Основные понятия. Земля во Вселенной. Происхождение Земли
Министерство образования Российской Федерации
Санкт - Петербургский государственный горный институт
Им. Г.В. Плеханова
(технический университет)
Кафедра геологии и разведки месторождений полезных ископаемых
Л.В. Кулачков
Геология
(I семестр, разделы 1 – 9) Конспект лекций для студентов специальностей:Раздел 1. Основные понятия. Земля во Вселенной. Происхождение Земли
Цели и задачи курса, его структура и связь с другими дисциплинами
Цель преподавания дисциплины – дать студентам знания о строении и формировании Земли и её основных структурных элементов, о строении и формировании… Задачи дисциплины: ознакомить студентов с современными представлениями о:… Геология, как показывает ее название, - наука о Земле, в основном о твердой Земле. Ее ближайшая родственница -…Основные понятия
Основные объекты геологии (выделены курсивом) взаимосвязаны следующим образом. Атомы в земной коре, объединяясь в кристаллические структуры, создают минералы (минеральные индивиды), последние срастаются в минеральные агрегаты, которые непосредственно формируют геологические тела горных пород и руд (т.е. рудные тела или залежи полезных ископаемых). Геологические тела образуют конкретные геологические структуры земной коры, в том числе и месторождения полезных ископаемых. Все указанные объекты, а также взаимоотношения между ними создаются и происходят под воздействием геологических процессов.
Полезное ископаемое – вещество земной коры, добываемое с целью практического использования.
Руда - минеральный агрегат, из которого технически возможно и экономически целесообразно извлечение полезных компонентов: химических элементов, их соединений или минералов. Первоначально этот термин применялся лишь для агрегатов - источников металлов, затем он распространился и на неметаллические полезные ископаемые, как, например, в случае извлечения химических элементов - неметаллов ( Р, В, S и др.), а также минералов: хризотил-асбеста, графита и др. По этой причине, является нежелательным ставшее традиционным использование прилагательного “рудный” вместо термина “металлический”.
Простыми или однокомпонентными называются руды, из которых извлекается один полезный компонент (химический элемент или минерал).
Комплексными или многокомпонентныминазываются руды при наличии более одного полезного компонента. В случае металлических полезных ископаемых комплексные руды также называют полиметалльными. Примером таких руд являются полиметаллические руды, в которых главными ценными компонентами являются свинец и цинк, кроме которых попутно извлекаются медь, золото, серебро, кадмий и другие металлы.
Вредными компонентами называются минералы или химические элементы, затрудняющие переработку или использование полезного ископаемого.
Обогащениемименуется процесс обработки руды с целью концентрации минералов (вплоть до выделения их в чистом виде), удаления вредных компонентов или стандартизации качества минерального сырья.
Технологическими называются свойства, определяющие особенности переработки руды в процессе получения из неё конечного продукта. Они зависят от её минерального и химического состава, структуры и текстуры, а также от состава и строения её минеральных компонентов.
Месторождение полезного ископаемого - участок земной коры, в котором полезное ископаемое содержится в количестве, достаточном для его рентабельной эксплуатации, при качестве, удовлетворяющем потребителя. Очевидно, что данное определение является не столько геологическим, сколько экономическим. Критерием количественной оценки месторождения являются запасы полезного ископаемогов весовых или объёмных единицах. Качество сырья для большинства полезных ископаемых оценивается по содержанию полезных и вредных компонентов, а для многих видов неметаллического сырья, кроме того, исследуют специфические свойства, например, светопропускание оптических минералов, предел прочности на сжатие облицовочного камня, диэлектрические свойства мусковита и флогопита и т.д.
Земля во Вселенной. Происхождение Земли.
В космическом пространстве находятся: · звёзды, · планеты,Раздел 2. Земля как физическое тело. Внутренние оболочки Земли. Геохимические особенности Земли
Форма Земли не совпадает с известными геометрическими фигурами. Эта фигура описывается по некоторой усредняющей поверхности и носит название «геоид». Последний близок к эллипсоиду вращения с полуосями
R экват. = 6 378 км и R полярн. = 6357 км (разница в 21км).
Площадь суши составляет 29,2% поверхности планеты, а вода 70,8%. Средняя высота континентов 800м над уровнем моря, а средняя глубина океанов 4,8км.
Объём Земли - около 1000 000 000 000 (триллион) куб. км.
Пользуясь законом всемирного тяготения рассчитали массу Земли (6 х 1021т) и, следовательно, средняя плотность вещества планеты составляет 5,52 г/куб. см, хотя плотность вещества земной коры лишь 2, 8 г/куб. см.
Земля вращается вокруг Солнца с периодом в 1 год и вокруг своей оси вращения с периодом в 24 ч. Место пересечения оси вращения с поверхностью Земли называют её географическими полюсами. Геометрическое место точек на поверхности Земли, равноудалённых от полюсов называется экватором.
Величина силы тяжести на поверхности Земли: F= j mхmз/Rз2 зависит:
· от широты места из-за компенсирующего действия центробежной силы (и поэтому уменьшается у экватора),
· от широты места из-за увеличения Rз (и поэтому также уменьшается у экватора),
· от высоту над уровнем моря из-за увеличения Rз (и поэтому уменьшается в горах).
Аномалии силы тяжести – гравитационные аномалии – характерны для участков с менее или более плотными горными породами, например, содержащими тяжелые минералы или, напротив, залежи с относительно лёгкими углесодородами – нефтью или газом, что используется в поисковых целях.
Магнитное поле Земли имеет свои полюса, не совпадающие с географическими. Угол между направлениями на магнитный и соответствующий географический полюс называется магнитным склонением. Напряжённость магнитного поля максимальна у полюсов и минимальна на магнитном экваторе. Аномалии магнитного поля наблюдаются над породами, содержащими магнитные минералы, особенно – магнетит, что используется при поисках месторождений железа, алмазосодержащих пород – кимберлитов и т.д.
Гравитационные процессы и природная радиоактивность в недрах Земли вызывают разогрев пород на глубине. В верхней части вещество планеты на 1км глубины оказывается прогретым в среднем на 30о (термоградиент равен 30о). То есть на глубине 10 км – 300оС, 100 км – 3000оС. Однако в центре Земли температура равна 4000оС. Термоградиент вразных регионах колеблется от 5 до 2000оС: он меньше в стабильных зонах (на щитах) и больше в горных и вулканических зонах (на Украинском щите – 8о, в Карпатах – 36о, на Камчатке – 150 – 200оС).
При изучении строения Земли выделяют ее внешние (атмосфера, гидросфера, биосфера) и внутренние (земная кора, мантия, внешнее и внутреннее ядро) оболочки. Земную кору и непосредственно к ней примыкающую часть верхней мантии объединяют в так называемую литосферу - "каменную оболочку". Выделяют также континентальную и океаническую коры, отличающиеся составом пород и толщиной. Внутреннее строение Земли изучают, исследуя прохождение и отражение искусственных или природных сейсмических (ударных) в недрах. На границах мантии, внешнего и внутреннего ядра, которые отличаются физическими свойствами и составом вещества, происходит скачкообразное изменение скоростей сейсмических волн.
Граница раздела коры и верхней мантии – граница Мохоровичича. Под ней находится, вероятно – жидкая зона – астеносфера. Вещество мантии похоже на каменные метеориты, а вещество ядра – на железные, причём вещество внешнего ядра – жидкое, а внутреннего – твёрдое вследствие чудовищного давления.
Переходя к общему обзору глобальных геологических структур, необходимо отметить, что наиболее крупными частями земной коры являются подвижные литосферные плиты, несущие на себе континенты и океаны и отделенные друг от друга рифтами - мощными и протяженными зонами глубинных разломов, уходящих в астеносферу. Границы плит являются зонами максимальной тектонической, сейсмической и вулканической активности. Литосферные плиты, двигаясь по астеносфере, расходятся в осевых зонах срединно-океанических хребтов (здесь происходит разрастание коры за счет поступления из мантии магмы) и сходятся по периферии океанов (здесь одна плита пододвигается под другую). Причиной перемещения литосферных плит считают тепловую конвекцию в мантии. В пределах литосферных плит выделяются геосинклинально-складчатые области, имеющие сложное геологическое строение, и платформы, нижняя часть которых представляет собой складчатый геосинклинальный фундамент, на котором относительно спокойно залегают породы (преимущественно осадочные) платформенного чехла.
В составе земной коры наиболее распространены химические элементы (вес. %):
1. кислород – 46, 6
2. кремний – 27,7
3. алюминий – 8,1
4. железо – 5,0
5. кальций - 3,6
6. натрий – 2,8
7. калий – 2,6
8. магний - 2,1 (в сумме – 98,5%),
входящие в состав различных породообразующих минералов, в основном силикатов и алюмосиликатов. Средние содержания элементов, рассчитанные геохимическими приёмами, именуют кларками химических элементов.
Атмосфера Земли состоит в основном из азота, кислорода и относительно небольшого количества СО2. На других планетах её гораздо больше – на Земле она благодаря фотосинтезу в растениях и связыванию в карбонатах океанских осадков. Вероятно, атмосфера – реликт первичной газово – пылевой туманности.
Раздел 3. Общие понятия об эндогенных и экзогенных геологических процессах
Геологические процессы непрерывно протекают как на поверхности Земли, так и внутри ее, разрушая или изменяя одни породы и создавая другие, формируя рельеф поверхности Земли и структуры земной коры. Существует разница между эндогенными процессами (тектоногенез, магматизм, метаморфизм), определяемыми глубинными факторами, и экзогенными (выветривание, денудация, транспортировка, осадконакопление), действующими на поверхности Земли.
Схема.
Эндогенные процессы связаны с развитием материи в недрах Земли, а экзогенные- с взаимодействием земной коры с внешними оболочками Земли и через них с космосом. Эндогенные и экзогенные процессы тесно связаны между собой и взаимно обусловлены; о результатах геологических процессов нередко судят по образованию характерных пород и руд, по особенностям сформировавшихся геологических структур, т.е. строению того или иного участка земной коры.
Раздел 4. Основы кристаллографии и минералогии
Кристаллография
Кристаллография - наука о кристаллах. Она изучает их внешнюю форму, внутреннее строение (структуру), физико-химические свойства, происхождение.… · морфология кристаллов (геометрическая кристаллография), · кристаллохимия (структурная кристаллография),Таблица 1.
Сингонии кристаллов
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МИНЕРАЛАХ
Минералами называют однородные по строению неорганические кристаллические вещества, образовавшиеся в результате природных физико-химических… Наиболее широко распространены породообразующие минералы: полевые шпаты,… Минералогия изучает состав, структуру, свойства и условия образования минералов в природе, закономерности их…Химический состав и кристаллическая структура минералов
Реальный состав и структура реальных минеральных индивидов отличаются от идеальных, выраженных в химических формулах и структурных схемах. Эти… Полиморфизм - пребразование структуры химического соединения без изменения его… Минералы одного и того же состава, но разной структуры - полиморфные модификации (от лат."поли" - много,…Физические свойства минералов
Физические свойства минералов имеют большое практическое значение (радиоактивность, люминесценция, твердость, магнитные и оптические свойства и… Цвет.Свойство, которое прежде всего обращает на себя внимание любого… Цвет минералов зависит от их внутренней структуры, от механических примесей и, главным образом, от присутствия…Процессы минералообразования
· кристаллизацию из расплавов (магмы), · из газов и газово-жидкой фазы, · из горячих и холодных водных растворов (как истинных, так и коллоидных).Таблица 2.
Типоморфные текстуры твёрдых негорючих полезных ископаемых
| Генетические группы горных пород или руд | |||||
| Магмати-ческие | Гидротер-мальные | Выветри-вания | Осадочные | Метамор-фогенные | |
| Основные текстуры | Нодуляр-ная Такситовая (шлировая) | Прожилковая Кокардовая | Пористая Кавернозная Ячеистая Губчатая Сталактито-вая | Слоистая Конгломера-товая Органогенная Бобовая | Гнейсовая Плойчатая |
Раздел 7. Магматогенные процессы и горные породы.
Магматический процесс
жидкого силикатного расплава - при понижении температуры (температура колеблется от 1200 до 700 0С, давление составляет от 5500 до 500 бар). Здесь… Магматические горные породы делятся на две большие группы:Таблица 3
Классификация магматических пород
| Типы пород по химическому составу | Ультра основные SiO2<45% | Основные SiO2 45-52% | Средние SiO2 52-60% | Умеренно-кислые SiO2 60-65% | Кислые SiO2 65-75% | Щелочные SiO2 52-65% SK2O+Na2 О-12% | Ультра щелочные SiO2 <52% SK2O+Na2O 10-22% |
| Интрузивные глубинные | Дунит, пироксенит, (перидотит) | Габбро | Диорит | Гранодиорит | Гранит | Сиенит | Нефелиновый сиенит |
| Интрузивные полуглубинные | Габбро-диабаз | Диорит-порфирит | Гранодиорит-порфирт | Гранит-порфир, (аплит) гранитный пегматит | Сиенит-порфир | ||
| Эффузивные | Кимберлит (пикрит) | Базальт, пироксен-плагиоклазовый порфирит | Андезит, андезитовый порфирит | (Дацит) | Липарит, кварцевый порфир | Трахит, ортоклазовый порфир | |
| Минеральный состав | Оливин, пироксены | Пироксен, основной плагиоклаз | Средний плагиоклаз, пироксен | Кислый плагиоклаз, кварц, калиевый полевой шпат, амфибол. | Кварц, калиевый полевой шпат, кислый плагиоклаз, биотит, амфибол | Калиевый полевой шпат, средний плагиоклаз, амфибол пироксены | Нефелин, калиевый полевой шпат, щелочные пироксены, амфиболы |
Разнообразие горных пород объясняется процессами дифференциации магмы. Дифференциация или разделение магмы - это совокупность различных физико-химических процессов, которые происходят на значительных глубинах и ведут к тому, что разные части единого магматического резервуара обогащаются различными компонентами. Различают магматическую и кристаллизационную дифференциацию. К магматической дифференциации следует отнести ликвацию. Ликвация - разделение силикатного расплава на две несмешивающиеся жидкости: тяжелую (обогащенную оксидами или сульфидами железа) и легкую (обогащенную летучими и солями). При охлаждении обоих расплавов они дают различные по составу породы. Это приводит к образованию ликвационных месторождений никеля и меди, важных в промышленном отношении. Кристаллизационная дифференциация происходит благодаря процессам кристаллизации минералов и обусловлена перераспределением различных компонентов в магме. Кристаллизация магмы сопровождается накоплением в расплаве кремнезема, щелочей и воды. Большую роль при образовании пород играют процессы ассимиляции. Ассимиляция - это захват и переплавление пород, в которые внедряется магма и которые приводят к изменению ее состава. Особенно сильные изменения наблюдаются в приконтактовых частях крупных магматических тел, где процессы ассимиляции идут наиболее интенсивно.
Пегматитовый процесс
Пегматиты - крупно- и гигантозернистые жильные тела, близкие по составу интрузиям, с которыми они пространственно связаны. Пегматиты отличаются… фтора, бора). Этот расплав, кристаллизуясь, образует пегматиты. При совместной… · керамические (крупные блоки микроклина и кварца),Метасоматические процессы
Рассмотрев собственно магматический и пегматитовый процессы минералообразования, по нашему мнению, целесообразно рассмотреть здесь же… Наиболее сильно явления контактового метаморфизма проявляются при внедрении… Контактово-метасоматические процессы неразрывно связаны с магматическими и метаморфическими процессами…Гидротермальный процесс
Гидротермы - горячие водные растворы, отделяющиеся от магм и образующиеся в результате сжижения газов. Гидротермальные растворы выносят из… · высоко- (450-300оС), · средне- (300-200оС),Таблица 4.
Минералы гидротермальных жил
Раздел 8. Экзогенные геологические процессы. Осадочные горные породыПроцессы выветривания
Выветривание - изменение и разрушение горных пород и минералов на поверхности Земли или вблизи неё без переноса продуктов выветривания. Главными факторами этих процессов являются газы атмосферы и вода, а также… Химическая активность природных вод зависит от содержания O2-, СО2, NОз-, SО42-, гуминовых кислот, NН4+, галогенидов,…Процессы осадконакопления
Здесь очень важны процессы накопления механических осадков и их преобразования в обломочные породы, а также условия образования и формы залежей… Осадочные породы отличаются по ряду признаков: составу, структурам, текстурам,… В основу классификации обломочных горных пород положены следующие классификационные признаки: гранулометрический…Таблица 5
Обломочные и глинистые горные породы
Существуют закономерности накопления механических осадков (закон механической… В разрезе аллювиальной долинной россыпи выделяют продуктивную часть ("плотик", "пески",…Таблица 6
Важнейшие химические и биохимические осадочные породы
Большинство из перечисленных осадочных пород могут рассматриваться как… Карбонатные породы наиболее распространены среди осадочных пород химического и биохимического происхождения.Таблица 7
Характеристика важнейших метаморфических пород.
Библиографический список
Основной
1. Булах А. Г. Минералогия с основами кристаллографии: Учебник для вузов. М.: Недра, 1989. 351 с.
2. Якушова А.Ф. Общая геология:.:Учебник/В.Е. Хаин, В.И. Славин. М.:Изд-во МГУ, 1988. 448 с.