Процессы минералообразования

Минерал - это продукт природных физико–химических процессов. По источнику энергии процессы минералообразования разделяются на две большие группы: Эндогенные, связанные с внутренней энергией земли, и экзогенные с энергией солнца.

Эндогенные (или гипогенные, глубинные) процессы протекают в недрах земли и связаны с магматической деятельностью. Процессы застывания магмы ведут к образованию различных магматических горных пород, а отделяющиеся от магмы газовые и водные растворы могут переносить различные вещества, которые при соответствующих условиях, например в трещинах, выделяются в виде минералов.

Экзогенные (или гипергенные, поверхностные) процессы происходят на поверхности или близ поверхности земли, а так же в атмосфере и гидросфере. Эти процессы связаны с физическим и химическим разрушением горных пород и минералов и образование других пород и минералов, устойчивых в условиях поверхности земли. Сюда же относятся биогенные процессы, т.е. процессы, связанные с жизнедеятельностью организмов.

Минералы и горные породы, возникшие в результатах эндогенных и экзогенных процессов, при изменении физико-химических условиях в недрах земли испытывают преобразования – метаморфизм. При этом возникают другие горные породы и минералы, которые называют метаморфическими.

Эндогенные процессы минералообразования

Эндогенные процессы, так или иначе, связаны с деятельностью магмы, потому их также иногда называют магматогенными процессами. Среди них выделяются следующие процессы.

Магматические процессы. К собственно магматическим процессам образования минералов относятся те, при которых минералы образуются непосредственно при кристаллизации магмы. Сюда относятся все минералы, слагающие изверженные горные породы. Так, гранит состоит из полевого шпата, кварца и слюды; происхождение этих минералов в данном случае – магматическое. Второстепенные (акцессорные) минералы изверженных горных пород – апатит, циркон, ортрит и др. также магматическое происхождение.

Как известно из курса общей геологии, изверженные породы делятся на две большие группы: интрузивные горные породы, закристаллизовавшиеся на глубине, и эффузивные, образовавшиеся вблизи поверхности или на поверхности земли. Магматические процессы минералообразования могут быть связаны и с интрузиями и с эффузиями. Когда говорят о магматическом происхождении минералов, то обычно указывают, с какими по составу породами они связаны: кислыми, щелочными, основными или ультра основными. Ассоциации минералов при этом будут различными.

Магматические происхождение имеют многие практически важные минералы – апатит, алмаз, платина, руды хрома, никеля, меди, железа и др.

Пегматитовый процесс. Пегматиты – минеральные тела, сложные как по составу, так и по форме. Форма пегматитов преимущественно жильная, линзообразаная; иногда встречаются не правильные, нередко ветвящиеся образования, а так же штоки. Залегают они, как и в интрузивных породах, так и в породах – кровли – в гнейсах и кристаллических сланцах. Тесная пространственная связь пегматитов с интрузивными породами доказывает их генетическое родство. Пегматиты обычно не удалены более чем на 1-2 км от интрузивных пород.

Минералогический состав пегматитов сходен с минералогическим составом интрузивных пород. Главными минералами являются полевые шпаты (плагиоклазы), кварц и слюды (мусковит, биотит), часто встречается турмалин. Для пегматитов характерны берилл, касситерит и другие минералы.

Таким образом, пегматиты чрезвычайно интересны в практическом отношении. Они являются единственным источником слюды – мусковита, источником редких металлов – лития, бериллия, олова, цезия, тантала и ниобия, редких земель, а также керамического и пьезооптического сырья (полевой шпат, пьезокварц).

По размерам пегматитовые жилы могут достигать нескольких километров в длину и нескольких десятков метров по мощности. Минералы пегматитов также достигают больших размеров. Так, например, в пегматитах Мамской тайги (Восточная Сибирь) были встречены кристаллы мусковита весом в 1т; пластины биотита могут достигать 7м² (Норвегия); кристаллы сподумена, минерала, содержащего литий, достигает 14 метров в длину (Южная Дакота, США). В Карелии, где разрабатывают пегматиты как керамическое сырьё, известны кристаллы полевого шпата в 100т. Весом. В последнее время в пегматитах Волыни добыты крупнейшие в мире кристаллы топаза, вес наибольшего из них 59кг.

Изучением пегматитов занимался А.Е. Ферсман. Ему принадлежит монография о пегматитах, в которой освещены основные вопросы, связанные с их происхождением, минералогией и полезными ископаемыми.

По мнению А.Е. Ферсмана, при кристаллизации магмы образуется остаточный силикатный расплав, богатый соединениями редких и редкоземельных элементов и летучими веществами- минерализаторами (соединениями с хлором, фтором, бором). Этот остаточный расплав в силу разности давлений выжимается вверх в вышележащие породы и заполняет в них трещины и полости. По составу это тот же силикатный расплав, поэтому главные породообразующие минералы пегматитов (полевые шпаты, кварц, слюды) те же, что и в материнской интрузии.

При одновременной кристаллизации полевого шпата возникают характерные образования, которые носят название «письменного гранита» или «еврейского камня» (рис. 45). Закономерные выростки кварца в полевом шпате напоминают восточные письмена, иероглифы, откуда и произошло это название.

В результате реакций пегматитового расплава с вмещающими породами возможны случаи, когда одни компоненты выносятся из расплава, а другие поглощаются. Так образуется, по А.Е.Ферсману, пегматиты «линии скрещения», в отличие от обычных пегматитов «чистой линии», когда ассимиляция вещества из окружающих пород не происходит.

Существуют и другие точки зрения на происхождение пегматитов. А.Н. Заварицкий считает, что пегматиты представляют собой не продукты кристаллизации остаточного магматического расплава, а являются результатом перекристаллизации пород под влиянием газовых растворов. В результате такой перекристаллизации, которая происходит на большой глубине и при большом давлении, возможно образование крупнокристаллических блоков, характерных для пегматитов.

Таким образом, по А.Н. Заварицкому, пегматиты являются послемагматическими образованиями, что до известной степени объединяет их с пневматолитовыми и гидротермальными жилами. Так как газовые растворы в последующем охлаждении дают гидротермальные растворы.

Пневматолитический процесс, или пневматолиз («пневма» - по-гречески газ). Пневматолиз – процесс образования минералов из газовой фазы. На некоторых этапах кристаллизации магмы возможно отделение газов. По мере движения вверх по трещинам эти газы охлаждаются, реагируют друг с другом и с вмещающими породами, образуя минералы.

Продукты пневматолиза – пневматолиты, делятся на вулканические и глубинные.

Вулканические пневматолиты образуются в вулканических областях за счет газов, отделяющихся от магмы в близи поверхности или на поверхности земли. Вулканические газы в огромных количествах уходят в атмосферу через жерла вулканов, фумаролы и трещины.

Главными газами при извержении являются пары воды, HCl, H₂S, SO₂, NH₄Cl, CO₂, CO, H₂, O₂, хлористые и сернокислые соединения Na, K, Ca. В газах также обнаруживаются хлористые соединения Fe, Cu, Pb, Mn, соединения фтора, бора, брома, фосфора, мышьяка, сурьмы и др.

О количестве выделяющихся вулканических газов можно судить по следующим данным. В долине Десяти Тысячи Дымов на Аляске фумаролы Катами выделили за один год 1 250 000 т. HCl и 200 000 т. HF. Один из боковых конусов Этны при извержении выделял столько водяного пара, что при конденсации его получилось бы около 20 млн. л. воды в день.

В процессе возгона газов в трещинах лавовых покровов и кратерах вулканов происходит выделение минералов. Преимущественно это хлориды и сульфаты, минералы легко растворимые и поэтому не наблюдаемые в больших количествах.

Минералы, образующиеся больших при вулканической деятельности, обычно имеют вид налетов, мелкокристаллических корочек, дают землистые агрегаты.

Примеры образования минералов могут служить следующие реакции:

2FeCl₃+3H₂O=Fe₂O₃+6HCl гематит

2H₂S+O₂=2H₂O+2S сера

Промышленное значение минералов вулканического происхождения очень ограничено: это, в первую очередь, самородная сера (иногда содержащая селен), небольшие месторождения, которые известны на Камчатке и Курильских островах, в Японии, Чили и Италии. В Италии также добывается природная борная кислота – сассолин В (ОН)₃

Глубинные пневматолиты образуются в том случае, когда газы отделяются от магматического очага в недрах земной коры. Они просачиваются сквозь горные породы, реагируют с ними, преобразуя их химический и минералогический состав. Степень химических преобразований пород под действием газов зависит от их химической активности, состава пород, тектонического строения и длительности процесса. Весьма вероятно, что при глубинном минералообразовании наряду с газами действуют также и водные горячие (гидротермальные) растворы.

К глубинным пневматолитам относятся некоторые жильные тела (тела заполнения трещин) и грейзены. Грейзены – породы, образовавшиеся в условиях средних глубин благодаря переработке магматическими эманациями (газами и водными растворами) гранитов и жильных магматических пород, а также эффузивов и некоторых осадочно-метаморфических пород, богатых кремнезёмом и глинозёмом

Грейзены, как правило, образуются в куполовидных выступах гранитных интрузии и их экзоконтактных зонах.

В минералогическом отношении в грейзенах резко преобладает кварц. Кроме того, они почти всегда содержат мусковит, часто литиевые слюды, топаз, турмалин, флюорит, рутил. Из рудных минералов характерны касситерит и вольфрамит, в меньшей степени молибденит и арсенопирит. Нередко в грейзенах можно встретить берилл, особенно характерна его прозрачная разновидность цвета морской воды – аквамарин, являющаяся драгоценным камнем.

Примером реакции может послужить образования касситерита:

SnF₄+2H₂O=SnO₂+4HF касситерит

Пневматолитовый процесс неразрывно связан с рассматриваемым ниже гидротермальным процессом.

Гидротермальный процесс. Гидротермы – горячие водные растворы, отделяющиеся от магмы или образующиеся в результате сжижения газов.

Гидротермальные растворы выносят из магматического очага целый ряд соединений металлов. Кроме того, гидротермы могут заимствовать различные вещества из боковых пород, по которым они двигались.

Причина движения гидротерм – разность давлений. Когда внутреннее давление растворов больше внешнего, растворы движутся в сторону наименьшего давления, обычно вверх, к поверхности земли. При своём движении они используют различные тектонические нарушения, разломы, трещины, зоны контактов. По мере удаления растворов от магматического очага температура их падает. В результате падения температуры и реакций с вмещающими пародами гидротермы отлагают свой груз в виде минералов. Выделение минералов из водных растворов (иногда коллоидных) и представляет сущность гидротермального процесса.

Поскольку гидротермы обычно движутся по трещинам, форма большинства гидротермальных минеральных тел жильная. Главнейшим жильным минералом является кварц.

Гидротермы могут быть высоко, средне и низкотемпературные, и соответственно по температуре образования выделяют гидротермальные месторождения: высокотемпературные 450 – 300⁰, среднетемпературные (300-200⁰), низкотемпературные ниже 200⁰.

Как правило, высоко температурные гидротермальные минеральные тела располагаются ближе к материнской интрузии, которой они обязаны своим происхождениям.

Гидротермальный процесс не ограничивается отложением минералов трещинах с образованием различных жильных тел.

Гидротермы так же, как и газы, просачиваются сквозь боковые породы, химически реагируют с ними, замещают их, привнося новые соединения. Так образуются метасоматические тела, имеющие часто трубчатую или неправильную форму и залегающие большей частью среди карбонатных пород.

Под метасоматозом Д.С. Коржинский понимает «всякое замещение горной породы с изменением химического состава, при котором растворение старых минералов и отложение новых происходит почти одновременно, так что в процессе замещения порода всё время сохраняет твёрдое состояние».

Гидротермальное минералообразование проявляется также в конце пегматитового процесса.

При гидротермальной переработке горных пород последние могут быть сильно изменится. Так образуются некоторые тальковые и хлоритовые сланцы. При действии гидротермальных растворов на богатые магнием ультраосновные породы и доломиты образуются асбест, тальк, магнезит, а действие низкотемпературных сернокислых гидротерм на богатые щелочами пород ведёт образованию алунита.

Гидротермальное происхождение имеет большинство руд цветных, редких и радиоактивных металлов, а также золото и различные неметаллические полезные ископаемые.