Курс «Геология»

ВВЕДЕНИЕ

 

Курс «Геология» для студентов специальности Г.16 «Экономика» предусматривает изучение основ геологии, минералогии и петрографии; знакомство с важнейшими генетическими и промышленными типами месторождений, основами их разведки и геолого-экономической оценки. Цель курса — объяснить студентам роль и значение геологической информации для экономической оценки месторождений.

 

Геология (греч. «гео» — Земля, «логос» учение), — одна из важнейших естественных наук о Земле. Земля — объект исследования ряда наук (астрономии, географии, геодезии, горного дела, биологии, почвоведения и др.), изучающих нашу планету с различных точек зрения. В отличие от других наук, предмет геологии — неорганический мир нашей планеты и закономерности его развития.

 

Объект изучения геологии — наружняя каменная оболоч­ка планеты—земная кора (з. к.), и взаимодействующие с ней внешние (атмосфера, гидросфера, биосфера, ноосфера) и внутренние (мантия, ядро) оболочки Земли. Геология изучает закономерности развития Земли, возникновения и эволюции жизни на Земле, процессы возникновения минералов, различных типов горных пород, в том числе условия формирования месторождений полезных ископаемых.

 

Непосредственными объектами изучения являются слагаю­щие з. к. составные части (химические элементы, минералы, горные породы, ископаемые, органические остатки и др.) и процессы, ее сформировавшие, которые называются геологи­ческими. В настоящее время геология — разветвленная ветвь неорганического естествознания, опирающаяся на основные положения физики, химии, биологии и других естественных наук. Обширность задач и многообразие объектов привели к ее разделению на ряд самостоятельных геологических наук (табл. 1).

 

Геологические науки и объекты их исследований
Объект исследований	Геологическая наука
Фундаментальные науки
Химический состав з.к.	Геохимия
Минеральный состав з.к	Минералогия,Кристаллография
Горные породы	Петрография,Литология
Геологические процессы	Динамическая геология,вулканология,сейсмология
Строение з.к.	Структурная геология
Движение и деформации з.к	Геотектоника
История развития з.к.	Историческая геология
Напластования слоистых толщ	Стратиграфия
Ископаемые органические остатки	Палеонтология
Физические поля Земли	Геофизика
Формы рельефа	Геоморфология
Прикладные науки
Полезные ископаемые	Учение об МПИ
Подземные воды	Гидрогеология
Грунты и инженерно-геологические процессы	Инженерная геология
Запасы п.и.	Учение о разведке недр
Геологическое обеспечение горного производства	Горнопромышленная геология

 

Методы исследований в геологии подразделяются на прямые, косвенные, экспериментальные и математические. К прямым относятся геологическая съемка и картирование, к косвенным — геофизические (гравиметрические, сейсмические, электрические, магнитометрические и др.) методы, к экспериментальным — моделирование геологических процессов, синтез минералов и горных пород, к математическим — статистико-математические методы обработки и оценки геологических данных, реализованные на ЭВМ.

 

Недра земли — объект и среда горного производства. В силу этого геологические данные (вещественный состав, форма и условия залегания полезных ископаемых и т. д.) прямо или косвенно оказывают влияние, а зачастую определяют схему вскрытия, систему разработки и многие другие стороны горного производства. Формирование месторождений всегда связано с определенными геологическими процессами, протекающими в локальных участках земной коры, обладающих конкретными особенностями строения и развития.

 

В работе рассмотрены только геологические процессы, формирующие минералы, горные породы и месторождения.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗЕМЛЕ

Планета Земля принадлежит к Солнечной системе. Вокруг Солнца, центрального тела системы, движутся 9 больших планет со спутниками, свыше 1000 малых планет и около 100 периодических комет. Планеты подразделяются на две группы, резко отличные по своим физико-механическим свойствам (табл. 2).

 

Планета	Pп/Pэ	Плотность, г/см3	Масса по отношению к Земле	Число спутников
Меркурий	0,39	5,07	0,04	-
Венера	0,97	5,12	0,81	-
Земля		5,52
Марс	0,53	3,95	0,11
Юпитер	10,95	1,33	316,94
Сатурн	9,02	0,69	94,9
Уран	4,1	1,56	14,66
Нептун	3,92	2,27	17,1
Плутон	0,46		0,7	-

 

Внутренние планеты имеют небольшие размеры, сравни­тельно медленное вращение и большие плотности; внешние — очень большие размеры, быстрое вращение вокруг оси и ма­лые плотности.

Земля имеет форму, которую приближенно можно опреде­лить как трехосный эллипсоид, сплюснутый на полюсах. Гео­метрическую фигуру Земли ограничивают поверхностью океа­на, мысленно продолженной под материками таким образом, чтобы она всюду была перпендикулярна к направлению силы тяжести. Полученную таким образом фигуру назвали геоидом.

 

Размеры и некоторые физические свойства Земли как пла­неты характеризуются следующими цифрами:

Экваториальный радиус 6378,245 км

Полярный радиус 6356,863 км

Средний радиус 6371,110 км

Поверхность Земли 510 млн км²

Объем Земли 1,08*10¹² км²

Средняя плотность поверхностных пород 2,7-2,8 г/см³

Земная поверхность имеет более сложные очертания, чем геоид, так как на ее формирование большое воздействие ока­зывают геологические процессы. 29,2% поверхности Земли приходится на сушу, 70,8% —покрыто водой.

 

Внешние оболочки Земли (внешние геосферы) —атмосфера, гидросфера, биосфера— играют важную роль в формировании и развитии земной коры и являются характерной особенностью строения нашей планеты. Оболочки проникают одна в другую и постоянно взаимодействуют между собой и с твердыми оболочками Земли, обмениваясь материей и энергией.

 

Атмосфера — газообразная оболочка Земли. Ее состав в приземных слоях: N—78,08%; О — 20,95%; Аг — 0,93 %; С0₂ — 0,09%; другие газы — 0,01%- Масса атмосферы — 5,15*10¹⁵ т, 90% ее сосредоточено в слое до высоты 16 км. По высоте атмосфера подразделяется на три горизонта — тропосферу, стратосферу и ионосферу.

 

Гидросфера — прерывистая водная оболочка Земли, пред­ставляющая собой совокупность вод морей и океанов (1370 млн. км³), вод суши (0,5 млн. км³), материковых льдов (22 млн. км³) и подземных вод (196 млн. км³). Общая масса гидросферы — 1644*10¹⁵ т. Верхняя граница гидросферы — поверхность открытых водоемов, нижняя, вероятно, соответствует температурному уровню 374° С — критической температуре воды.

 

Биосфера — пространство, где существует органическая жизнь. В настоящее время это верхняя часть литосферы, вся гидросфера и нижняя часть атмосферы. Масса живого вещества Земли — 2,4*10¹² т ничтожна, но по своему качественному воздействию па окружающую среду стоит на первом месте. Основу живого составляет углерод, в меньших количествах— кислород, водород, азот. Основная масса живого вещества сосредоточена в зеленых растениях. Процесс фотосинтеза вовлекает в кругооборот огромные массы вещества Земли и определяет высокий кислородный потенциал ее атмосферы и биосферы в целом. С химической точки зрения это реакция С0₂ +Н₂0->СН₂0 +0₂, в результате которой синтезируется органическое вещество и выделяется свободный кислород. Процессы фотосинтеза и обратные ему (разложения органического вещества)путем окисления находятся в состоянии динамического равновесия, поэтому общее количество биомассы на Земле постоянно.

 

Внутренние оболочки Земли (внутренние геосферы) подразделяются на ядро, мантию и земную кору.

 

Поверхности раздела внутренних оболочек и неоднородности в их пределах выделены на основе изучения особенностей прохождения продольных и поперечных сейсмических волн по разрезу Земли.

 

При прохождении сейсмических волн в горных породах (под материками на глубине 50—70 км, под океанами — 3-10 км) выделяются два слоя, на границе которых происходит резкое изменение скорости распространения волн. Этот раздел, где скорость продольных упругих колебаний резко возрастает от 6,9—7,4 до 8,0—8,6 км/с, получил название поверхности Мохоровичича (или Мохо), по фамилии югославского ученого, впервые установившего это явление. Резкое изменение скорости прохождения волн на определенных глубинах указывает на границы перехода между какими-то (еще не ясно, какими именно) уплотненными породами, т. е. мож­но сказать, что скачкообразные изменения скорости указыва­ют на скачкообразные изменения плотности вещества.

 

В связи с этим в земной коре выделяют три основных слоя:

1)осадочный чехол, состоящий из мягких слоистых пород, со скоростью прохождения сейсмических волн 5,5 км/с;

2) гранитный слой — 5,5—6,5 км/с;

3) базальтовый (?) слой — 6,9— 7,4 км/с.

Первые два слоя имеют прерывистое залегание и достаточно хорошо изучены, третий еще не исследован. Гра­ница между осадочным и гранитным слоем отбивается четко,между гранитным и базальтовым — плохо. Полагают, что только самая верхняя часть гранитного слоя представлена гранитами, а в остальном это сильно метаморфизованные горные породы.

 

Выделяют кору двух типов: континентальную и океаниче­скую. Кора континентального типа состоит из трех слоев: ба­зальтового, гранитного и осадочного. Гранитный слой мощно­стью до 30 км перекрыт в отдельных участках (прогибах) осадочным чехлом мощностью до 15—20 км и более, на кото­ром залегает слой почвы. В океанической коре гранитный слой отсутствует, здесь базальтовый слой перекрывается тонким слоем (менее 1 км) донных осадков. Под материками на глу­бине 50—70 км залегает верхняя мантия, состоящая предпо­ложительно из пород, близких по составу к дунитам, перидо­титам, с плотностью 3,0—3,3 г/см³. Нижняя граница нижней мантии располагается на глубине 2900 км. С этой глубины скорость сейсмических волн вновь резко возрастает — начина­ется земное ядро, в котором различают внешнюю и внутрен­нюю части. Химический состав ядра неясен. Одни считают, что внешнее ядро силикатное, а внутреннее — железное, другие — что материал ядра идентичен составу мантии, но находится в особом, «металлизированном» состоянии. Такое состояние объясняется тем, что сверхвысокое давление задерживает •плавление, придавая веществам свойства тяжелых металлов. Полагают, что внешнее ядро находится в жидком состоянии, что подчеркивается поведением поперечных сейсмических волн, а внутреннее — в твердом.

 

Температура Земли с глубиной растет постепенно, в верх­ней мантии она около 1700—'2000° С, на глубине 2900 км (яд­ро) приближается к 2200—2500° С, а если внутреннее ядро по составу железное с примесью никеля и кремния, то температура внешней, «жидкой», части ядра около 3700° С.

 

Термический режим з. к. обуславливается рядом причин: главнейшая — солнечная радиация, далее тепловая энергия радиоактивного распада, далее тепло, возникающее при хи­мических реакциях, кристаллизации минералов, тектонических процессах (ротационное тепло).

 

Солнечное тепло проникает в земную кору примерно до глубины 20—25 км. Его роль для плодородия почв и жизни огромна. Слой горных пород, до которого проникают годовые колебания температуры, называется поясом постоянной тем­пературы. Глубина залегания пояса постоянных температур зависит от географического положения, теплопроводности гор­ных пород и условий их залегания, .циркуляции подземных вод и близости вулканических очагов и т. п. Например, Мос­ква — 20 м, Париж — 28 м, Якутск — 116 м.

 

Ниже пояса постоянных температур наблюдается законо­мерное возрастание температур в зависимости от теплового потока. Для его характеристики введены два понятия: геотер­мическая ступень — число метров, на которое надо погрузить­ся, чтобы наблюдать повышение температуры на 1°С, и гео­термический градиент — величина изменения температуры по­верхностных частей Земли в °С При погружении на каждые 100 м.

 

Изучение теплового поля Земли необходимо как для про­гнозирования условий подземной разработки угольных и руд­ных месторождений, так и для оценки геотермальных ресур­сов, которые в последние годы нашли широкое практическое использование в экономике многих стран.

 

Практическому изучению геологии в настоящее время до­ступна лишь ничтожная часть з. к. Наиболее глубокие сква­жины достигли глубин около 10 км (Кольская сверхглубокая 12800 м). Рудники — 4 км (золоторудные рудники ЮАР — 4200 м), а карьеры только в настоящее время проектируются до глубин 900 м. Таким образом, прямым методом геологиче­ских исследований может быть подвергнут лишь тонкий при­поверхностный слой земной коры.

 

Контрольные вопросы

1.Что является объектом изучения геологии?

2.Назовите несколько геологических наук, что они изу­чают.

3.В чем отличие внутренних планет Солнечной системы от внешних?

4.Как подразделяются методы исследований в геологии?

5.Чему равны полярный и экваториальный радиусы Земли?

6.Что такое поверхность геоида?

7.Перечислите внешние и внутренние геосферы Земли.

8.Что представляет собой с химической точки зрения ре­акция фотосинтеза?

9.Какие методы исследований позволили выделить внут­ренние оболочки Земли?

10.Охарактеризуйте строение з. к. на материках и океа­нах.

11.Определите понятия геотермическая ступень и геотер­мический градиент.

12.Каково значение геологии для экономики страны?

 

 

ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ.

Вещество земной коры в порядке усложнения степени его организации образует ряд: химический элемент — минерал — горная порода — формация горных пород.

 

ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

  Химический состав земной коры изучался различными ис­следователями. Первым…   Химический состав земной коры Элементы По Ф.Кларку (1920) По А.Е. Ферсману…

МИНЕРАЛЫ.

  С генетической точки зрения (А. Г. Бетехтин, 1951) минералы— природные…  

ПРОЦЕССЫ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ.

Эндогенные (гипогенные, глубинные) процессы протекают в недрах Земли и связаны с магматической деятельностью. Процессы застывания магмы ведут к…   Экзогенные (гипергенные, поверхностные) процессы происходят па или близ поверхности Земли, а также в атмосфере и…

ГОРНЫЕ ПОРОДЫ.

  Совместное нахождение минералов, обусловленное общностью их происхождения,…  

МАГМАТИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

    Классификация магматических горных пород. Группы…

МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ.

 

ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

  классификация метаморфических горных пород тип метаморфизма фация горные породы главные …   классификация осадочных пород группы …  

Контрольные вопросы

1. Определите понятие горная порода.

2. Какая геологическая наука изучает горные породы?

3. Что понимается под геологической самостоятельностью тел?

4. Перечислите геологические процессы породообразования.

5. Какие характеристики позволяют диагностировать гор­ную породу?

6. Определите понятие структура горной породы.

7. Чем отличается структура от текстуры горной породы?

8. Перечислите наиболее распространенные формы зале­гания горных пород.

9. Сформулируйте принципы классификации магматиче­ских горных пород.

10. Что положено в основу классификации метаморфиче­ских горных пород?

11. Принципы классификации осадочных горных пород.

12. Назовите параметры классификации осадочных обло­мочных горных пород.

 

 

МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

  Д. И. Менделеев замечательно определил: «наука начина­ется там, где начинают…  

МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ

 

Любое тело полезного ископаемого занимает объем, кото­рый можно охарактеризовать тремя измерениями. По геомет­рической форме тела полезных ископаемых подразделяются на изометричные, плитообразные, трубообразные и сложные (рис. 1). По взаимоотношению с вмещающими породами руд­ные тела подразделяются на сингенетические и эпигенетиче­ские. Сингенетические — образованы одновременно или почти одновременно с вмещающими породами: пласты, линзы, чече­вицы, сложные пласты осадочных месторождений; а также гнезда, штоки и вкрапленность хромитов, титаномагнетитовых, сульфидных и редкометальных руд, образовавшихся в ходе кристаллизации ультраосновных, основных и щелочных

 

 

 

интрузивных массивов (рис. 2). Эпигенетические рудные тела образуются позже вмещающих их пород в различной геологи­ческой обстановке. К ним относятся различные по форме жи­лы, кимберлитовые трубки, рудные столбы и др. (рис. 3).

 

МИНЕРАЛО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ.

 

 

Эта классификация, разработанная Н. П. Ермаковым (1961) и дополненная В. И. Смирновым (1965), является од­ной из наиболее совершенных классификаций геолого-экономического характера. На основе признака преимущественного народнохозяйственного использования (отсюда второе назва­ние классификации — промышленная) в классификации выде-

 

 

 

 

лено 8 групп полезных ископаемых, включающих 35 подгрупп. Приведенная классификация по Н. П. Ермакову и В. И. Смир­нову (табл. 8) может быть использована для создания раз­вернутой геолого-экономической классификации, где полезные ископаемые будут увязаны с промышленными типами руд, на­считывающими несколько сот наименований. Приведенные в классификации минеральное сырье и продукты его переработ­ки охватывают большинство отраслей народного хозяйства.

 

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Генетическая классификация окончательно утвердилась в учении о месторождениях полезных ископаемых в 20-х годах нашего столетия. Основатель этой классификации В. А. Обру­чев писал: «В основе принятой мной системы классификации лежит принцип, принятый и другими авторами новых схем.

 

 

Промышленная классификация минерального сырья.

Твердое топливно-химическое сырье

 

1. Каменный уголь — коксующийся, антрацит, энергетический

2. Бурый уголь и лигниты

3. Горючие сланцы, сланцы торфяного происхождения, сапропелиты, вторичные сланцы

4. Торф низинный, переходный, верховой

Жидкое и газообразное топливно-химическое сырье

1. Нефть метановая, нафтановая, метаново-нафтановая, метаново-наф- геноароматическая

2. Природный горючий газ

Металлы

2. Цветные металлы (алюминий, магний, медь, свинец, цинк, никель, кобальт, ртуть, висмут, сурьма, мышьяк) 3. Редкие металлы (литий, бериллий, ниобий, тантан, цирконий, ред коземельные… 4. Рассеянные элементы (скандий, галлий, германий, рубидий, кадмий, индий, таллий, селен, тимур, гафний, рений)

Нерудное сырье для металлургии

1. Флюсы, известняки, и др. карбонаты, плавиковый шпат

2. Огнеупоры (магнезиты, доломиты, огнеупорные шины, кварциты, графит, пирофиллит, формовочные пески)

3. Высокоглиноземистое сырье (нефелитовые сиениты, алуниты, силли­манит, кланит, андалузит, дюмортьерит)

Техническое сырье, драгоценные, полудрагоценные и поделочные камни

2. Пьезооптическое сырье (пьезокварц, оптический кварц, исландский шпат, оптический флюорит) 3. Тепло- и электроизоляционное сырье (асбест, слюда, тальк и таль­ковый… 4. Драгоценные и полудрагоценные камни

Сырье для строительной индустрии

2. Облицовочные камни — мраморы, граниты, лабрадориты 3.Цементное сырье (мергели, известняки, глины, глинистые сланцы) 4.Наполнители бетона (щебень, песок)

Горно-химическое сырье

1.Химическое сырье (натрийсодержащие соли, сера, серный колчедан, сульфаты кальция, бария, алунит, карбонатное сырье)

2.Агрономическое сырье (фосфорсодержащее сырье, калийные соли, бораты, глауконит, селитра, известняки)

Гидро- и газовое сырье

2.Поверхностные воды (озерные рассолы (рапа), морские воды (как источник для получения магния, сульфитов натрия)) 3.Минеральные грязи и илы 4.Негорючие инертные газы (гелий, неон, аргон, криптон)

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ЛОКАЛИЗАЦИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Важнейшие характеристики месторождений: форма, условия залегания, размеры, вещественный состав и др. определяются геологическими процессами,… Магматические факторы—приуроченность различных месторождений к определенным по… С ультраосновными породами (дунитами, перидотитами, пироксенитами) связаны магматические месторождения металлов…

Контрольные вопросы

1. Перечислите принципы классификации месторождений.

2. Какие классификации месторождений Вам известны?

3. Почему генетическая классификация месторождений важна для проведения геологических изысканий?

4. Перечислите наиболее распространенные формы тел полезных ископаемых.

5. В чем отличие сингенетичных рудных тел от эпигенетичных?

6. Назовите важнейший признак минералого-технологической классификации месторождений.

7. Охарактеризуйте условия образования магматических, пегматитовых, скарновых месторождений.

8. В чем отличие мстаморфизованпых месторождений от метаморфических?

9. Каковы временные интервалы формирования месторождений?

10. Определите понятие геологические факторы локализации месторождений.

11. Перечислите важнейшие геологические факторы локализации месторождений.

12. Что относится к важнейшим характеристикам месторождения?