1.2.2 Горные породы
Горные породы представляют собой естественные минеральные агрегаты, образовавшиеся в результате остывания расплавленной магмы, накопления осадков, преобразования ранее существующих пород в процессе метаморфизма и залегающие в земной коре в виде самостоятельных геологических тел.
Наука, занимающаяся изучением горных пород, называется петрографией.
Минералы, входящие в состав горной породы и определяющие ее свойства, называются породообразующими. Каждый из породообразующих минералов составляет всегда более 5 % объема породы, а в сумме не менее 95 %; второстепенные минералы слагают в сумме до 5 % объема породы.
Если горные породы состоят из одного минерала (кварцит, известняк, каменная соль), они называются мономинеральными, если же из нескольких минералов полиминеральными (гранит, глина).
Строение горной породы характеризуется структурой и текстурой.
Структура – внутреннее строение породы, ее минеральных зерен, связанное со степенью ее кристалличности, абсолютным и относительным размером зерен или обломков, их формой.
Текстура – особенность внешнего сложения горной породы, обусловленная характером размещения минеральных зерен в пространстве, их ориентировкой и окраской.
По условиям образования (генезису) горные породы условно делятся на три класса:
– магматические горные породы, возникающие путем кристаллизации природных силикатных расплавов внутри Земли и на ее поверхности;
– осадочные горные породы, образовавшиеся на суше в результате разрушения любых ранее существовавших пород и в результате жизнедеятельности и отмирания организмов или выпадения осадков из пересыщенных растворов;
– метаморфические горные породы, образовавшиеся путем коренного преобразования любых ранее существовавших пород под влиянием высоких температур и давления, а также гидротермальных растворов.
Магматические горные породы возникают путем кристаллизации природных силикатных расплавов внутри земной коры или на ее поверхности.
Тип магматических пород устанавливается, прежде всего, по фациальным условиям образования на два класса:
– класс плутонических (интрузивных), т.е. полнокристаллических пород, происхождение которых связано с относительно длительной кристаллизацией магматического расплава в земной коре;
– класс вулканических (эффузивных), т.е. порфировых или афировых пород с микрокристаллической или стекловатой основной массой, являющихся продуктами кристаллизации магмы, вышедшей на земную поверхность по вулканическим каналам и застывшей в течение короткого промежутка времени.
В отдельный класс выделяют гипабиссальные (жильные) породы, которые формируются на небольших глубинах и занимают по условиям залегания и структурам промежуточное положение между глубинными (плутоническими) и излившимися (вулканическими) породами. Они проявляются в виде малых интрузий (даек, силлов, штоков).
Формы залегания магматических тел.
Батолит – крупный интрузивный массив, гигантская линза глубиной до 15 км и площадью от 100 до десятков тысяч км (рис. 10).
Шток – несогласная интрузия, в вертикальном разрезе имеющее форму колонны. В плане форма неправильная. От батолитов отличаются меньшими размерами.
Лополит – согласная, межпластовая интрузия блюдцеобразной формы.
Лакколит – согласная межпластовая интрузия, имеющая в разрезе грибообразную или куполообразную форму кровли и плоскую подошву.
Дайка – несогласная интрузия небольших размеров (имеет секущие контакты с вмещающими породами).
Силлы – пластообразные тела, внедряющиеся между слоями вмещающих пород.
Купол – сводообразные формы вулканических пород.
Рис. 10 Формы залегания магматических тел
Лавовый покров – образуется в результате растекания магмы по поверхности Земли
Потоки – вытянутые формы, возникающие при излиянии магмы из вулканов (рис.10).
Осадочные горные породы
Осадочные породы представляют собой скопления минерального или органического вещества, которые образуются в результате эндогенных процессов в пределах земной поверхности – на дне водоёмов или на поверхности суши. Они покрывают около 75 % поверхности Земли, при этом, составляя всего 5 % земной коры, в связи, с чем строительство производится в основном на осадочных породах. Многие осадочные горные породы являются полезными ископаемыми (уголь, нефть, газ, вода, железные и марганцевые руды, бокситы, гипсы и ангидриты, соли, фосфориты, известняки, пески, глины).
Образование осадочных пород (литогенез) представляет собой совокупность ряда последовательных стадий:
– выветривание (физическое разрушение, дробление пород и последующее химическое разложение до состояния глин), которое приводит к разрушению верхней части всей континентальной коры;
– перенос преимущественно речными потоками, а также ветром, ледниками, временными водотоками. Продукты выветривания при этом продолжают измельчаться, истираться, сортироваться;
– отложение или седиментация рыхлых осадков в водных бассейнах с проявлением процессов дифференциации;
– диагенез включает в себя процессы уплотнения осадка, его цементацию и дегидратацию (удаление воды) вследствие постепенного погружения на большие глубины, увеличения лито- и гидростатической нагрузки, а также повышения температур за счет геотермического градиента. Вследствие диагенеза песок превращается в песчаник, глина в аргиллит, дресва и щебень в брекчию.
Осадочные породы принято подразделять на три основные группы: обломочные (терригенные), химического происхождения (хемогенные) и органогенные, которые возникли в результате жизнедеятельности организмов. Деление это весьма условно, так как многие породы имеют смешанное происхождение, примером могут служить мергели, известковистые песчаники и т.д.
К осадочным горным породам также относят: пирокластические породы (продукты извержения вулканов – пепел и песок), осевшие на поверхности земли, и со временем преобразовавшиеся в туфы и туфобрекчии.
Классификация обломочных (терригенных) пород основана на различии пород по крупности зерен, по степени окатанности, по степени сцементированности.
Хемогенные породы образуются при химическом разрушении и растворении минералов материнских пород и последующим выпадением новых минералов в осадок из пересыщенных растворов.
Органогенные образования представляют собой продукты жизнедеятельности и отмирания живых организмов. Сюда относятся известняки – продукты отмирания организмов, извлекающих из среды обитания СаСО3, опоки, имеющие состав SiO2 nH2O и угли, представляющие собой различные углеродистые соединения. При классификации органогенных и хемогенных пород определяющим является их химический состав.
Важнейшим признаком, характеризующим строение осадочных пород, является их слоистая текстура. Образование слоистости связано с условиями накопления осадков (рис. 11).
Рис. 11 Фотография тонкой слоистости, характерной для речных и озерных отложений
Слои представляют собой более или менее плоские тела, горизонтальные размеры которых во много раз больше их толщины (мощности), и отделяющиеся друг от друга поверхностями напластования. Слоистая текстура обусловлена чередованием слоев нескольких разностей осадочных пород и может быть вызвана резким изменением размеров обломочных частиц и вещественного состава пород, либо ориентировкой осадочного материала.
Метаморфизм – процесс преобразования любых исходных пород под воздействием изменившихся физико-химических условий среды путем перекристаллизации породы без существенного расплавления. Факторами метаморфизма или причинами преобразования пород являются давление, температура, а также растворы и газы (флюиды), проникающие в толщи исходных пород.
Давление. При метаморфических преобразованиях давление может быть обусловлено несколькими причинами:
– литостатическое давление – нагрузка вышележащих толщ;
– давление движущейся магмы и давление гидротермальных растворов;
– давление тектонического движения.
Главным среди них следует считать тектоническое (стрессовое) давление, которое может достигать десятки тысяч атмосфер, и воздействовать на огромные территории. Проявление литостатического и магматического давления на этом фоне может оказаться незаметным и обычно влияет на характер минеральных преобразований лишь на локальных участках.
Температура. На метаморфические преобразования могут повлиять следующие температурные изменения:
– геотермический градиент, составляющий ≈ 300º С/1км;
– прогрев пород очагом внедрившейся и постепенно остывающей магмы;
– выделение тепла за счет тектонических подвижек, которые сопровождаются глубинными тепловыми потоками.
Гидротермальные растворы и флюиды насыщены парами воды и углекислоты и более редкими соединениями водорода, хлора, фтора и способны привносить или выносить различные химические компоненты. Они влияют на характер минералообразования, создавая специфическую окислительно-восстановительную среду, а также кислую или щелочную среды.
Различают два основных вида преобразования пород:
– локальный метаморфизм, который объединяет контактовый и дислокационный типы метаморфизма, развивающиеся на ограниченных пространствах;
– региональный метаморфизм, проявления которого охватывают большие регионы.
В зависимости от сочетания термодинамических (Р,Т) параметров выделяются те или иные типы метаморфизма. При термальном типе метаморфизма порода преобразуется под преимущественным воздействием температуры, а при динамическом - основным фактором выступает давление. Когда проявляются оба фактора одновременно, говорят о динамометаморфизме. Каждый из этих типов обладает своими специфическими геологическими условиями проявления.
Контактовый метаморфизм. При внедрении магмы в земную кору она входит в контакт с вмещающими породами, которые вследствие этого подвергаются воздействию высокой температуры расплава и магматических газов. Если на вмещающие породы оказывается существенное температурное воздействие, то она преобразуется с сохранением химического состава. В простейшем случае происходит укрупнение размеров зерен, связанное с процессом роста кристаллов (известняк → мрамор). Вследствие плохой теплопроводности пород интенсивность преобразований быстро уменьшается по мере удаления от поверхности контакта. По этой причине зоны изменения вокруг магматического очага (контактный ореол) имеет лишь ограниченное распространение и может достигать нескольких километров. Если вмещающая порода разогрета жильным магматическим телом, то это может быть узкая полоса в несколько метров (рис.12).
Рис.12 Контактовый метаморфизм
Контактово-метаморфическое преобразование вмещающих пород становится особенно сложным и глубоким, если кроме температурного воздействия магмы, на них влияют химически агрессивные, отделяющиеся от магмы во флюидном состоянии летучие компоненты. Обменные реакции между боковой породой и проникающими в нее газами приводят к возникновению пород, совершенно новых по химическому и минералогическому составу. Эти процессы называются метасоматозом (в переводе с греческого «замещение», «вытеснение»).
Динамический метаморфизм, который чаще называют дислокационным, протекает в относительно «холодных» условиях, когда проявляются тектонические движения по разрывным нарушениям (разломам). При этом происходит дробление пород, их истирание (рис. 13).
Рис. 13 Дислокационный метаморфизм
Контактовый и дислокационный типы метаморфизма развиваются в ограниченных пространствах, локально. Первый тип увязывается с узкой полосой вокруг магматических тел, а второй – с такой же полосой тектонических трещин. Поэтому тот и другой тип объединяются названием локальный.
Региональный метаморфизм. Движения в земной коре, захватывающие большие пространства, как это происходит при горообразовательных процессах, совместно с давлением вышележащих толщ пород и возрастающей с увеличением глубины погружения температурой обуславливают регионально-метаморфические преобразования пород. В зависимости от давления и температуры наблюдаются изменения более слабой или более сильной степени, которые отличаются характерными минеральными новообразованиями и называются метаморфическими фациями (рис. 14).
Рис. 14 Типы метаморфизма. Фации регионального метаморфизма