-300 ^оС, среднетемпературные (мезотермальные) с температурами образования минеральных ассоциаций от 300 до 150 ^оС и низкотемпературные (эпитермальные), формирующиеся при температурах 150-50 ^оС. Гидротермальные месторождения, расположенные вблизи магматического очага - обычно высокотемпературные, а расположенные на удалении от магматического очага - низкотемпературные.

Большая часть экзогенных процессов минералообразования, протекающих на поверхности планет более доступна нашему наблюдению, чем эндогенные процессы. Главными среди них являются разнообразные процессы выветривания, осадконакопления и импактный процесс. Последний связан с ударным преобразованием горных пород за счет высокоскоростного падения крупных метеоритов и астероидов.

В континентальных условиях выветривание горных пород, руд и минералов является, вероятно, доминирующим среди других процессов минералообразования. Выветривание (химическое или биологическое) заключается в постепенном разложении нестабильных минеральных фаз и их превращении в другие, более устойчивые в поверхностных условиях минералы.

Среди продуктов собственно осадочного процесса минералообразования, протекающего в водной среде, выделяют механические осадки (и связанные с ними россыпные месторождения золота, платины, алмазов и др.), химические осадки и биогенные или органогенные осадки.

В этом кратком экскурсе в минералогию изложены лишь базовые знания, необходимые при самостоятельном ознакомлении с современной специальной литературой. Описания отдельных минералов, их свойств, практического значения, условий образования и изменения в природе заинтересованный читатель сможет найти в учебниках и монографиях по минералогии, некоторые из которых приведены в списке рекомендуемой литературы.

далее>>