ПРОЦЕССЫ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ.

Геологические процессы образования минералов по источнику энергии подразделяются па две большие группы: эндогенные, связанные с внутренней энергией Земли, и экзогенные, связанные с внешней энергией Солнца, ветра, воды.

Эндогенные (гипогенные, глубинные) процессы протекают в недрах Земли и связаны с магматической деятельностью. Процессы застывания магмы ведут к образованию различных магматических горных пород, а отделяющиеся от магмы газовые и водные растворы переносят различные элементы и их соединения, которые при благоприятных условиях, например, в полостях, пустотах, трещинах, выделяются в виде минералов.

 

Экзогенные (гипергенные, поверхностные) процессы происходят па или близ поверхности Земли, а также в атмосфере и гидросфере. Они связаны с физическим и химическим разрушением горных пород и минералов и вызывают образование других устойчивых в поверхностных условиях Земли пород и минералов. К этой группе относятся и биогенные (связанные с жизнедеятельностью) процессы.

 

Минералы и горные породы, образованные при эндо- и экзогенных процессах, при изменении физико-химических условий в недрах испытывают преобразования.— метаморфизм; возникающие при этом новые минералы и горные породы называют метаморфическими.

Эндогенные процессы минералообразования подразделяются на магматические, пегматитовые, пневматолитовые и гидротермальные. Эти процессы всегда связаны с деятельностью магмы.

 

Магматические процессы. Магма представляет собой огненно-жидкий силикатный расплав, образующийся в глубинных зонах Земли. Часть ее изливается через жерла вулканов или трещины на земную поверхность и быстро застывает в виде потоков или покровов стекловатых (частично раскристаллизованных) лав — эффузивов, другая часть не доходит до поверхности и медленно застывает па глубинах 1 км и более, образуя интрузивные полнокристаллические породы. Именно при кристаллизации магмы возникла большая часть минера-лов, слагающих земную кору. Когда говорят о магматическом происхождении минералов, то обычно указывают, с какими по составу породами они связаны: кислыми, средними, основными, ультраосновными. Разнообразие магматических горных пород объясняется процессами дифференциации магмы при ее кристаллизации и ассимиляции ею вмещающих пород.

 

К числу минералов, образующихся путем непосредственной кристаллизации магматических расплавов, относятся, в основном, различные силикаты. Таким же путем образуются сульфиды железа, никеля, меди, а также хромит, апатит, алмаз и целый ряд других.

Пегматитовые процессы. Пегматиты — своеобразные геологические тела, образовавшиеся в последние этапы кристаллизации магматического очага. Они занимают промежуточное положение между интрузивными породами и рудными жилами. Тела пегматитов, как правило жильной, реже линзовидной формы, сложены породообразующими минералами материнского массива. Пегматиты обнаруживают тесную пространственную и генетическую связь с различными магматическими породами: гранитами, гранодиоритами, сиенитами, габбро и др., являясь продуктами их отщепления. Однако чаще всего пегматитовые жилы встречаются в районах выхода гранитных массивов, так как богатые Si0₂ кислые магмы содержат большее, по сравнению с основными магмами, количество летучих компонентов (Н₂0, С0₂, HF, НСl и др.). В случае гранитных пород пегматиты сложены: полевыми шпатами (60—70%), кварцем (35—25%), слюдами и др. Для пегматитов характерны: крупно-, иногда гигантокристаллическое строение (кристаллы кварца достигают 2 м, полевого шпата амазонита—10 м при весе 100 т); графическая или письменная структура; миаролитовые пустоты — полости в гранитных пегматитах, выполненные кристаллами дымчатого . горного хрусталя, берилла, топаза и другими минералами; зональное строение, обусловленное стадийностью пегматнтообразования.

 

Пегматитовые жилы служат источником добычи крупнокристаллического кварца, слюды, полевых шпатов, а также редких минералов: при пегматитовом процессе накапливаются соединения бериллия, лития, фтора, бора, тория, церия, циркония, которые образуют ряд специфических минералов, представляющих большую ценность либо в качестве драгоценных и полудрагоценных камней, либо в качестве сырья для получения указанных элементов

 

Пневматолитовый процесс. Пневматолиз — процесс образования минералов из газовой фазы. По мере кристаллизации магмы возможно отделение газов, которые по мере их продвижения вверх по трещинам охлаждаются, реагируют друг с другом и с вмещающими породами, в результате чего образуются минералы. Продукты процесса — пневматолиты — разделяются на вулканические и глубинные. Первые образуются в вулканических областях за счет газов, отделяющихся от магмы вблизи или на поверхности Земли. Главные газы при извержениях пара: Н₂0, НС1, H₂S, SO₂, NH₄Cl, СО₂, СО, Н₂,

 

В процессе возгона в трещинах лавовых покровов и кратерах вулканов преимущественно образуются хлориды и сульфаты—минералы, легко растворимые и потому неустойчивые. Практическое значение минералов вулканического происхождения весьма ограниченно. Прежде всего это мелкие месторождения самородной серы (иногда содержащей селен). Они известны у нас на Камчатке и Курилах, в Японии, Чили, Италии. В последней добывается также сассолин В(ОН₎₃ — природная борная кислота.

 

К глубинным пневматолитам относят грейзены — породы, образовавшиеся в условиях средних глубин благодаря переработке магматическими эманациями (газами и водными растворами) гранитов и жильных магматических пород. Как •правило, они образуются в куполовидных выступах гранитных интрузий. В грейзенах из минералов резко преобладает кварц, почти всегда присутствует мусковит и часто встречаются лепидолит, топаз, турмалин, флюорит, берилл, рутил. Из рудных минералов характерны касситерит и вольфрамит, в меньшей степени молибденит и арсенопирит.

 

Пневматолитовый процесс неразрывно связан с гидротермальным.

 

Гидротермальные процессы. Гидротермы — горячие водные растворы, отделяющиеся от магмы или образующиеся в результате сжижения газов. По физико-химическому состоянию они могут быть взвесями, коллоидными и молекулярными (истинными) растворами. Отложение минералов из водных растворов— сущность гидротермальных процессов. Причинами отложения минеральных масс могут быть: обменные реакции при смешении растворов, обменные реакции между растворами и боковыми породами, изменение pH среды, коагуляция коллоидов, фильтрационный эффект, сорбция, изменение температуры гидротермальных растворов и давления системы. Гидротермы обычно движутся по трещинам, поэтому преобладающая форма гидротермальных минеральных тел жильная, где главнейшим жильным минералом является кварц. Выделяют высоко- (450—300° С), средне- (300— 200° С) и низкотемпературные (ниже 200° С) гидротермальные минеральные ассоциации, в соответствии с которыми выделяют соответствующие подклассы гидротермальных месторождений.

 

Высокотемпературные гидротермальные минеральные тела располагаются ближе к материнской интрузии, тогда как низкотемпературные являются наиболее удаленными, что подчеркивает зональное расположение гидротермальных минеральных ассоциаций по отношению к интрузии. Например, ближе к гранитной интрузии и в самом интрузиве располагаются гидротермальные жилы с вольфрамитом, касситеритом, молибденитом, далее — жилы с сульфидами меди, золота, свинца и цинка, серебра и далее —сурьмы и ртути. Подобная зональность проявляется не всегда и лишь в небольших (до 10 км) гранитных штоках.

 

В настоящее время считается, что гидротермальные растворы, несущие оруденение, не обязательно являются магматогенными.

 

Гидротермальный процесс не ограничивается отложением минералов в трещинах с образованием различных жильных тел. Гидротермы, как и газы, просачиваются сквозь боковые породы, химически реагируют с ними, привнося новые соединения, и замещают их, образуя метасоматические тела. Последние имеют трубчатую или неправильную форму и залегают, как правило, в карбонатных породах.

Д. С. Коржинским под метасоматозом понимается «всякое замещение горной породы с изменением химического состава, при котором растворение старых минералов и отложение новых происходит почти одновременно, так что в процессе замещения порода все время сохраняет твердое состояние». Meтасоматические явления широко распространены в земной ко¬ре и особенно большую роль играют при образовании скарновых и гидротермальных месторождений. Выделяют два типа метасоматоза: диффузионный и инфильтрационный.

 

Первый протекает медленно, особенно часто на контакте пород различного состава, второй — путем проникновения растворов по трещинам и одновременного просачивания по порам и капиллярам, в результате чего существенно изменяется состав породы и раствора.

Минеральные (в том числе и рудные) тела, образованные путем метасоматоза, обладают рядом признаков, отличающих их от рудных тел, сформированных путем выполнения пустот.

К признакам относятся: расплывчатые, нечеткие контакты рудных тел с вмещающими породами; наличие в рудах «висячих» обломков вмещающих пород, обладающих теми же элементами залегания, что и коренная вмещающая порода; отсутствие крустификации в строении жильных тел. Масштабы и интенсивность метасоматоза зависят от пористости и проницаемости пород.

 

Изучение скарновых и гидротермальных месторождений, образованных преимущественно путем метасоматоза, доказывает, что процессы метасоматоза могут развиваться как в силикатных, так и в карбонатных породах. Легко подвергаются этому процессу известняки, хуже изверженные породы и значительно хуже замещаются метаморфические породы (гнейсы, филлиты и кварциты).

 

Экзогенные процессы минералообразования. Эти процессы возникают в результате геологических процессов, протекающих в поверхностной зоне земной коры. Экзогенные процессы минералообразования условно разделяются на две группы: процессы выветривания и осадочные.

 

Совокупность процессов химического и физического разрушения минералов и горных пород в поверхностной зоне земной коры называется собирательным термином выветривание.

Продукты выветривания либо остаются на месте, либо переносятся гравитационными силами, водными и воздушными потоками на различные расстояния. При этом некоторые минералы переходят в раствор и мигрируют в растворенном виде в области аккумуляции — места, где происходит выпадение в осадок, т. е. разгрузка продуктов выветривания в соответствии с изменением гидродинамических и гидрохимических условий.

Процессы выветривания. Агентами выветривания являются вода и ветер, колебания температуры, кислород и углекислота воздуха, жизнедеятельность организмов. Интенсивность выветривания зависит от климата, рельефа местности, химического состава пород и минералов.

 

При физическом выветривании происходит механическая дезинтеграция пород и минералов. В результате обломочный материал либо остается на месте, либо переносится агентами выветривания. Новых минералов при этом не образуется, но в результате механического разрушения, переноса и отложения образуются россыпи — источники многих ценных минералов.

 

При химическом выветривании происходит химическое разложение минералов и образуются новые минералы, устойчивые в поверхностных условиях.

При разложении силикатных горных пород происходит вынос растворимых продуктов (соли калия, натрия, кальция, магния), а труднорастворимые продукты — глинозем и кремнезем — остаются на месте разрушения (так называемые остаточные образования) или испытывают незначительные перемещения.

 

 

В зависимости, например, от особенностей климата глинозем присутствует либо в виде вторичных силикатов (каолинита), либо в виде гидратов окисей (бокситов: гидраргиллита, бемита, диаспора). Каолинит образуется следующим образом:

 

K[AlSi₃O₈]+CO₂₊H₂O à Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈+K₂CO₃+SiO₂

Ортоклаз каолинит

Или

(Na,Ca)Al₂[Si₂O₈]+2H₂O+2CO₂ à ß Al₂(OH)₄[Si₂O₅]+ CaCO₃+ NaOH+H₂C0₃

Плагиоклаз каолинит

 

 

Бокситами называются остаточные образования коры выветривания, обогащенные гидроокислами алюминия. Они образуются в условиях жаркого и умеренно влажного климата. Процессы образования горных пород каолинов и бокситов называются соответственно каолинизация и бокситизация.

 

Отложение каолинов и бокситов на месте разрушения материнских пород формирует остаточные месторождения, если же эти продукты переотложены водными потоками, формируются осадочные месторождения.

 

Большая роль принадлежит процессам выветривания на вскрытых эрозией рудных телах месторождений сульфидных руд. Рудные минералы, в особенности сульфиды, легко разрушаются и переходят во вторичные, окисленные минералы — сульфаты, окислы, карбонаты и другие соединения.

 

В результате образуются зоны окисления сульфидных месторождений или зоны «железной шляпы». Последнее название дано по бурым окислам железа, концентрирующимся в верхних окисленных частях месторождений. Железные шляпы имеют большое поисковое значение, они указывают на наличие на некоторой глубине сульфидного месторождения.

 

По С. С. Смирнову зоны окисления сульфидных месторождений имеют нередко зональное строение. Верхнюю часть занимает зона окисления или зона железной шляпы, которая подразделяется в свою очередь на верхнюю выщелоченную зону и нижнюю богатую окисленную зону.

 

В самой верхней части зоны окисления, богатой кислородом, сульфиды окисляются в сульфаты, например:

 

CuFeS₂+4O₂=FeSO₄+CuSO₄ или ZnS+2O₂=ZnSO₄

 

Сульфаты легко растворимы и просачиваются в нижнюю часть зоны окисления, где образуются новые минералы: гипс, малахит, азурит, смитсонит, церуссит, хризоколла, опал и другие.

 

2CuSO₄+2CaCO₃+5H₂O=Cu₂[CO₃](OH)+2Ca[SO₄]*2H₂O+CO₂

Малахит

ZnSO4+CO2+H2O=ZnCO3+H2SO4

Смитсонит

 

 

Главный минерал зоны окисления — лимонит, или бурый железняк Fe₂0_{3 n}H₂0. По С. С. Смирнову в зоне окисления сульфидов схема превращений соединений железа выглядит так:

 

 

Ниже уровня грунтовых вод располагается зона цемента­ции, или вторичного сульфидного обогащения, за которой ни­же следуют первичные неокисленные сульфидные руды, Из зоны окисления в зону вторичного сульфидного обогащения приносится большое количество химических соединений, воды этой зоны содержат сероводород и серную кислоту, свободный кислород отсутствует. Сульфаты металлов (главным образом меди) реагируют с первичными рудами, в результате чего об­разуются вторичные сульфиды:

 

 

 

В этой зоне образуются руды меди, серебра, золота, свин­ца и цинка. Наибольшее значение эта зона имеет для медных месторождений, где борнит, халькозин и ковеллин образуют богатые промышленные скопления меди.

 

Помимо процессов выветривания, важная роль при экзогенном минералообразовании принадлежит собственно осадочным процессам, к которым относятся перенос, отложение и диагенез.

 

Перенос разрушенного выветриванием материала в виде обломков, во взвешенном состоянии, в виде истинных и коллоидных растворов осуществляется главным образом текучими поверхностными водами, в меньшей степени ветром, ледниками, водами морей и океанов.

Отложение продуктов переноса происходит в морских бассейнах, а также в пределах континентов — в долинах рек, в озерах, болотах и непосредственно на суше. Отложение осу-ществляется путем накопления обломков, выпадения осадков из растворов, а также накопления продуктов жизнедеятельности животных и растительных организмов.

Диагенез — процесс преобразования осадка в осадочную горную породу. По Н. М. Страхову он состоит из: 1) растворения и удаления из осадка малоустойчивых минералов, 2) образования новых минералов в соответствии с новой физико-химической обстановкой; 3) перераспределения отдельных веществ и образования конкреций; 4) перекристаллизации и цементации.

 

При осадочных процессах минералообразования, как и при формировании осадочных месторождений, главная роль принадлежит обычно одному из трех геологических факторов, имеющих место при осадконакоплении: механической дифференциации осадков, химической дифференциации осадков и жизнедеятельности животных и растительных организмов.

 

Механическая дифференциация происходит в процессе переноса и отложения обломочного материала и представляет собой его сортировку и отложение в определенной последовательности, определяемой величиной, удельным весом, формой несомых частиц, особенностями среды и другими факторами. Так образуются механические осадки, имеющие очень широкое распространение. К ним относятся обломочные горные по роды (гравий, пески, алевриты, глины и др.).

 

Химическая дифференциация осадков — процесс последовательного отложения веществ, переносимых в виде истинных или коллоидных растворов или в виде тончайших механических взвесей.

 

Л. В. Пустовалов предложил единую схему химической дифференциации, объединяющую процессы осадкообразования во всех водоемах — от пресных озер и заливов через морские бассейны до лагун и соляных озер. Согласно этой схеме вначале отлагаются окислы (как наиболее труднорастворимые), далее последовательно силикаты, карбонаты, сульфаты и галоиды. Окислы Fe и Mn, Si0₂, фосфориты, силикаты Fe, бокситы, соли закиси железа (сидерит) и кальцит отлагаются последовательно в пресных, солоноватых или с нормальной соленостью водоемах параллельно с отложением продуктов механической дифференциации. Начало выпадения СаС0₃ примерно совпадает с концом процесса механической дифференциации и, начиная с доломита, к продуктам химической дифференциации почти не примешивается обломочный материал и для выпадения минералов требуются повышенные концентрации солей в растворах. В озерах и морях возникали такие условия, когда растворимые вещества не могут больше находиться в растворе и выпадают в осадок. Таково происхождение различных солей: гипса, галита, карналлита и др. Это химические осадки.

 

Значительная роль в образовании минералов и горных пород принадлежит живым организмам и бактериям, поэтому выделяется и биогенный, а точнее биохимический процесс.

 

Установлено участие организмов в образовании фосфоритов, самородной серы, руд железа и марганца, а также каменного угля, торфа, горючих сланцев. Роль организмов в образовании минералов была подчеркнута В. И. Вернадским. Минералы, образовавшиеся при участии организмов, Я. В. Самойлов предложил называть биолитами. К последним можно отнести и породы, например, карбонатные. Подавляющее большинство организмов, населяющих моря, строит свои раковины из СаС0₃. После гибели организмов их раковины накапливаются на дне; в процессе диагенеза слой раковин уплотняется, превращаясь в известняк (мел).

 

В образовании кремнистых пород также принимают участие организмы. Диатомиты образуются в результате скопления раковинок мельчайших водорослей диатомей. (в 1 см3 породы содержится до 5 мл п. таких раковин), сложенных опалом. Диатомеи — обитательницы северных холодных вод.

 

Важная роль в образовании экзогенных минералов принадлежит коллоидным растворам (от греческого «колла» — клей). Размеры коллоидных частиц от 1 до 100 миллимикрон, частиц истинных растворов менее 1 миллимикрона. Когда количество растворителя невелико, образуются студнеобразные массы (гели). Примерами гелей являются опал (гель кремнезема) и лимонит (гель гидроокислов железа). Выпавшие из коллоидных растворов гелия подвергаются старению, теряют воду и могут со временем перейти в скрытнокристаллические агрегаты (например, из геля кремнезема образуются халцедон и кварц). Такие образования называются метаколлоидами. К их числу относятся окислы и гидроокислы железа и марганца, марказит, сфалерит и другие минералы.

 

Метаморфические процессы минералообразования. Метаморфизм можно определить как физическую и химическую переработку уже существующих магматических, осадочных, либо метаморфических пород в результате изменения термодинамических условий в земной коре (за исключением выветривания и диагенеза). Физические преобразования минералов сводятся к: 1) разрушению зерен, 2) их перекристаллизации; 3) взаимотгрорастаниям; 4) увеличению размеров; 5) параллельной ориентировке. Химические преобразования: 1) формирование новых минеральных ассоциаций; 2) изменение химического состава минералов.

 

При метаморфизме для минералов характерен переход гидроксидов в окислы. Так лимонит и другие гидроксиды железа (гетит, гидрогетит) преобразуются в гематит, магнетит; псиломелан и манганит замещаются браунитом, гаусманитом; опал переходит в кварц. Минералы малой плотности вытесняются минералами более высокой плотности: марказит замещается пиритом, вюрцит — сфалеритом, фосфорит — апатитом, органическое вещество графитизируется.

 

В зависимости от особенностей протекания процесса выделяют следующие типы метаморфизма: региональный, контактовый и динамометаморфизм.

 

Региональный метаморфизм протекает на огромных площадях, в условиях, когда отдельные участки земной коры испытывают длительное прогрессивное погружение, в результате чего горные породы погружаются в глубокие горизонты земной коры. В силу этого при региональном метаморфизме все факторы: температура, давление и химически активные вещества (растворы и летучие соединения) играют важную роль. Породы, подвергшиеся региональному метаморфизму, испытывают многочисленные фазы перекристаллизации и де-формационных движений и обычно формируют крупные пояса длиной в сотни километров. Они представлены филлитами, сланцами, гнейсами, амфиболитами, кварцитами, мраморами.

 

Контактовый метаморфизм представляет собой перекристаллизацию пород в ореоле вокруг интрузивного магматического тела благодаря повышению температуры. Ширина контактово-метаморфических ореолов различна, но в большинстве случаев изменяется в пределах от нескольких метров до первых километров. Типичные породы: роговики, грейзены, скарны.

 

Динамометаморфизм (катакластический) —дробление и истирание горных пород в результате дислокаций. Этот метаморфизм имеет место при низкой температуре, когда перекристаллизация не является активной. Типичные представители — брекчии и милоииты.

 

Контрольные вопросы

1. Перечислите эндогенные и экзогенные процессы минералообразования.

2. Охарактеризуйте магматические процессы минералообразования.

3. Какие полезные ископаемые связаны с магматическими процессами?

4. Какие минералы образуются путем непосредственной кристаллизации магматических расплавов?

5. Что такое пегматиты?

6. Какими минералами сложены гранитные пегматиты?

7. Какие полезные ископаемые связаны с пегматитовыми жилами?

8. Что такое пневматолиз?

9. Как подразделяются продукты пневматолитового процесса?

10. Какие промышленно важные минералы возникают при пневматолизе?

11. Что такое грейзены? Места их формирования.

12. Перечислите минералы грейзенов, имеющие практическое значение.

13. Что такое гидротермы?

14. Перечислите причины отложения минеральных масс из гидротерм.

15. Какова преобладающая форма гидротермальных минеральных масс?

16. Как подразделяются гидротермальные минеральные ассоциации?

17. Перечислите промышленно значимые минералы гидротермальных ассоциаций.

18. Что такое метасоматоз? Типы метасоматоза.

19. Что характерно для минеральных тел, образованных путем метасоматоза?

20. От чего зависят масштабы и интенсивность метасоматических процессов?

21. Что такое выветривание? Агенты и виды выветривания.

22. Какие минералы образуются при химическом выветривании?

23. Объясните формирование остаточных и осадочных месторождений.

24. Охарактеризуйте зону окисления сульфидных руд — зону «железной шляпы».

25. Перечислите характерные минералы зон окисления сульфидных месторождений.

26. Охарактеризуйте собственно осадочные процессы.

27. Перечислите главные геологические факторы при осадочных процессах минералообразования.

28. Изложите суть схемы химической дифференциации.

29. Перечислите минералы морского, озерного и болотного

происхождения.

30. Что такое метаморфизм?

31. Охарактеризуйте сущность физических и химических преобразований при метаморфизме.

32. Перечислите типы Метаморфизма.