Вещественный состав земной коры

Рис. 2.1. Элементный состав земных и лунных пород

Минералы – природные химические соединения или самородные элементы, возникшие в результате физико-химических процессов, протекающих в земной коре. Процессы образования минералов подразделяются на экзогенные (приповерхностные) и эндогенные (магматические и метаморфические).

Магматическое минералообразование происходит при остывании магматического расплава. Горячие водные растворы и газы, выделяющиеся из магмы, взаимодействуют с окружающей средой и приводят к образованию минералов.

Метаморфическое минералообразование происходит в веществе под влиянием высоких температур и давления в связи с погружением осадочных пород или их контакта с магматическим высокотемпературным веществом.

Вблизи поверхности Земли образование минералов происходит при участии воды, кислорода, углекислоты и жизнедеятельности организмов. В связи с выветриванием пород, их механическим и химическим разрушением, переотложением протекают химические процессы, приводящие к образованию новых минералов.

Минералы по своей структуре подразделяются на минералы с кристаллической решеткой и аморфные. Различие заключается в том, что в кристаллическом теле частицы (ионы, атомы) располагаются в строгом порядке, который определяется его кристаллической решеткой (рис. 2.2)

Рис. 2.2. Кристаллы некоторых простых форм сингоний

В аморфном веществе закономерное расположение частиц отсутствует. С внутренним строением минералов связано такое свойство как анизотропность и изотропность. Свойства анизотропного минерала в разных направлениях различны, т. к. различны силы сцепления между молекулами (слюда, графит). Свойства изотропных минералов одинаковы во всех направлениях (алмаз).

Каждый минерал обладает определенным набором физических свойств, по которым его можно определить: плотность, цвет, прозрачность, блеск, характер поверхности излома, спайность, твердость. Некоторые минералы обладают характерными, присущими только им, особыми свойствами. Так, галит солёный на вкус, сильвин горький, магнетит обладает магнитными свойствами, исландский шпат дает двойное лучепреломление, ряд минералов обладают люминесценцией, переливом цвета, поляризацией и т. п.

Плотность. Плотность минералов меняется от 0,8 г/см³ у кристаллических углеводородов, до 22,7 г/см³ у осмистого иридия. Плотность возрастает с ростом компактности кристаллической структуры минерала и увеличением атомного номера химического элемента.

Цвет минерала. Окраска минерала определяется его химическим составом, структурой, примесями. Один и тот же минерал может иметь разную окраску, которая обусловлена содержанием в нём различных примесей в небольшом количестве. Важным диагностическим признаком является цвет минерала в порошке или цвет его черты, оставленной на поверхности неглазированной фарфоровой пластинки. Он может отличаться от цвета самого минерала. Например, цвет пирита (FeS₂) золотисто-желтый, а цвет черты – черный.

Прозрачность. Способность минерала пропускать свет. Выделяют прозрачные, полупрозрачные, непрозрачные, просвечивающие в тонкой пластине минералы.

Блеск. Это результат отражения света от поверхности минерала. По блеску минералы подразделяются на две группы: с металлическим и неметаллическим блеском. Металлическим блеском обладают самородные металлы, окислы железа, сульфиды. Среди неметаллического блеска выделяют металловидный, алмазный, стеклянный, жирный, перламутровый, шелковистый, восковый, матовый. Так, перламутровый блеск можно наблюдать у гипса, слюды, металловидный – у графита, стеклянный – у горного хрусталя, галита.

Излом – характеризует поверхность, по которой раскалывается минерал: раковистый (напоминает поверхность раковины), неровный (неопределенная поверхность), зернистый, др.

Спайность – способность кристаллических минералов раскалываться по ровным поверхностям. Степени спайности: весьма совершенная (минерал легко расщепляется на пластины), совершенная (при ударе раскалывается по плоскостям спайности), средняя (при ударе с одинаковой частотой раскалывается по плоскостям спайности и с образованием неровных изломов), несовершенная (на фоне неровного излома образуются сколы по плоскостям), весьма несовершенная (всегда образуется раковистый или неровный излом). Например, слюды обладают весьма совершенной спайностью, т. к. расщепляются на пластины. Весьма несовершенную спайность имеет кварц.

В зависимости от изотропии или анизотропии минерала, он может обладать спайностью только в одном или в двух, трёх и более направлениях. При этом плоскости, по которым раскалывается минерал, могут располагаться под разным углом. Не следует путать плоскости спайности с гранями кристаллов.

Твердость – способность противостоять внешнему механическому воздействию. Определяют твердость одного минерала относительно другого. Существует шкала относительной твердости Мооса. Твердость самого мягкого минерала (талька) равна 1, а самого твердого (алмаза) – 10. Твердость других минералом определяется путем сравнения с твердостью эталонных минералов (табл.).

Шкала твёрдости Мооса

По химическому составу минералы подразделяют на классы:

· Самородные элементы: алмаз, графит, сера, золото, серебро, платина.

· Сульфиды (сернистые соединения металлов): галенит - PbS, халькопирит- CuFeS₂, пирит – FeS₂, киноварь - HgS.

· Галоиды (соли хлористо-, бромисто-, йодисто-, фтористоводородных кислот): галит - NaCl, сильвин - KCl, флюорит – CaF₂.

· Окислы и гидроокислы: (соединения с кислородом и гидроксильной группой ОН) кварц – SiO₂, корунд – Al₂O₃, гематит – F₂O₃, магнетит – FeO·Fe₂O₃, лимонит – HFeO₂·nH₂O.

· Карбонаты (соли угольной кислоты): кальцит – CaCО₃, доломит – CaMg[CO₃]₂, сидерит – FeCO₃.

· Сульфаты и фосфаты (соли серной и фосфорной кислот): гипс – CaSO₄·2H₂O, апатит – Ca₅(PO₄)₃(ОН, Fe, Cl).

· Силикаты (в основе структуры этих минералов лежит кремнекислородный тетраэдр): оливин - (Mg,Fe)₂[SiO₄], каолинит - Al₄(OH)₈[Si₄O₁₀], тальк - (Mg₃(OH)₂[Si₄O₁₀]), асбест, слюды, полевые шпаты и др. Включает около трети всех известных минералов.

· Органические соединения (углеводородные соединения): нефть, газ, озокерит, асфальт, янтарь.

Самыми распространенными являются минералы класса силикатов и окислов, гидроокислов.

Из более чем 2500 минералов, только около 25 широко распространены и играют основную роль в составе горных пород. Такие минералы называют породообразующими.

Горные породы – это естественные минеральные агрегаты, сформировавшиеся в результате геологических процессов и залегающие в земной коре в виде самостоятельных тел.

Все горные породы земной коры по происхождению делятся на магматические,осадочные иметаморфические. Горные породы могут состоять из одного минерала – мономинеральные (мрамор, графит) и нескольких минералов – полиминеральные (гранит, базальт). Строение горных пород характеризуется структурой и текстурой.

Структура определяется состоянием минерального вещества, слага­ющего породу (кристаллическое, аморфное, обломочное), размером и формой кристаллических зерен или обломков, входящих в ее состав, их взаимоотношениями. Если порода целиком состоит из кристаллических зерен, выделяют полнокристаллическую структуру. При резком преобладании нераскристаллизовавшейся массы говорят о стекловатой или аморфной структуре. Если в стекловатую массу вкраплены кристаллические зерна, структуру называют порфировой. Если крупные кристаллические зерна вкраплены также в кристаллическую, но более мелкозернистую массу, структура называется порфировидной. Когда порода состоит из каких-либо обломков, говорят об обломочной структуре.

Кристаллическая и обломочная структуры подразделяются по величине зерен и обломков. Среди кристаллических структур выделяют крупнозернистые, с диаметром зерен более 5 мм, средне-зернистые — от 5 до 2 мм, мелкозернистые — менее 2 мм. Когда порода состоит из очень мелких, не различимых глазом кристаллических зерен, ее структура определяется как скрытокристаллическая. При одинаковых размерах зерен породы говорят о равномерно зернистой структуре, в противном случае — о неравномерно зернистой.

Под текстурой понимают сложение породы, т.е. расположение в пространстве слагающих ее частиц (кристаллических зерен, обломков и др.). Выделяют плотную и пористую текстуры, однородную или массивную и ориентированную (слоистую, сланцеватую и др.).

В основу классификации горных пород положен генетический признак. По происхождению выделяют:

1) магматические или изверженные горные породы, связанные с застыванием силикатного расплава — магмы и лавы;

2) осадочные горные породы, образующиеся на поверхности в результате деятельности различных экзогенных факторов;

3) метаморфические горные породы, возникающие при переработке магматических, осадочных, а также ранее образованных метаморфических пород в глубинных условиях при воздействии высоких температур и давления, а также различных флюидов.

Магматические горные породы – это продукты затвердения магм. Они слагают основную массу земной коры на глубине и около 25% в приповерхностных условиях. Бывают интрузивными (глубинными) и эффузивными (излившимися). Интрузивные породы образуются при медленном остывании магмы на глубине, поэтому имеют полнокристаллическое строение (дуниты, перидотиты, серпентиниты, граниты). Эффузивные породы образуются при быстром остывании магмы, излившейся на поверхность, т. е. лавы (туфы, пемза, вулканическое стекло). Происходит неполная кристаллизация вещества или вообще без кристаллизации (базальты, андезиты). При извержении частицы не застывшей лавы могут выбрасываться на поверхность. При осаждении будут образовываться обломочные вулканические породы, которые называются пирокластитами (вулканические туфы).

Главным компонентом магматических горных пород является кремнезем. По содержанию окиси кремния породы делятся на кислые (более 65%), средние (65-52%), основные (52-40%), ультраосновные (менее 40%). По химическому составу магматические горные породы подразделяются на известково-щелочные и щелочные. В первых содержание CaO, Na₂O, K₂O преобладает над Al₂O₃, во вторых больше содержание Al₂O₃ и меньше либо отсутствует CaO.

Среди минералов магматических горных пород выделяют первичные и вторичные. Первичные образовались непосредственно из магмы, вторичные – возникли за счет постмагматических процессов. Первичные минералы делятся на главные и акцессорные (основные и дополнительные). Главные минералы это силикаты и алюмосиликаты. Акцессорные минералы, присутствуют в породах в незначительном количестве, около 5% объема породы (апатит, магнетит, циркон).

Метаморфические горные породы образованы перекристаллизацией магматических, осадочных и более древних метаморфических пород. Эти изменения происходят под действием высоких температур и давления при взаимодействии пород с газами и растворами. Процессы метаморфизма могут развиваться на огромных площадях (региональный метаморфизм) и могут быть приурочены к контактам осадочных пород с магматическими телами (контактовый метаморфизм). В результате изменяется структура, текстура и минералогический состав. Для метаморфических пород характерна полнокристаллическая структура, сланцеватая, полосчатая или гнейсовая текстура.

Примеры метаморфических пород: гнейсы, сланцы, мрамор.

Осадочные горные породы покрывают около 75 % поверхности Земли. Возникли в результате разрушения магматических и метаморфических пород, накопления осадков и дальнейшего их преобразования. Осадочные породы по генезису подразделяют на:

о бломочные (результат механического разрушения горной породы и накопления образовавшегося обломочного материала),

глинистые (результат механического и химического разрушения и накопления возникших при этом продуктов),

хемогенные (органогенные) и химические (результат различных химических процессов, выпадения солей из водных растворов, а так же результат жизнедеятельности организмов ),

смешанного происхождения.

В свою очередь обломочные горные породы подразделяются в зависимости от величины обломков на:

- грубообломочные (псефитовые), состоящие из обломков диаметром более 2 мм (глыбы, щебень, валуны, гравий, галька и др.);

- среднеобломочные или песчаные (псаммитовые), состоящие из обломков диаметром от 2 до 0,1 мм (пески и песчаники);

- мелкообломочные или пылеватые (алевритовые), состоящие из обломков диаметром преимущественно от 0,1 до 0,01 мм (лесс, алевриты – рыхлые, алевролиты - сцементированные);

В пределах каждой группы выделяют рыхлые породы, в которых обломки ничем не скреплены, и сцементированные, в которых обломки скреплены каким-нибудь цементом.

Глинистые породы. Большая часть слагающих зерен – меньше сотой доли миллиметра. На их долю приходится около 40% осадочных пород. Глинистые минералы образуются в коре выветривания за счет химического выветривания. Среди глинистых минералов выделяют три главные группы: каолинита, монтмориллонита и гидрослюд. По степени уплотнения делятся на собственно глины (размокают в воде) и аргиллиты (не размокают в воде). Главные свойства глин: пластичные, огнеупорные, обладают высокой адсорбцией.

Хемогенные породы образуются в результате выпадения солей из водных растворов: известняки, доломиты, каменные соли, ангидриты, гипс, бокситы, фосфориты, марганцевые и железные руды и др.

Органогенные породы накапливаются в результате отмирания и захоронения животных и растений. Они представлены известняком, писчим мелом, углем, асфальтом, горючими сланцами, нефтью.

Породы смешанного происхождения: образуются за счет различного сочетания всех рассматриваемых выше факторов. Представлены мергелями, песчаными и глинистыми известняками.

95 % общей массы пород земной коры составляют магматические горные породы. Они залегают на больших глубинах и только в отдельных районах выходят на дневную поверхность.