Лекции по геологии

Лекция 7-8

Горные породы

1. Классификация горных пород.

2. Химический состав магматических пород.

3. Описание магматических пород.

4. Главные осадочные породы.

5. Метаморфические породы.

Классификация горных пород.

В земной коре минералы чаще всего встречаются в виде комплексных соединений, образующих самостоятельные геологические тела более или менее постоянного состава и строения. Это так называемые полиминеральные горные породы (обычная глина, гранит и т. д.). Реже встречаются мономинеральные горные породы, состоящие из скоплений одного какого-либо минерала (известняк, каменная соль и т. д.).

Таким образом, горными породами называют скопления одного или нескольких минералов, занимающие значительные участки земной коры и характеризующиеся более или менее постоянным химическим, минеральным составом и строением. В тех случаях, когда горные породы служат основанием и материалом для возведения различных сооружений, их называют грунтами.

Эти естественные скопления минеральных агрегатов исследует геологическая наука — петрография (греч. petros — камень). Она изучает происхождение, состав, строение, условия залегания, распространение и образование различных полезных ископаемых.

Горные породы — это геологические тела, слагающие земную кору, имеющие определенную форму и большие размеры. Это первое отличие горной породы от минерала. Второе отличие в том, что горная порода не имеет химической формулы, даже мономинеральные породы содержат в себе примеси других минералов или механические примеси, связанные с условиями образования.

По условиям образования все горные породы делятся на три группы и находятся во взаимодействии, отраженном на рис. 3.1.

Содержание этих трех групп горных пород в земной коре далеко не одинаковое. Например, на долю магматических горных пород в земной коре до глубины 16 км приходится 95% ее общей массы. На поверхности Земли наиболее распрострайены осадочные горные породы, которые занимают около 75% земной поверхности, в то время как их объем не превышает 3% объема всех горных пород, слагающих земную кору. Осадочные породы покрывают тоненьким слоем магматические породы, толщина этого слоя различная в разных местах и измеряется от нескольких метров до нескольких километров. Но это совсем незначительно по сравнению с толщей литосферы. Остальные 25% площади суши занимают магматические и метаморфические породы.

Рис. 3.1. Классификация горных пород

Такое распределение горных пород на суше свидетельствует о том, что большинство современных почв образовалось на осадочных породах. Магматические породы являются почвообразующими там, где они выходят на поверхность Земли. Поэтому именно осадочные горные породы совместно с рыхлыми продуктами разрушения магматических и метаморфических горных пород являются почвообразующими.

В особую группу выделяют агрономические руды (агроруды), используемые в качестве удобрений.

Описание магматических пород

Магматические породы образовались первыми на Земле за счет ее внутреннего тепла, поэтому и называются первичными, иногда эндогенными, так как сформировались в базальтовом слое Земли при высоких температурах и давлении. Магматические процессы напрямую связаны с движением тектонических плит, а форма выхода магмы на поверхность — с направлением этого движения (рис. 3.2).

Все магматические породы образуются при застывании магмы. Если магма застывает на глубине, ее остывание идет медленно и спокойно и все минералы, входящие в состав магмы, успевают принять кристаллическую форму с образованием интрузивных (глубинных) горных пород. К глубинным породам относятся гранит, сиенит, диорит, габбро, дунит и др. Если магма (греч. magma — густая мазь) прорывается на поверхность Земли в виде лавы, то ее остывание идет быстро в условиях низкого давления и быстрой отдачи тепла, минералы не успевают пройти кристаллизацию, что приводит к образованию аморфных горных пород, называемых эффузивными (излившимися) горными породами. К излившимся горным породам относятся липарит, андезит, базальт, трахит и др.

Рис. 3.2. Образование магматических пород:

1 — при расхождении двух океанических плит; 2 — при столкновении двух океанических плит; 3 — при столкновении океанической и континентальной плит; 4 — при извержении вулкана; 5 — при расхождении двух континентальных плит

Магматические породы различаются по химическому составу. В основу классификации положено содержание оксида кремния (Si0₂), по которому они делятся на пять групп (табл. 3.1).

Цвет породы определяется минералогическим составом породы. Например, в ультракислых и кислых породах много кремнезема, а кремнезем в чистом виде (кварц) белого цвета. Основные и ультраосновные породы не содержат свободного кварца, а кремнезем, входящий в состав простых силикатов, придает магматической породе различную окраску, вплоть до черного цвета (роговая обманка).

Таблица 3.1

Классификация магматических пород

При выветривании кислых пород образуются пески, а при выветривании основных пород появляется глина. Соответственно, другие магматические породы при выветривании будут образовывать продукты, промежуточные от песка до глины, в зависимости от исходного содержания в них кварца, обусловливая физико-механические свойства различных почв. Растворимые вещества, появляющиеся при выветривании магматических пород, попадая в моря и океаны, образуют различные осадочные породы.

Пегматит — ультракислая магматическая порода, светлого цвета, состоит из кварца, полевого шпата и незначительного количества цветных минералов. При выветривании возникают каолиновые глины. С пегматитами связаны месторождения слюды, топаза, вольфрама, цезия и других редких металлов. Используется также как аляскит (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Пегматит

Аляскит — порода светло-серого цвета; основными минералами, входящими в его состав, являются кварц, кислый полевой шпат и до 20% альбита. Используется в керамической и стекольной промышленности, а также как облицовочный камень.

Гранит — светлая порода (иногда розовая, красноватая, если есть минерал ортоклаз), состоящая из кварца, полевого шпата, слюды и цветных минералов (до 10%). Структура полнокристаллическая, зернистая. При выветривании образуются глинистые породы и пески. Применяется как строительный минерал (рис. 3.4).

Липарит — белая, светло-серая порода, иногда с розоватым оттенком, эффузивный аналог гранита, имеющий стекловатую структуру, есть вкрапления кварца. Используется для покрытия дорог и строительных целей в качестве щебня, а также как облицовочный камень (см. рис. 3.4).

Рис. 3.4. Кислые магматические породы

Сиенит — средняя, глубинная порода серого, розово-красного цвета в зависимости от количества примесей цветных минералов, кварц отсутствует. Структура полнокристаллическая, равномерно-зернистая. Строительный материал (рис. 3.5).

Трахит — эффузивный аналог сиенита, обладающий скрытокристаллической стекловидной структурой и состоящий в основном из полевых шпатов. Окраска его серая, Красноватая, иногда коричневая. Используется как поделочный камень (см. рис. 3.5).

Рис. 3.5. Средние магматические породы

Габбро — глубинная порода темного цвета. В состав входят плагиоклаз (лабрадор), оливин, роговая обманка, кварц отсутствует. Габбро, состоящий из одного лабрадора, называют лабрадоритом. Структура полнокристаллическая, мелко- и крупнозернистая. Используется как декоративный облицовочный материал (рис. 3.6).

Базальт — излившаяся в виде магмы порода, которая охлаждается при контакте с воздухом, чаще водой (при подводных извержениях), почти черного цвета, скрытокристаллической, стекловидной тонкозернистой структуры. Основная масса породы — плагиоклазы, меньше оливина, авгита. Самая распространенная магматическая вулканическая порода, с характерной столбчатой отдельностью в виде шестигранных столбов. Базальтами сложена океаническая кора нашей планеты, а по объему их в пять раз больше, чем остальных эффузивных пород. Широко применяется как дорожный и строительный материал (см. рис. 3.6).

Рис. 3.6. Основные магматические породы

Дунит — относится к ультраосновным глубинным породам черного или темно-зеленого цвета, содержит менее 45% Si0₂. Состоит из оливина с примесью авгита, магнетита и других минералов. Структура полнокристаллическая мелкозернистая. С этими породами генетически связаны месторождения хрома, платины, меди, кобальта, никеля и др. (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Ультраосновные магматические породы

Кимберлит — эффузивная горная порода пепельно-серого цвета, состоящая из оливина, пироксенов и других минералов. Алмазоносная горная порода стекловидной структуры, состоящая из сцементированных обломков минералов и магматических пород (см. рис. 3.7).

Главные осадочные породы

Осадочными горными породами называют породы, образовавшиеся на поверхности Земли в результате действия различных внешних (экзогенных) факторов и являющиеся продуктом разрушения ранее существовавших горных пород, остатков организмов и продуктов их жизнедеятельности на поверхности суши или на дне водных бассейнов. Все осадочные горные породы относятся к вторичным образованиям. Особенно большая группа осадочных пород (более 50% массы), представленная землистыми массами, образовалась в результате неоднократного физического выветривания плотных магматических и метаморфических горных пород.

По условиям образования осадочные породы подразделяются на три группы: обломочные (механические), химические и органогенные. Однако такое деление пород условно, так как нет четкой границы между ними. Например, существует разновидность осадочных пород смешанного происхождения — глинистые породы, которые являются переходными от обломочных горных пород к химическим, или фосфориты, имеющие смешанное биохимические происхождение.

Рис. 3.8. Осадочные горные породы

В особую группу выделяют породы вулканических извержений (пепел, вулканический песок и др.), которые имеют признаки и осадочного и магматического происхождения.

Характерной особенностью многих осадочных пород является их слоистое и нередко пористое строение, залегают в виде пластов неглубоко от поверхности земли, покрывая магматические породы. В осадочных породах нередко присутствуют остатки животных и растительных организмов (см. рис. 3.8). Значение осадочных пород велико, так как в них сосредоточены почти все месторождения нефти, газа, угля и многие другие полезные ископаемые.

Механические (обломочные) породы представляют собой обломки магматических пород, за исключением лёсса и глин, в состав которых наряду с обломками входят и продукты химических реакций — вторичные минералы, коллоидные вещества и др. Они могут быть как рыхлыми, так и сцементированными (табл. 3.2). Цементация пород — явление вторичное, которое происходит после образования пластов пород. Цементированный материал может быть кремнистым, известковым, железистым и др. (рис. 3.9).

Осадочные обломочные смешанные породы имеют для почвоведения особое значение. На этих породах сформировались почвы, и поэтому их называют почвообразующими, или материнскими. Наиболее распространенными осадочными породами являются глинистые, на долю которых приходится более 50% объема всех осадочных пород.

Химические осадочные горные породы образовались в результате выпадения солей из водных растворов (моря и океаны) или же в результате различных химических реакций, происходящих в земной коре. По химическому составу они подразделяются на: карбонатные (известняк, известковый туф, доломит, мергель), галоидные (калийная соль, сильвин, карналлит), сульфатные (мирабилит, гипс, ангидрит), кремнистые (туф кремнистый), железистые (лимонит, оолит), фосфатные (фосфорит, апатит) и аллитовые (боксит) (рис. 3.10).

Таблица 3.2

Обломочные (механические) осадочные породы

На долю карбонатных пород в осадочной оболочке Земли приходится около 14%, а главный породообразующий минерал этих пород — кальцит и в меньшей степени — доломит. Кремнистые породы состоят в основном из опала и халцедона.

И карбонатные и кремнистые породы могут иметь химическое, органогенное и смешанное происхождение.

Рис. 3.9. Конгломерат

Рис. ЗЛО. Известняк

Отличительная особенность химических осадочных пород в том, что они плотные, с высокой пористостью и слабой слоистостью, хорошо растворимы в воде и являются породами мономинеральными (например, СаС0₃, KCI, CaS0₄ и др.), в которых могут быть различные примеси, связанные с условиями их образования.

Органогенные осадочные породы обязаны своим происхождением жизнедеятельности микроорганизмов и бактерий и состоят преимущественно из твердых остатков. По химическому составу эти остатки можно подразделить на карбонатные, кремнистые и углеродистые.

Карбонатные породы наиболее распространены в природе и представлены органогенными известняками, образующимися в результате накопления известковых остатков организмов в большей части на дне морских бассейнов. К ним относят известняки коралловые, ракушечные и др. (рис. 3.11). К известнякам смешанного органогенно-хемогенного происхождения относят мел, состоящий на 75% из известковых остатков одноклеточных планктонных водорослей с примесью раковин фораминифер и тонкозернистого порошкообразного кальцита. Залегают органогенные известняки в виде пластов мощностью несколько десятков метров. Высокая пористость способствует растворению карбонатов и приводит к образованию пустот, каверн и пещер.

Кремнистые породы представляют собой тонкозернистые или пористые отложения, образовавшиеся в результате накопления скелетных частей микроорганизмов и состоят из кремнезема в виде опала, халцедона, кварца с примесями песка, глины, глауконита. Кремнистые породы менее распространены в природе, чем карбонатные. К ним относят: диатомит, трепел, опока и др. (рис. 3.12, а).

Рис. 3.77. Ракушечник

Рис. 3.12. Диатомит (о), антрацит(б)

Углеродистые породы представляют большую группу органогенных горных пород и минералов. Они делятся на твердые (торф, сапропель, угли, горючие сланцы, янтарь и др.), жидкие (нефть) и газообразные (горючие газы) разновидности. Твердые породы формируются в две стадии: во время первой растительный остаток превращается в торф, во время второй торф преобразуется в бурый, затем каменный уголь и антрацит (см. рис. 3.12, б). Большинство осадочных пород являются агрономическими рудами.

Метаморфические породы

Метаморфические горные породы — горные породы, образованные в толще земной коры в результате превращения (греч. metamorphosis — превращение) осадочных или магматических горных пород вследствие изменения физико-химических условий. Метаморфической может быть любая осадочная или магматическая порода, которая при погружении в зону метаморфических процессов земной коры претерпевает изменение состава и структуры с образованием новых пород — метаморфических. Например, из глин образуются глинистые сланцы, из песчаников — кварциты, из известняков — мраморы и т. д.

Благодаря движениям земной коры, осадочные и магматические горные породы подвергаются воздействию высокой температуры, большого давления и различных газовых и водных растворов (факторы метаморфизма), под действием которых они начинают изменяться. Обычно эти факторы действуют одновременно, но преобладающим является какой-нибудь один, он и определяет тип метаморфизма.

В зависимости от условий и характера проявления метаморфизма различают следующие основные его типы: динамометаморфизм, контактный метаморфизм (синоним: термометаморфизм) и региональный метаморфизм.

Рис. 3.13. Образование метаморфических горных пород

При динамометаморфизме изменение пород происходит под влиянием высокого давления вышележащих слоев горных пород или в результате бокового давления при тектонических деформациях. Минералы в горных породах, подвергшихся динамометаморфизму, располагаются своими длинными осями перпендикулярно направлению давления. Таким образом, образуются сланцы (слюдистые, горючие, хлористые, глинистые), милониты, гнейсы и др.

При контактном метаморфизме главную роль играет повышение температуры, которое происходит при проникновении магмы в более холодные вмещающие породы. В зоне интрузии (внедрения) происходит разогревание породы с формированием так называемого контактного ореола с характерным зональным строением (см. рис. 3.13). При этом происходит перекристаллизация вещества: ближе к интрузии образуются высокотемпературные минералы (роговики, гранаты и др.), а в более удаленных зонах — низкотемпературные минералы (хлориты, пироксены и др.).

Региональный метаморфизм в отличие от динамо- и термометаморфизма, имеющих локальный характер, охватывает наиболее обширные регионы земной коры. Для него характерно одновременное существенное воздействие давления и температуры, однако степень их воздействия на различных глубинах неодинакова. В верхних слоях земной коры при температуре 300—600°С и давлении 200—300 Мпа (2000—3000 атм.) исходные породы испытывают лишь слабый метаморфизм с образованием празинита, амфиболита и др. В нижних слоях при температуре 700—800°С, давлении 700 Мпа (7000 атм.) и более идет полная перекристаллизация горных пород, часто с изменением минерального и химического состава и образованием эклогитов, кианитовых сланцев и др.

Рис. 3.14. Метаморфические горные породы

Метаморфические породы не являются почвообразующими, среди них мало и агрономических руд, а используются они в основном как поделочные, строительные и облицовочные камни (см. рис. 3.14).