ЛЕКЦИЯ № 3

ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ (ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, МИНЕРАЛЫ И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ)

Минералы и принципы их классификации.

На Земле установлено около 300 химических элементов и их изотопов. Изотопы (греч. «исос» - равный, «топос» - место) обладают теми же свойствами, зарядом ядра и порядковым номером, что и соответствующий химический элемент, но отличаются от него атомным весом.

Земную кору слагают различные материальные тела, состоящие из определенного сочетания химических элементов и их соединений. Такие соединения образуют естественные природные тела - минералы, которые входят в состав горных пород. Минералы и горные породы в различных сочетаниях образуют слои, фации, формации и т.п., а их совокупность составляет земную кору. Этим самым определяются нижняя и верхняя ступени различимости объекта геологии (минерал -земная кора). Состав земной коры изучают методами физико-химического анализа образцов горных пород и минералов, доставленных из естественных обнажений и горных выработок (шахты, скважины и т.п.), а также поднятых со дна океана.

Для изучения среднего химического состава Земли используются образцы, доставленные с Луны, а также метеориты. Следовательно, прежде чем перейти к систематическому обзору минералов и горных пород, необходимо познакомиться с некоторыми сведениями о химическом составе Земли и основных геосфер.

Вычисления среднего химического состава внутренних оболочек Земли, в том числе и земной коры, выполнялись многими исследователями. В зависимости от принятой гипотезы эволюции Земли, используемых методов, а также, учитывая масштабы объекта и недоступность глубоких слоев для непосредственного анализа, результаты оценок химического состава геосфер расходятся в определенном диапазоне значений.

Наиболее часто цитируемые значения химического состава внешних и внутренних сфер Земли приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Средний химический состав геосфер (в массовых %).

Элемент	Земная коря	Гидросфера	Атмосфера	Биосфера (живое вещество)
Кислород	49,13	85,70	20,95	70,00
Кремний	26,00	-	-
Алюминий	7,45	-		_
Железо	4.2(1	-	-	-
Кальций	3,25	-	-	0,50
Натрий	2,40	1,05	-	-
Калий	2.35	-		3,30
Магний	2,35	0,13	-
Водород	1,00	10,80	-	10,50
Титан	0,61	-	-	-
Углерод	0,35	-		18,00
Хлор	-	1,90	-	18,00
Азот	-		78,08	0,31
Аргон	i	-	0,93	-

В основе приведенной таблицы - перечень преобладающих в земной коре химических элементов (с точностью до десятых процента, при меньших количествах - прочерк). Суммарное содержание элементов в каждой колонке (геосфере) превышает 99%. Однако при переходе из одной геосферы в другой (от земной коры к биосфере) количественный и качественный состав преобладающих элементов существенно трансформируется; в земной коре преобладает 11 элементов, в гидросфере - 5, в атмосфере - 3, а в биосфере число элементов вновь возрастает до 7.

Несмотря на образование всех геосфер из одного источника - вещество мантии, состав и соотношение элементов в них корректируется фазовым состоянием (твердое, жидкое, газообразное) и положением геосферы r круговороте вещества в географической оболочке.

В 1889 г. американский геохимик Фрэнк Кларк впервые определил средние содержания химических элементов в земной коре. В честь него русский академик А.Е. Ферсман предложил называть «кларками» средние содержания химических элементов в земной коре.

Исследователи приводят разные данные о химическом составе земной коры. Существенно преобладают три элемента: кислород (46,6-49,1%), кремний (26,0-29,5%), алюминий (7,45-8,14); на долю еще шести элементов приходится 15 %: железо (4,20-5,00), кальций (2,71-3,63), натрий (2,01-2,83), калий (2,35-2,59), магний (1,79-2,35%)и титан. На долю остальных элементов приходится менее 1%. В природе встречаются участки, в пределах которых фактическое содержание того или иного химического элемента существенно выше его кларкового значения. Такие участки исследуются геологами с целью выявления месторождении полезных ископаемых.

Химический состав Земли не постоянен. С одной стороны, земная кора непрерывно пополняется космическим веществом. Оно выпадает на Землю в виде метеоритов и космической пыли. С другой стороны, сама Земля отдает в мировое пространство часть своего вещества, например гелий, неон, возможно, водород, азот и другие газообразные элементы и соединения.

Кроме того, некоторые химические элементы, например, радиоактивные, со временем изменяются. Так, уран и торий, распадаясь, превращаются в устойчивые элементы — свинец и гелий. Это дает основание предполагать, что в минувшие геологические эпохи кларки урана и тория были, очевидно, значительно выше, а кларки свинца - ниже, чем сейчас. По-видимому, это относится и ко всем другим элементам, подверженным превращениям.

Изотопный состав некоторых химических элементов со временем меняется. Изотоп урана U²³⁸ имеет период полураспада (в годах), равный 4,5x10⁹, a U²³⁵ - 7,1x10⁸ степени. По А.А. Саукову, два млрд. лет назад атомов изотопа U²³⁵ на Земле было почти в шесть раз больше, чем сейчас.

Более сложный и разнообразный состав имеет живое вещество биосферы, поскольку в жизненных процессах синтезируется вещество трех остальных геосфер. Каркас органического вещества составляет углерод в самых разнообразных сочетаниях с атомами водорода, кислорода, азота, фосфора и других элементов.

Главной особенностью химического состава земной коры, по сравнению с ядром и мантией, является высокое содержание в ней относительно легких элементов (О, Si, A1, К, Са) и низкое - тяжелых: (Fe, Ni, Cr, Co). Такое распределение химических элементов обусловлено главным образом особенностями образования земной коры, как структурной части Земли, и свойствами самих химических элементов.

Содержащиеся в земной коре химические элементы во взаимодействии между собой образуют различные по сложности структурные образования. По линии возрастания сложности иерархия (соподчинение) таких структурных образований может быть представлена следующим рядом: химический элемент -> минерал -> горная порода -> формация -> земная кора.

Химический состав земной коры непрерывно меняется и этот процесс продолжается и в настоящее время. Эти изменения протекают за счет как внутриземных процессов (радиоактивный распад), так и внешних факторов, например, поступление метеоритного вещества.

Составляющие вещество земной коры химические элементы образуют разнообразные сочетания. Наиболее распространенной формой существования сочетаний химических элементов является минерал. Часть из этих элементов образует самостоятельные минералы, другие входят в них в качестве примесей.

Минералом (от лат. "минера" - руда) называется природное соединение химических элементов (или самородный элемент), возникающее в результате определенных физико-химических процессов, протекающих в земной коре или на ее поверхности.

К настоящему времени известно около 4000 минералов, из них наиболее широко распространены 400-500 видов. Изучением химического состава минералов, их физических свойств и происхождения занимается специальный раздел геологии - минералогия.

По своему внутреннему строению, проявляющемся во внешнем облике, все минералы делятся на две группы - кристаллические и аморфные.

Кристалл (от греч. "кристаллос" - лед, горный хрусталь) - твердое природное тело, имеющее естественную форму правильного многогранника вследствие упорядочение закономерного расположения атомов, образующих трехмерную периодически повторяющуюся укладку - кристаллическую решетку (рис. 1).

Рис.1. Кристаллические формы минералов: I - равновытянутый кристалл сфалерита (тетраэдр); 2 - вытянутый в одном направлении кристалл серы (пирамидальный); 3 - вытянутый в двух направлениях кристалл кальцита (ромбоэдр)

Кристаллы обладают симметрией внешней формы. Атомы и ионы в кристаллической решетке располагаются в постоянных точках (узлах) - в строго определенном для каждого минерала порядке. Углы между гранями кристалла также всегда постоянны. Основными элементами кристаллической решетки являются центры, оси и плоскости симметрии.

Плоскость симметрии делит фигуру кристалла на две зеркально-подобные части. При повороте кристалла вокруг оси симметрии эта фигура совмещается сама с собой. Минимальный по объему параллелепипед, отражающий все характерные особенности кристалла, называется «элементарной ячейкой». Основными кристаллографическими константами такой ячейки являются ребра и углы между ними. Изучение их взаимоотношений позволило установить 32 класса симметрии кристаллов.

Каждый кристалл ограничен гранями одной или нескольких простых форм (рис.2). Среди них по степени симметрии выделяют семь сингоний (греч. «син» - вместе, «гониа» - угол). Высшая сингония – кубическая (рис. 8, 10). В ней ребра кристаллов расположены под прямыми углами по трем осям координат и равны между собой. К низшим сингониям относятся ромбическая, моноклинная, триклинная. Они характеризуются неравенством ребер, прямыми (ромбическая) или не равными 90° углами. Средние - это тетрагональная (ребра по двум осям равны, все углы прямые), гексагональная (ребра по двум осям равны, два угла прямые, один равен 120°) (рис.3) и тригональная (все ребра равны, углы не равны 90°) сингонии.

Рис. 2. Формы кристаллов алмаза: а – октаэдр; б –ромбододекаэдр; в – куб;

Подсчитано, что около 38% минералов кристаллизуется в триклинной и моноклинной, 23% - в ромбической, 10% - в тригональной, 7,5% - в гексагональной, 9,5% - в тетрагональной. 12% - в кубической сингониях.

Рис. 3. Кристаллы флюорита: гексагональный (а) и кубический (б).

Аморфными (от греч. "аморфос" - бесформенный) называют минералы, в которых составляющие их частицы (атомы, молекулы, ионы) располагаются беспорядочно, хаотично, т. е не образуют кристаллическую решетку.

Для различения этих двух типов минералов можно использовать образ строительных кирпичей в качестве химических элементов: куча кирпичей - аморфное тело; стена, уложенная из этих же кирпичей в определенном порядке - кристаллическое тело.

Минералы могут быть твердыми, жидкими (ртуть) и газообразными (метан, сероводород).

Подавляющее большинство твердых минералов представлено кристаллическими телами и лишь незначительная их часть - аморфные минералы. Кристаллические минералы обладают способностью самоограняться, т.е. давать правильно образованные кристаллические многогранники, а аморфные дают обычно бесформенные массы и обломки. В природе минералы чаще всего встречаются в виде кристаллических скоплений - агрегатов и значительно реже в виде правильных многогранников - кристаллов. В благоприятных условиях свободного роста кристаллы приобретают свойственную им форму правильного многогранника, а в условиях взаимостесненного роста образуется агрегат кристаллов.

Поскольку форма кристаллов не всегда хорошо выражена, приходится обращаться к другим признакам и методам определения минералов, которые делятся на полевые и лабораторные. При полевых геологических работах главнейшие минералы определяются по комплексу физических свойств и признаков, зависящих от условий их образования и химического состава. К основным физическим свойствам относятся следующие визуально определяемые признаки: агрегатное состояние, цвет, блеск, цвет черты на фарфоровой пластине, твердость, спайность, излом, прозрачность и другие характерные индивидуальные для минералов свойства. Характеристики полевого определения свойств минералов дополняются лабораторным анализом химического состава, оптических свойств, рентгеноструктурного анализа и др.

Происхождение минералов. Распределение минералов в земной коре закономерно связано с условиями их образования. Первоисточником минералообразования является магма - высокотемпературный расплав вещества астеносферы, проникающий в земную кору или изливающийся на поверхность. В зависимости от места остывания магмы и выделяющихся из них паро-водяных растворов образуются различные минералы. Важнейшими для образования минералов характеристиками являются температура и давление в месте остывания расплава и растворов Известно, что переход воды в пар возможен при давлении не выше 218 атм. (критическое давление). Кроме критического давления существует и критическая температура, при которой вода переходит в пар независимо от давления. Для чистой воды эта температура равна 374˚С, которую еще называют абсолютной температурой кипения. В зависимости от концентрации растворов критические значения температуры и давления несколько повышаются. Поскольку температура и давление с глубиной растут, в земной коре возникает несколько горизонтов образования определенных комплексов минералов.

По условиям и месту образования (снизу вверх в земной коре) выделяют следующие генетические (генезис - происхождение) типы минералов магматический, пегматитовый, пневматолитовый, гидротермальный и гипергенный.

Магматический тип. Минералы образуются при остывании магмы в земной коре при температуре около 1000°С. На ранних стадиях остывания выделяются оливин, пироксены, плагиоклазы, позже - слюды, ортоклаз и в последнюю очередь - кварц.

Пегматитовый тип. Минералы образуются при остывании последних порций магмы, внедрившейся в трещины земной коры при температурах 500-700°С. В эту стадию остывания магмы образуются кварц, полевой шпат, многие рудные минералы, драгоценные камни и радиоактивные элементы.

Пневматолитовый тип. Минералы образуются в трещинах и разломах земной коры выше пегматитовых жил в результате остывания перегретого пара, содержащего сернистые, фтористые и хлористые соединения различных металлов при температурах от критических 374°С до 500˚С. В эту стадию остывания образуются минералы, содержащие руды вольфрама, мышьяка, молибдена, висмута и др.

Гидротермальный тип. При температурах ниже критических (<374°С) и давлениях выше критических (более 218 атм.) водяной пар конденсируется в горячие водные растворы, циркулирующие вдоль трещин в земной коре выше горизонта пневматолиза. При остывании растворов и их взаимодействии с вмещающими породами образуются весьма распространенные и характерные гидротермальные жилы, содержащие ценные руды металлов (золото, серебро, ртуть, свинец, цинк и др.): галенит, сфалерит, киноварь, пирит и др.

Гипергенный тип. Минералы этого типа образуются в самых верхних слоях земной коры при температурах ниже кипения, а также в морях, озерах и болотах в результате химических реакций и роста концентрации растворов (охлаждение, испарение и др.). Для этого типа характерны минералы карбонатов (кальцит, доломит), сульфатов (мирабилит), галоидов (галит, сильвин) и др.

Переход из одного "этажа" минералообразования на другой (от магматического до гипергенного) происходит постепенно, поэтому возможны и смешанные комплексы минералов, Более того, многие минералы (кварц, кальцит, пирит и др.) образуются в широком диапазоне температур и давлений и такие минералы часто называют сквозными. Например, кварц образуется во всех диапазонах температур и давлений. Только сочетание минерального комплекса позволяет определить место и условия их образования. Совместное образование минералов в одних и тех же условиях принято называть парагенезисом, что нередко позволяет прогнозировать и вести поиск одних минералов по другим.

Современная научная классификация рассматривает минералы как продукты природных химических реакций и поэтому она основывается на важнейших и существенных внутренних свойствах минералов - химическом составе и кристаллической структуре.

В такой классификации все встречающиеся в природе минералы (генеральная совокупность) делятся на три типа, характеризующиеся определенным видом химической формулы.

Типы минералов делятся на классы по сходству их химического состава и структуре, а классы - на минеральные виды по строению кристаллической решетки и составу слагающих их частиц (атомов, ионов).

Таким образом, основной классификационной единицей является минеральный вид - конкретный и идентифицируемый объект. Далее минеральные виды группируются в классы и типы по мерам сходства и различия, образуя классификационную схему по правилам субординации по вертикали (тип -> класс -> минерал) и горизонтальной координации по этажам группировок.

Схема современной кристаллохимии и ческой классификации минералов может быть представлена в следующем виде (А, А_n - катионы; X или [ВХ_m] - анионы, (n или m - число атомов в формуле):

Тип 1. А, А_n

Класс I. Простые вещества (самородные элементы).

Тип 2. А_n, X_m

Класс II. Сульфиды, арсениды и др. X = S, Se, Те, As.

Класс III. Галоиды (хлориды, фториды и др.); X = Сl, F, Br, J.

Класс IV. Окислы и гидроокислы; X = 0, (ОН).

Тип 3. А_n [ВХ_m]

X - обычно О, иногда с замещением на (ОН), F, CS; реже S (сложные сульфиды).

Класс V. Титанаты, титано-тантало-ниобаты; X = 0,(ОН); В = Ti, Nb, Та. Размеры атомов А и В примерно равны.

Класс VI. Нитраты; В = N (азот).

Класс VII. Карбонаты; В = С (углерод).

Класс V1I1. Сульфаты, В = S (cepa).

Класс IX. Хроматы, вольфраматы, молибдаты, В - Сг, Mo, W

Класс X. Фосфаты, арсенал 1, ванадаты; В = Р, As, V.

Класс XI. Бораты; В = В (бор).

Класс XII. Силикаты, алюмосиликаты и др.; В = Si, A1; X = О,(ОН), F, С1_: редко S.

A_n[SiX_m] - силикаты

A_n [(А1, Si)X_m] - алюмосиликаты

В написании химических формул минералов отражается прежде всего их элементарный состав: А, А_n- катионы, X или [ВХ_m] - анионы; n или m - число атомов (ионов) в формуле. Способ написания химических формул отражает не только состав минералов, но и их кристаллическую структуру: квадратными скобками выделяются атомы или группировки атомов (комплексные радикалы), определенным образом связанные друг с другом в кристаллической решетке; в круглые скобки заключены химические элементы, способные занимать место друг друга в кристаллической решетке, т.е. обладают атомами или ионами одинакового размера и близкими химическими свойствами.

Первый тип состоит из одного класса и объединяет минералы, состоящие из одного элемента, второй тип объединяет три класса, состоящие из минералов относительно простого химического состава (А_nX_m) и, наконец, третий тип наиболее обширный по числу классов и минералов, имеющих более сложный химический состав и включающих комплексные радикалы (A_n[ВХ_m]). Таким образом, последовательность типов и классов минералов от 1 до XII отражает рост сложности их химического состава и кристаллической структуры.

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. 2)

Таблица 2

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. 4, 5).

Рис. 4. Виды структур магматических пород:

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

4 – порфировая; 5 – порфировидная.

Рис. 5. 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%) (табл.3).

Таблица 3.

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.

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. 4).

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 4.

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.