ЛЕКЦИЯ № 7

ГОРНЫЕ ПОРОДЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Горные породы - природные образования, агрегат из одного или нескольких минералов, слагающие разнообразные геологические тела, из которых построена земная кора

Они представляют собой закономерные сочетания или механические смеси различных по составу минеральных зерен, кристаллических или аморфных. Наряду с минеральными зернами могут присутствовать и органические остатки. К горным породам принято относить встречающиеся в земной коре смеси жидких минеральных веществ органического и неорганического происхождения.

Минералы, на которых приходится основная часть объема горных пород и определяющие их свойства, называются породообразующими.

Минералы, присутствующие в горных породах в незначительных количествах в качестве примесей называют акцессорными.

Порода, состоящая из одного минерала, называется мономинеральной (кварцит из кварца), а из нескольких минералов - полиминеральной (гранит из кварца, полевого шпата, роговой обманки, слюды).

Наука, изучающая горные породы, называется петрографией (от греч. "петрос" - камень, "графо" - пишу).

Каждая горная порода образуется в строго определенных физико-химических условиях, контролируемых геологическими процессами, происходящими в земной коре и на поверхности земли. Состав, строение и условия залегания горных пород находятся в причинной связи с указанными процессами их формирования. Состав горных пород характеризуется слагающими их породообразующими и акцессорными минералами, а строение - их текстурой и структурой.

Структурой называют особенность строения, определяемая состоянием минерального вещества (кристаллическое, аморфное, обломочное) и размером кристаллических зерен или обломков. Структура может быть полнокристаллической, стекловатой, аморфной, и др.

Текстура горных пород определяется, как совокупность признаков, обусловленных ориентировкой и взаимным расположением составных частей. Она может быть плотной или пористой, однородной или ориентированной (слоистая, сланцеватая и др.).

По указанным особенностям строения и происхождению выделяют около 1000 видов пород. Часть горных пород называют рудой.

Руда - геолого-экономическое понятие, означающее минеральный агрегат, пригодный для извлечения полезных компонентов. Скопление рудных пород на определенном участке, добыча которых экономически целесообразно называется месторождением полезных ископаемых.

Поскольку состав, строение и условия залегания горных пород зависят от механизмов образования, для их классификации применяют генетический признак.

По происхождению все горные породы делятся на три основных типа: магматические (изверженные), осадочные и метаморфические. По месту образования и действующему фактору типы пород делятся на классы:

1) магматические - интрузивные, эффузивные, жильные;

2)осадочные - терригенные (обломочные), хемогенные, органогенные;

3)метаморфические - регионально метаморфические, метасоматические, динамометаморфические.

Каждый класс по особенностям состава и строения делится на генетические виды горных пород.

Приведенную классификацию всей совокупности горных пород можно представить в виде следующей схемы (табл. 4)

Таблица 4

Горные породы могут образоваться под влиянием не одного, а двух и более факторов, что вызывает затруднения при их определении и отнесении к тому или иному классу. С учетом этого в некоторых классификациях выделяют самостоятельную группу вулканогенно-обломочных пород. Кроме того, между осадочными и магматическими породами могут быть переходные виды, что обычно оговаривается при описании пород. Несмотря на эти трудности, в большинстве случаев удастся идентифицировать породы по типам и классам при описании и анализе.

Магматические горные породы

На долю магматических пород приходится более 90% массы земной коры и это не случайно, поскольку магма - первоисточник всех минералов и пород, слагающих земную кору. По месту и условиям, в которых происходит застывание магмы, все магматические породы делятся на три группы:

1) интрузивные, или глубинные, образуются при застывании магмы, внедрившейся в земную кору, на глубинах 2-3 км и более;

2) эффузивные, или излившиеся, связанные с застыванием излившейся на поверхность лавы при вулканических процессах;

3) жильные, образованные при остывании магмы в протяженных в двух направлениях трещинах и полостях обычно над крупными интрузивными телами.

Породы каждой группы отличаются между собой по структуре и текстуре ввиду различий в условиях застывания магмы (рис. 12, 13).

Рис. 12. Виды структур магматических пород:

1 – кристаллическая; 2 – равномернозернистая; 3 – стекловатая;

4 – порфировая; 5 – порфировидная.

Рис. 13. Текстуры магматических пород:

1 – массивная; 2 – сланцеватая; 3 – миндалевидная; 5 – флюидальная.

Интрузивным породам свойственны полно кристаллическая разнозернистая структура и плотная массивная текстура, обусловленные следующими причинами:

1) медленное застывание магмы в течение миллионов лет в глубоких слоях земной коры;

2) в магме сохраняются газы и пары (до 12% объема), способствующие лучшему росту кристаллов;

3) высокое давление вышележащих слоев, обеспечивающих создание плотных текстур.

Сходные условия складываются и при образовании жильных пород.

Для эффузивных пород характерны стекловатая и скрытокристаллическая мелкозернистая структуры ввиду относительно быстрого застывания излившейся на поверхность лавы, лишенный летучих компонентов (газы, пар).

Только эффузивным породам свойственна пористая и пузыристая текстура, обусловленная выделением газов из застывающей лавы

Магматические горные породы классифицируются также по химическому составу, прежде всего по содержанию в них кремнекислоты (SiO₂), как в свободном виде (кварц), так и в составе других силикатных минералов, входящих в породу.

В зависимости от процентного содержания кремнекислоты магматические породы делятся на кислые (>65%), средние (65-52%), основные (52-45%) и ультраосновные (менее 45%).

Схема классификации изверженных пород приведена в таблице 5, а индивидуальная характеристика видов пород дается в «Определителе горных пород» (см. «Практикум по геологии»).

Таблица 5.

Классификация наиболее распространенных магматических

горных пород.

Каждая из четырех групп горных пород характеризуется соотношением кремнекислоты и оснований, а также определенным набором преобладающих светло- и темно-окрашенных минералов.

В кислых горных породах содержание кремнекислоты настолько велико, что ее избыток представлен хорошо выраженными зернами кварца. Кроме кварца в их состав входят полевые шпаты, а также темно-окрашенные минералы - слюды, роговая обманка, авгит.

В средних породах количество кремнезема равно количеству оснований, поэтому в них светлые (полевой шпат, плагиоклазы) и темные (роговая обманка, биотит) минералы находятся примерно в равных количествах, что придает породе светло-серую или серую окраску.

В основных породах кремнекислоты меньше, чем оснований, поэтому эти породы состоят из темноцветных минералов бедных окисью кремния (роговая обманка, Лабрадор, авгит), что придает породе темную окраску.

В ультраосновных породах очень мало кремнекислоты и светлоокрашенных минералов, породы состоят из темно-окрашенных минералов (оливин до 80%, пироксены), что придает им темно-зеленую окраску вплоть до черного.

Осадочные горные породы

Поверхностные слои земной коры на 80% покрыты осадочными породами и 95% из них имеют морское происхождение. Они сформировались на поверхности Земли в результате действия разнообразных внешних (экзогенных) факторов на существующие горные породы. Полный цикл осадочного породообразования включает в себя 4 стадии: мобилизация вещества выветриванием -> перенос продуктов выветривания -> осадкообразование в конечных водоемах стока (моря, океаны) -> диагенез (преобразование осадков в твердые каменистые породы).

Выветривание - процесс физического разрушения и химического изменения горных пород в условиях земной поверхности под влиянием колебаний температуры, химического и механического воздействия атмосферы, воды и организмов. Большая часть продуктов выветривания уносится водными потоками, а часть из них остается на месте и накапливается, образуя коры выветривания, состоящие в основном из глинистых пород.

Перенос (транзит) продуктов выветривания осуществляется а твердом и растворенном виде реками, ручьями, временными водотоками, ледниками, морскими волнами и течениями, ветром и другими геологическими агентами, действующими на поверхности земли. На путях переноса в конечные водоемы стока вещество частично осаждается, образуя рыхлые осадочные породы. В зависимости от действующего экзогенного фактора переноса и накопления осадков выделяют следующие генетические типы, временные водотоки на склонах - делювий, реки и ручьи - аллювий, ледники - морена, ветер - подвижные пески, дюны, барханы.

Осадкообразование заключается в отложении в конечных водоемах стока (моря, океаны, озера), сносимых с материков продуктов разрушения горных пород. В зависимости от того, каким путем происходит осаждение (механическое, коагуляция коллоидных растворов, кристаллизация из насыщенных растворов, при участии живых организмов и др.) выделяют механические, химические, биохимические процессы и соответствующие им осадки.

Диагенетические процессы охватывают все явления физико-химического преобразования свежеотложенных осадков под влиянием уплотнения, обезвоживания (дегидратация), раскристаллизации коллоидных осадков, цементации и т.п. Результатом этих процессов является окаменение осадков (литификация) и образование осадочных горных пород.

Вся совокупность процессов осадкообразования от стадии выветривания до диагенеза получила наименование литогенеза или литогенезиса (камнеобразование).

Процессы и продукты осадкообразования изучает специальная геологическая наука - литология (от греч. "литос" - камень, "логос" - слово, учение).

Разрушение горных пород и накопление осадков происходят повсеместно. Физико-географические условия и действующий экзогенный фактор накладывают существенный отпечаток на их состав и строение. В одних случаях осадочные породы состоят из обломков пород и минералов, в других - из скопления органических остатков, в третьих - из кристаллических зерен, выпавших из водных растворов. Почти во всех осадочных породах находят окаменевшие остатки животных и растений, позволяющие уточнить условия накопления осадков.

Для подавляющего большинства осадочных пород свойственна слоистая текстура, где каждый слой - результат, непрерывного накопления осадков с определенной скоростью, что нередко позволяет определить продолжительность времени и характер среды накопления осадков. Так, например, горизонтальная слоистость характерна для морских и озерных осадков, косая - речных отложений, диагональная - дельтовых и эоловых и т. Д (рис. 14).

Рис. 14. Примеры косой (а) и перекрестной (б) слоистости в речных отложениях (по Л.Б. Рухину)

Осадочные породы по рассмотренным выше условиям образования (генезису) делятся на три большие группы, терригенные (обломочные, кластические) - образовались в процессе механического накопления обломков ранее существовавших пород; хемогенные (химические, коллоидно-осадочные) - образовались в результате выпадения осадков из истинных водных растворов морей, океанов, озер или химического разложения с переходом вещества в коллоидное состояние; органогенные (биохимические) - результат жизнедеятельности организмов или скопления остатков отмерших организмов.

Терригенные осадочные породы делятся на рыхлые (несцементированные) и плотные, окаменевшие (сцементированные). Рыхлые обломочные образования служат исходным веществом, из которых в результате диагенеза, т.е. уплотнения, обезвоживания, цементации образуются плотные, каменистые горные породы. Поэтому окаменелые горные породы наследуют основные особенности состава, структуры (форма, размер обломков и др.) и текстуры (слоистость) исходного вещества Цементирующим веществом при диагенезе осадков может быть известковый, кремнистый, глинистый, железистый и др. Встречается и сложный цемент, состоящий из двух и более цементирующих веществ.

Рыхлые породы делятся на две большие группы: обломочные и глинистые. Обломочные породы - продукт физического выветривания горных пород, обломки которых сохраняют химико-минералогический состав исходных пород. Глинистые породы состоят из продуктов глубокого химического выветривания коренных пород, в результате чего существенно меняется химический состав исходного вещества

В соответствии с размерами обломков выделяются следующие виды рыхлых образований и их сцементированные (окаменелые) аналоги: крупнообломочные, среднеобломочные и мелкообломочные (табл. 6).

При цементации скоплений этих обломков возникают соответствующие им окаменелые горные породы, валунный конгломерат (брекчия), галечный или щебнистый конгломерат, гравелит.

Грубослоистые толщи конгломератов и брекчий образуются в предгорных и горных областях, где в соответствующее время происходили значительные вертикальные движения земной коры. Распространены на склонах горных хребтов, в том числе и в Дагестане.

К среднеобломочным относятся пески (2,0 - 0,1. мм), которые по размеру зерен делятся на крупнозернистые (2,0 - 0,5 мм), среднезернистые (0,5 - 0,25 мм) и мелкозернистые (0,25 -0,1 мм), По минеральному составу они могут быть однородными или смешанными. По преобладающему составу минералов пески могут быть кварцевые, кварцево-слюдистые, аркозовые и др. При уплотнении и цементации песков образуются песчаники соответствующей зернистости.

Таблица 6.

Классификация обломочных осадочных пород.

Пески и песчаники залегают в виде слоев и линз среди других осадочных пород и являются продуктами физического выветривания и длительного, многократного перемыва и сортировки обломочного материала текучими водами, морским прибоем и течениями, ветром. В природе преобладают пески и песчаники морского и речного происхождения. Цементация песков происходит в процессе окаменения осадка. Для морских песчаников характерен известковый цемент; речных - железистый, железисто-марганцевый; озерных и лагунных -гипсовый. Песчаник - широко распространенная осадочная порода как на равнинах, так и в горных областях (Дагестан).

Мелкообломочные породы иди алевриты представляют собой скопление мелких частиц размером 0,1 - 0,01 мм. В минеральном составе преобладают кварц, слюда, полевой шпат.

При цементации, уплотнении и удаления воды (дегидратация) из алеврита образуется прочная горная порода - алевролит темного цвета вплоть до черного.

Толщи алевролитов мощностью в сотни метров среди других осадочных пород и являются продуктом осаждения терригенного материала на дне древних морей. Алевролиты широко распространены в горном Дагестане, особенно в южных районах. В северных районах горного Дагестана алевролиты часто вскрываются в речных долинах под толщей песчаников и известняков.

Глинистые породы. Глины - тонкодисперсные породы, состоящие из обломков менее 0,01 мм в поперечнике. Глины - наиболее распространенный представитель терригенных пород; они -занимают более 50% площади, сложенной осадочными породами и являются продуктом химического выветривания коренных пород. В результате выветривания исходного вещества образуются типичные минералы, представляющие собой водные силикаты и алюмосиликаты: каолины, гидрослюды, монтмориллониты и др. При уплотнении, дегидратации и цементации глин образуются аргиллиты - плотные, не размокающие в воде камнеподобные породы.

По происхождению большинство глин - остаточный продукт химического выветривания магматических пород в наземных и подводных условиях. По месту образования глины делятся на континентальные (остаточные) и переотложенные морские.

Хемогенные горные породы образуют большую группу пород, возникшую в результате осаждения растворов в кристаллической или аморфной форме в водных бассейнах. В зависимости от условий осаждения и химического состава выделяют следующие виды хемогенных пород: карбонатные, кремнистые, галоидные и фосфатные.

В рассматриваемой группе карбонатные породы имеют наибольшее распространение. Их доля составляет 15 - 20% среди осадочных толщ земной коры. Большинство карбонатных пород формируется при участии живых организмов, т. е. они имеют смешанное биохимическое происхождение. Главными представителями их являются известняки, доломиты, менее распространены магнезиты, а также мергели - смешанные глинисто-карбонатные породы.

Известняки образуются на дне теплых морей в результате совместного осаждения илоподобной карбонатной взвеси и остатков известковых скелетов организмов.

Для характеристики компонентов, составляющих менее 50% породы, к названию известняков добавляется соответствующее прилагательное: песчанистый, доломитовый, кремнистый и т.д.

Доломиты состоят в основном из минерала доломита с примесью в различных количествах кальцита, кварца, халцедона, магнезита и др. Залегают доломиты как и известняки в виде мощных слоев, непрерывно прослеживаясь на сотни километров. В таких толщах доломиты переслаиваются с песчаниками, известняками, мергелем и др., что говорит о близких или сходных условиях их происхождения.

Образуются доломиты в результате химического осаждения из воды в озерах и морских бассейнах повышенной солености в условиях сухого и жаркого климата.

Мергель - однородная смесь глинистых и карбонатных (кальцит, доломит) минералов, содержащихся в породе примерно в равных количествах. Характерно также обилие остатков ископаемой фауны.

Залегают мергели в виде слоев вперемежку со слоями других карбонатных пород, глинами и песчаниками. Образуется в результате одновременного осаждения карбонатного и глинистого материала в морских, лагунных и озерных бассейнах нормальной солености на относительно небольших расстояниях от берегов (присутствие глинистого вещества)

Карбонатные породы широко используются в строительстве (цемент, строительный камень и др.), в металлургии, бумажной промышленности и т д.

В группу кремнистых входят осадочные породы, состоящие в основном из минералов кремнезема, кремни и кремнистые сланцы, диатомиты, яшмы и др. Залегают эти породы в виде протяженных пластов, слоев, линз или конкреций среди других пород.

Кремни и кремнистые сланцы образуются в результате осаждения кремнезема в виде геля из морской воды, либо из коллоидных растворов в трещинах, порах, пустотах в уже сложившихся горных породах осадочного происхождения Образование яшм связано с накоплением илов, состоящих из опаловых скелетов морских микроорганизмов в глубоких и узких морских впадинах. Кремни и кремнистые сланцы используются в керамической промышленности, для облицовки внутренних стен паровых мельниц, для изготовления шлифовальных шкурок и др. Яшма - красивый и прочный поделочный камень, используемый в декоративных целях.

Группу фосфатных образуют осадочные породы, в которых содержание P₂O₅ не менее 8-10% в форме фосфата кальция. При большом разнообразии состава и свойств по условиям залегания и образования выделяют два типа горных пород и месторождений фосфоритов: пластовые и конкреционные.

Пластовые фосфаты представляют собой выдержанные по простиранию слои и пласты толщиной от нескольких см до 15 м. По происхождению они представляют собой органогенно-химический осадок на дне морей глубиной до 300 м.

Фосфатные конкреции располагаются обычно в глинистых сланцах, мергелях послойно или цепочки желваков богатых фосфором. Происхождение их также смешанное биохимическое, связано с выносом фосфора с суши в морские бассейны, последующим растворением в воде, освоением морскими организмами и осаждением после их отмирания.

Фосфориты - ценное сырье для изготовления фосфорных удобрений (суперфосфат), и наряду с апатитами и калийными солями, относятся к так называемым агрономическим рудам

Галоидные породы. Эта группа включает в себя породы, сложенные преимущественно галоидами натрия и (или) калия - галитит (каменная соль) и сильвинит (калийная соль). Названы они так по преобладающему минералу (галит, сильвин). В породах, помимо породообразующих, в качестве примесей присутствуют гипс, ангидрит (до 30-40%), глинистые частицы, обломки других минералов.

Форма, условие залегания галоидных пород - слои, линзовидные залежи, купола (соляные купола) значительных размеров. Представляют собой литифицированный химический осадок, образовавшийся в бессточных соляных озерах и полузамкнутых морских водоемах (пример - зал. Кара-Богаз-Гол) вследствие интенсивного испарения воды в условиях сухого и жаркого климата. Отложения галоидных пород достигают значительной мощности (до 400 м).

Галитит - важнейший пищевой продукт, используется в различных отраслях пищевой и легкой промышленности, сильвинит - основное калийное удобрение в сельском хозяйстве, сырье для получения различных соединений калия - поташ, едкий калий и др.

Органогенные горные породы. В эту группу отнесены горные породы, образовавшиеся полностью или существенно из остатков жизнедеятельности организмов. В зависимости от формы участия живых организмов всю группу пород можно подразделить на две подгруппы:

1) биохимические горные породы и 2) каустобиолиты (от греч. "каустис" - горючий и "биос" - жизнь).

Биохимические горные породы или биолиты - осадочные породы, полностью или большей частью состоящие из продуктов животных или растений. По вещественному составу остатков (скелеты, раковины и др.) выделяются карбонатные (коралловые известняки, ракушечники и др.) и кремнистые (диатомит, радиолярит и др.) породы. В геологической литературе эти породы часто рассматривают либо в группе хемогенных или кремнистых пород, либо выделяют в самостоятельную группу органо-хемогенных пород. Учитывая, однако, решающую роль в их образовании живых организмов, есть смысл рассматривать их в качестве подгруппы органогенных пород.

Каустобиолиты. Этим термином обозначается большая группа ископаемых горючих материалов органического происхождения, т. е. продукты преобразования остатков растительных и животных организмов под длительным действием геолого-геохимических факторов. По условиям образования и составу каустобиолиты четко разделяются на две группы: 1) породы угольного ряда, представляющие собой окаменевшие остатки древней растительности и отличающиеся от рассеянных разностей органического вещества в осадках более высокими концентрациями органики (торфы, ископаемые угли, горючие сланцы); 2) породы нефтяного ряда, состоящие из вещества в жидком или газообразном состоянии и в отличие от первых, имеющие миграционную природу, т. е. их накопление происходило в результате концентрации разложившихся остатков рассеянной органики в процессе миграции (нефть, асфальт, природный горючий газ и др.).

Содержание углерода в каустобиолитах меняется в широком диапазоне - от 20% в горючих сланцах, 50-60% в торфах до 60-75% в бурых углях и 90-97% в каменных углях и нефти.

Метаморфические горные породы

Образуются в процессе преобразования, перерождения (метаморфизма) ранее образовавшихся магматических и осадочных пород под действием высокой температуры, давления и других процессов.

Метаморфические изменения заключаются в распаде первоначальных минералов в исходных породах и образовании новых, более устойчивых минералов и пород, т. е. происходит перекристаллизация пород.

Различают следующие типы процессов метаморфизма:

1. Региональный метаморфизм - развивается в зонах интенсивного прогибания земной коры, когда осадочные и изверженные породы попадают в условия повышенных температур и давления, а также подвергаются воздействию высокотемпературных водных растворов. В результате происходит перекристаллизация пород на больших площадях со значительными изменениями их первоначального состава и строения: из тонкозернистых, землистых или стекловатых они превращаются в кристаллические породы и часто приобретают сланцеватое сложение (текстуру).

Можно проследить ряд последовательных процессов образования пород от свежеотложенного осадка до его превращения в осадочную горную породу и, наконец, перерождения осадочной породы в метаморфическую: свежеотложенный карбонатный осадок -> известняк -> мрамор, свежеотложенный песок -> песчаник -> кварцит; глина -> глинистый сланец -> гнейс и др.

2. Динамометаморфизм - преобразование горных пород под воздействием интенсивного ориентированного давления в пределах относительно узких зон и плоскостей нарушения сплошности, т. е. разломов земной коры. Этот процесс сопровождается дроблением, рассланцеванием и перекристаллизацией ранее образовавшихся пород. Ввиду особенностей образования породы этого вида встречаются редко (милонит), имеют ограниченное распространение.

3. Метасоматизм представляет собой сложный физико-химический процесс замещения минералов вмещающих пород новыми агрегатами минералов под воздействием высокой температуры, давления и при участии нагретых водных растворов. Часто метасоматоз наблюдается вдоль магматических жил, Метасоматические породы занимают промежуточное положение между вмещающими и жильными горными породами. Породы этого типа также имеют ограниченное распространение, часто образуют т.н. скарны.

Основные отличительные особенности метаморфических пород следующие: присутствие специфических минералов, свойственных только этим породам (андалузит, силлиманит, серпентин, тальк, хлорит и др.); ярко выраженная параллельная текстура (сланцеватость, гнейсовидность).

Метаморфизм происходит на различных глубинах земной коры в интервале температур от 100 до 900°С под давлением от 100 до 10 тыс. атм., которое создается весом вышележащих толщ горных пород, т. е. большей частью температура и давление находятся в интервале надкритических значений. В процессах метаморфизма всегда принимают участие водные и паро-водяные растворы (гидротермы), содержащие углекислоту, щелочные металлы и другие летучие и хорошо растворимые минеральные вещества.

Наибольшим распространением и разнообразием набора пород пользуются продукты регионального метаморфизма, меньшим - метасомотоза.

Метаморфические преобразования охватывают целые толщи, сложенные комплексом глинистых, песчаных и карбонатных пород. Характер минералов и породообразования в них различен и связан с составом исходной породы.