Глава 1. Петрография: основные понятия, этапы развития и методы исследования горных пород

1. Основные понятия

Петрография – фундаментальная наука геологического цикла, всесторонне изучающая, описывающая и классифицирующая горные породы и их ассоциации. Она изучает горные породы с точки зрения их минерального и химического состава, текстур, структур и условий залегания.

Петрология исследует особенности состава и структур горных пород, отражающих условиях их происхождения (генезиса), соотношения горных пород в естественных ассоциациях, закономерности их распространения во времени и пространстве, с определением процессов их формирования, а также экспериментального и лабораторного воспроизведении этих процессов.

Горная порода – природный минеральный агрегат определенного состава и строения, являющийся продуктом геологических процессов и образующий в земной коре или на ее поверхности самостоятельные тела.

В зависимости от генезиса горные породы разделяются на четыре генетические группы (типа) пород: а) магматические, б) метаморфические, в) импактные (коптогенные) и г) осадочные. Дальнейшее подразделение множества горных пород производится по различным сочетаниям структурно-вещественных признаков, разработанных для каждого типа пород.

Магматические горные породы образовались в результате охлаждения и затвердевания или кристаллизации в земной коре или на ее поверхности естественного высокотемпературного обычно силикатного расплава, который в свою очередь называется – магма.

Метаморфические горные породы являются продуктом эндогенных преобразований в твердом состоянии пород любого генезиса (происхождения) в соответствии с изменившимися термодинамическими (физико-химическими) условиями, при неизменном сохранении преобразуемыми породами твердого состояния.

Импактные (коптогенные) горные породы возникают при трансформации магматических, метаморфических и осадочных пород за счет кинетической энергии при соударении быстролетящих малых космических тел (метеоритов) с поверхностью Земли.

Осадочные горные породы возникают в поверхностных (экзогенных) условиях за счет продуктов разрушения любых других пород, их переноса и отложения.

Магматические, метаморфические и импактные породы (т.е. кристаллические горные породы) имеют много общего по условиям образования, минеральному составу, методам изучения, поэтому изучение их объединяется в одну дисциплину – "Петрография". Осадочные породы изучает наука "Литология".

В первой части представленного курса лекций рассматриваются вопросы петрографии и петрологии магматических горных пород, которым будет уделено основное внимание.

Все магматические горные породы могут формироваться на различных уровнях земной коры. По этому признаку они разделяются на глубинные – плутонические (абиссальные) с зоной формирования более 5 км; приповерхностные (субвулканические) – гипабиссальные – до 5 км; и затвердевшие на поверхности - вулканические. Различные условия образования этих пород отражаются на их внешнем облике, что позволяет достаточно надежно их идентифицировать.

2. Этапы развития петрографии

Выделение основных этапов становления петрографии, как современной науки, производится достаточно условно и отражает приоритетные тенденции конкретного периода. Все направления и методики исследований используются одновременно в той или иной мере при современном исследовании горных пород и петрологической интерпретации их генезиса.

Домикроскопический период (до середины XIX века).

Начало исследования человечеством горных пород связано с широким использованием каменного материала в строительстве, металлургии и других направлениях жизнедеятельности человека. Расширение знаний тесно связан с историей развития материальной культуры человека, в которой существенную роль играл горный промысел. Названия горных пород, вместе с широко известными минералами, встречены у Аристотеля и Теофраста, Бируни и Ибн-Сины, Г. Агриколы, М.И. Ломоносова и многих других ученых того времени. В основном в этот период были выделены и описаны горные породы, как самостоятельные образования, осуществлены первые попытки их классифицирования, установлена приуроченность полезных ископаемых к определенным видам горных пород.

Микроскопический период (середина XIX – начало XX века).

Петрография – в качестве самостоятельной науки возникла в середине XIX века, чему способствовало изобретение в 1834 году английским физиком Г. Толботом поляризационного микроскопа и его первого использования в 1858 году Г. Сорби для исследования горных пород, что значительно расширило возможности изучения их минерального состава.

Первый учебник петрографии был составлен в 1866 году немецким ученым Ф. Циркелем. В России впервые петрографические описания пород с применением микроскопа были опубликованы в 1867 году А.А. Иностранцевым и И. Блюммелем, а затем в 1869 году А.К. Карпинским. В 1923 году в Германии появилась капитальная работа Г. Розенбуша, заложившая основы систематики горных пород. Возможности метода были значительно расширены Е.С. Федоровым, который в 1891 году сконструировал прибор (универсальный столик, названный его именем), открывший возможности более точного определения оптических свойств минералов. На протяжении практически ста лет наблюдения под микроскопом оставались ведущим, а для большинства исследователей и единственным методом исследования горных пород.

Микроскопический период был очень плодотворным. В это время описаны сотни видов и разновидностей магматических и метаморфических горных пород, разработаны основы их систематики, что отражено в фундаментальных трудах Г. Розенбуша (1836-1914), Ф. Циркеля (1838-1912), Ф.Ю. Левинсона-Лессинга (1861-1939), Д.С. Белянкина (1876-1953), А.Н. Заварицкого (1884-1952) и многих других. Большое значение при определении минералов с использованием микроскопа сыграли труды В.Н. Лодочникова (1887-1943).

Быстро накапливающийся описательный материал послужил основанием для создания количественно-минералогических классификаций магматических пород, различные варианты которых были предложены С. Шендом (1927), А. Джохенсоном (1931), П. Нигли (1931), Соловьевым (___), Штрексизен (?____) и другими. До настоящего времени поляризационный микроскоп остается главным "оружием" петрографа.

Химический период (конец XIX – начало XX века).

На рубеже XIX-XX веков наряду с микроскопическими исследованиями изучение горных пород начало развиваться еще по нескольким направлениям, главными из которых являлись химическое, физико-химическое и экспериментальное. Химические исследования ставили своей целью выявление закономерностей в изменении химического состава магматических пород, что в настоящее время относится к самостоятельному разделу петрографии – петрохимии. Огромный вклад в этом направлении внесли ведущие отечественные исследователи Ф.Ю. Левинсон-Лессинг (1861-1939) и А.Н. Заварицкий (1884-1952), разработавшие химическую систематику и классификацию магматических горных пород на основе собственных методик петрохимических пересчетов.

Физико-химический (или экспериментальный) период (преимущественно 30-60-е годы XX века).

В задачу физико-химических исследований входило изучение процессов кристаллизации и дифференциации магмы, т.е. выявление причин разнообразия магматических пород. Такого рода исследования были начаты И. Фогтом (1890), А.Е. Лагорио (1891), И.И. Морозевичем (1892-1897), Н. Боуэном (1902-1908) и продолжены А. Харкером, Дж. Тиррелом, Я. Седерхольмом, А.Н. Заварицким, В.С. Соболевым, Д.С. Коржинским и другими.

Целью экспериментальных исследований являлось изучение процессов образования минералов и горных пород в условиях, приближающихся к естественным. В зарождении и развитии экспериментального направления большая роль принадлежит коллективу ученых геофизической лаборатории Карнеги (г. Вашингтон): Н. Боуэну, Дж. Грейгу, К. Горансону и др., получившим исключительно важные данные о процессах кристаллизации силикатных систем. Технические возможности в отношении получения сверхвысоких температур и давлений позволили изучать системы с летучими компонентами, приближенные к реальным магмам, что расширило представление об условиях кристаллизации природных расплавов и дало возможность установить области термодинамической устойчивости важнейших породообразующих минералов.

Развитие инженерно-геологических и геофизических исследований активизировало изучение физико-механических свойств горных пород и привело к появлению новой науки в рамках петрографии – петрофизики.

Широко проводившиеся на территории Советского Союза региональные геолого-съемочные работы в совокупности с петрографическими исследованиями привели к возникновению учения о магматических формациях, позволившего рассматривать вопросы происхождения магматических пород, как закономерных ассоциаций, связанных с тектонической жизнью Земли. В развитие этого направления большой вклад внесли отечественные ученые: Ю.А. Билибин, Г.Д. Афанасьев, О.А. Воробьева, В.С. Коптев-Дворников, Е.К. Устиев, Ю.А. Кузнецов и многие, многие другие.

Изучение петрографии метаморфических пород несколько отставало от магматической петрографии, вследствие специфических трудностей их исследования. Первыми работами, посвященными метаморфизму и формирующимся при этом породам, были труды К. Ван-Хайза (1898, 1904), У. Грубенмана (1904, 1910), Ф. Бекке (1903, 1921), И.Д. Лукашевича (1909), П. Ниггли (1913) и др. Огромный вклад в изучение процессов метаморфизма внес П. Эскола, впервые в 1915 году сформулировавший принцип метаморфических фаций – основу для создания современных классификаций метаморфических пород. Дальнейшее развитие исследования получили в трудах Ф. Тернера, Х. Платена, Г. Винклера, В.С. Соболева, Д.С. Коржинского, В.А. Жарикова, Л.Л. Перчука и многих других.

Современный (рентгеноспектральный) период (с 60-х годов XX века).

Плодотворные идеи, высказанные перечисленными выше и многими другими исследователями, а также внедрение новых аналитических и экспериментальных методов сделали возможным стремительный прогресс петрографии и петрологии во второй половине XX века.

Новый этап развития петрографии, начавшийся в 60-х годах XX века, связан с внедрением в практику исследований рентгеноспектрального микроанализатора ("микрозонда"), позволяющего определить количественный набор химических элементов, входящих в состав минерала в точке около 1 мкм. Это дало возможность получить сведения о химическом составе, строении и морфологии зерен с такой полнотой, точностью и быстротой, которые недоступны оптическому методу.

Полученный к настоящему времени большой объем информации о химическом составе кристаллических и стекловатых фаз, слагающих породы, достоверные сведения о температурах, давлениях и составах флюидной фазы при их формировании позволили в полной мере использовать разработанную физико-химическую теорию для решения петрологических задач. Кроме того, с конца 50-х годов непрерывно возрастает объем работ и методический уровень экспериментальной петрологии, воспроизводящей природные процессы в лаборатории. А с начала 90-х годов XX века большую значимость приобретает компьютерное моделирование природных процессов, а также построение геологических, в том числе и петрографо-петрологических баз данных.

Благодаря широкому использованию современной аппаратуры и технологий петрография и петрология стали точными науками и заняли одно из ведущих мест среди геологических дисциплин.

1.3. Методы изучения горных пород

В настоящее время петрографические и петрологические исследования в том или ином объеме выполняются на всех стадиях геологоразведочных и научных геологических работ и включают следующую последовательность операций.

1. Полевые наблюдения, выполняемые в процессе геологического картирования, разведки и эксплуатации месторождений, при документации естественных обнажений, горных выработок, керна скважин. По результатам этих наблюдений составляется визуальное (макроскопическое) описание горных пород и дается их предварительная диагностика.

2. Изучение горных пород в камеральных условиях с использованием микроскопа с целью получения максимально точных и полных сведений об их составе и строении (структуре и текстуре), необходимых для окончательного определения отдельных минералов, их количества и взаимоотношений, что позволяет диагностировать горную породу в целом.

3. Химический анализ горных пород и при необходимости разностороннее их исследование с помощью многочисленных специальных лабораторных методов, зависящих от поставленных задач.

4. Синтез геологической, петрографической и геохимической информации и обоснование выводов об условиях формирования пород, их металлогении и рудоносности; расчет количественных петрологических моделей с использованием компьютеров; сопоставление результатов с экспериментальными данными и, в случае необходимости, постановка новых опытов.

Каждая из этих стадий исследований требует профессиональных навыков и умения, а две последние, кроме того, специальной аппаратуры. Следует особо подчеркнуть, что никакие самые совершенные аналитические приемы не могут заменить полевые наблюдения и изучение горных пород с помощью микроскопа. Вместе с тем, пренебрежение точными современными лабораторными методами не позволяет судить о составе, строении и происхождении горных пород с той степенью конкретности и определенности, которая доступна современной науке.