Минералы и горные породы. Учебное пособие

2.3. Описание наиболее распространенных горных пород

нистых частиц может происходить лишь в сравнительно спокойной водной среде. Наиболее благоприятные условия для отложения глинистого материала создаются в морских бассейнах, где глины образуют мощные толщи или отдельные слои среди других пород.

Глины находят широкое практическое применение. Каолиновые глины используются для изготовления фарфора, фаянса, огнеупорного кирпича. Монтмориллонитовые глины применяются для очистки нефтепродуктов, растительных масел, жиров и др. Гидрослюдистые глины и глины полиминерального состава используются для изготов-

ления кирпича, грубой керамики, черепицы и других изделий. Аргиллиты (от греч. ἄργιλλος – глина) – твердые глинистые по-

роды, утратившие способность размокать в воде. Эти породы образуются в результате уплотнения, обезвоживания (дегидратации) и цементации глин. Сложены аргиллиты преимущественно гидрослюдами. Кроме того, в них всегда присутствуют кварц, полевые шпаты, слюды, карбонаты и др. Аргиллиты часто имеют жирный блеск и раковистый излом. Иногда в них проявляется сланцеватость, выражающаяся в раскалывании их на тонкие остроугольные пластинки (плитки). Аргиллиты являются первой стадией изменения глин на пути их превращения в глинистые сланцы.

Кроме описанных выше песчаных, алевритовых и глинистых пород, существуют такие переходные породы, как супеси и суглинки. Они

состоят из смеси песчаных, алевритовых и глинистых частиц и выделяются в группу пород смешанного состава. Свойства этих пород зависят в основном от содержания глинистой составляющей. В супесях содержание глинистых частиц составляет 10–25 %, и по своим физическим свойствам они ближе к пескам, в суглинках – до 40 %, что обусловливает сходство их свойств с глинами. Супеси и суглинки обычно

окрашены в желтые, коричневые и бурые цвета.

Химические и органогенные породы. Образуются путем осаждения минералов из водных растворов в результате различных химических реакций или жизнедеятельности животных и растительных

организмов.

Карбонатные породы. Наиболее распространенными из них являются известняки и доломиты.

91

Глава 2. ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Известняки – широко распространенные осадочные породы, состоящие из одного главного породообразующего минерала – кальцита, с небольшими примесями песка и глины. Окраска известняков преимущественно светлая – белая, желтоватая, серая, но в зависимости от примесей может быть различной, вплоть до темно-серой и черной. Известняки легко распознаются по реакции с разбавленной соляной кислотой.

По происхождению среди них различают известняки химического и органогенного происхождения. Иногда выделяют обломочные известняки, состоящие из обломков, образовавшихся за счет разруше-

ния более древних карбонатных пород.

Органогенные известняки имеют наибольшее распространение и сложены в основном органическими остатками. Выделяют зоогенные известняки, состоящие из известковистых остатков животных организмов, и фитогенные известняки, сложенные скелетными образова-

ниями водорослей. По преобладающему виду органических остатков дается название пород, например: известняки коралловые, криноидные, мшанковые и др. Органические остатки могут сохраниться полностью или претерпеть дробление, разрушение, перекристаллизацию. Соответственно, различают структуры этих пород: органогенные – где остатки не разрушены, детритусовые – с разрушенными остатками, кристаллически-зернистые – характерные для перекристаллизованных известняков, утративших первоначальный облик. Текстуры разнообразные – однородные, плотные, пористые, кавернозные. Известняки, состоящие в основном из целых раковин, называются ракушечниками,

аиз разрушенных – детритусовыми или детритовыми.

Кизвестнякам органогенного происхождения также относится мел – мягкая землистая порода белого цвета, сложенная главным образом остатками кокколитофорид (известковых водорослей) и раковин фораминифер и мелкими частицами порошковатого кальцита. От сходных с ним пород – белой глины, диатомита и трепела – отличается

бурной реакцией с разбавленной соляной кислотой.

Химические известняки лишены органических остатков и состоят из кальцита, отложившегося в осадок чисто химическим путем. Обычно залегают в виде пластов или образуют отдельные конкреции. Как и

92

2.3. Описание наиболее распространенных горных пород

органогенные, химические известняки диагностируются по реакции с

соляной кислотой.

Среди них различают: микрозернистые известняки – плотные,

твердые породы с раковистым изломом и скрытокристаллической структурой; оолитовые известняки – скопления мелких шаровидных

известковых зерен (оолитов), скрепленных известковым цементом; известковые туфы, или травертины, – сплошные породы пористо-

го, ячеистого и кавернозного строения, образующиеся при осаждении

из горячих и холодных водных источников углекислого состава; различные известковые натеки – сталактиты, сталагмиты, корки и пр.,

образующиеся в подземных (карстовых) пещерах путем выпадения из растворов, циркулирующих через горные породы.

Доломиты – распространенные карбонатные породы, состоящие из минерала доломита. Цвет доломитов белый, желтовато-белый, свет- ло-бурый. По внешнему виду доломиты похожи на известняки, но отличаются от них реакцией с разбавленной соляной кислотой (вскипают лишь в порошке, в куске доломит реагирует только с горячей соляной кислотой) и иногда шероховатой или песчаниковидной поверхностью излома. Для доломитов характерны микрозернистые и кристалличе- ски-зернистые структуры, текстура массивная, иногда пористая, кавернозная. Доломиты образуются несколькими способами: при осаждении из водных растворов, в результате доломитизации известкового осадка и при доломитизации известняков (Белоусова, Михина, 2016).

Мергели – распространенные породы смешанного состава, характеризующиеся приблизительно равным содержанием карбонатного и глинистого материала. Обычно это плотные породы с раковистым или неровным изломом, белой или разнообразной светлой окраски. По внешнему виду мергели малоотличимы от известняков. С разбавленной соляной кислотой мергели также бурно реагируют, но в отличие от известняков на поверхности породы остается темное пятно глинистых частиц.

Карбонатные породы находят широкое применение. Известняки и доломиты используются как строительный материал, в металлургии в качестве флюса и огнеупора, а также в химической, стекольной, керамической, пищевой и других отраслях промышленности. Тонко-

93

Глава 2. ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

измельченным известняком проводят известкование кислых подзоли-

стых почв. Мергели являются сырьем для изготовления цемента. Кремнистые породы сложены в основном кремнеземом. Это опа-

ловые, халцедоновые и кварцевые породы различного происхождения. К ним относятся диатомиты, трепелы, опоки, яшмы, кремни, гейзериты и кремнистые туфы.

Диатомиты – породы органогенного происхождения, состоящие из опаловых скелетов диатомовых водорослей, скрепленных опаловым цементом. Это мягкие, очень легкие, светлые тонкопористые породы. Легко растираются в тонкий порошок, быстро впитывают влагу (липнут к языку). Внешне похожи на мел и каолиновую глину, но не реа-

гируют с соляной кислотой и не жирные на ощупь.

Трепелы – по своим свойствам внешне неотличимы от диатомитов. Состоят из опала, иногда с редкими остатками кремневых организмов – диатомовых водорослей и спикул губок. Происхождение трепелов не вполне ясно, возможно, они образуются биохимическим путем.

Опоки – очень легкие породы, состоящие в основном из опала (иногда халцедона). В небольшом количестве содержат остатки диатомовых водорослей, радиолярий, спикул губок. Чаще всего это твердые породы от голубовато-серого до почти черного цвета. При ударе раскалываются со звенящим звуком на мелкие остроугольные обломки с раковистым изломом. Реже встречаются мягкие разновидности опок, по внешнему виду напоминающие диатомиты или трепелы. Считается, что опоки представляют собой измененные диатомиты и трепелы или являются химическими морскими осадками.

Яшмы – породы преимущественно химического происхождения. Это плотные, крепкие породы с характерным раковистым изломом, состоящие из халцедона или скрытокристаллического кварца с примесью тонкорассеянных гидроксидов железа и марганца. Окраска яшм из-за примесей разнообразная – красная, коричневая, желтая, зеленая. Структура скрытокристаллическая. Текстура массивная, пятнистая, полосчатая. Залегают пластами или в виде линз и гнезд. Образуются в результате осаждения кремнезема в морских водоемах и обычно в ассоциации с вулканическими породами.

94

2.3. Описание наиболее распространенных горных пород

Кремни – породы химического происхождения, состоящие из опала, халцедона, кварца, часто с примесью железа. Это плотные высокотвердые породы разнообразного цвета, чаще светло-серого, корич- невато-розового или бурого. Излом раковистый, с острыми краями. Структура скрытокристаллическая, текстура массивная однородная. Наиболее часто встречаются в виде желваков или конкреций среди различных горных пород – известняков, песчаников, глин.

К кремнистым осадочным породам относят гейзериты и кремнистые туфы, образовавшиеся из вод гейзеров или горячих минеральных источников. Породы химического происхождения, состоящие из опала. Имеют белую или светлую окраску, обладают пористой текстурой и скрытокристаллической структурой.

Кремнистые породы находят разнообразное практическое применение. Благодаря большой пористости диатомиты, трепелы и опоки обладают адсорбирующими свойствами и используются как фильтрующий материал для очистки нефтепродуктов, растительных масел и т. п., а также как в качестве изоляционного материала. Яшмы исполь-

зуются как поделочные камни и в строительстве.

Фосфатные породы, содержащие в своем составе значительное количество фосфатов кальция с примесью песка и глины, называют

фосфоритами.

По форме залегания различают конкреционные (желваковые) и пластовые фосфориты. Первые представляют собой скопления фос-

фатных конкреций, или желваков, в песчано-глинистых или карбонатных породах. Пластовые фосфориты залегают в виде пластов мощностью от нескольких сантиметров до 10–15 м (Миловский, 1985). Фосфориты обычно окрашены в буровато-серые до черного или зеленоватые цвета, но встречаются и разновидности белого и желтоватого цвета. Пластовые фосфориты по внешнему виду могут быть похожи на известняки, песчаники, опоки. Фосфориты имеют характерный чесночный запах, появляющийся при ударе или трении породы. Образование фосфоритов связано с разложением и химической переработкой остатков планктонных организмов. Используются в основном для производства минеральных удобрений – фосфатной муки и суперфосфата.

95

Глава 2. ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Железистые породы осадочного происхождения характеризуются значительным содержанием железистых минералов. Среди них выделяются породы, образованные оксидами и гидроксидами железа, называемые бурыми железняками, и породы, образованные карбонатами

железа, называемые сидеритами.

Бурые железняки пользуются наиболее широким распространением. Наряду с соединениями железа в них обычно присутствуют примеси глинистого и частично песчанистого материала. Цвет их темно-бурый или буровато-желтый. Имеют рыхлое, землистое или плотное строение и сравнительно большую плотность. Для плотных разностей характерна оолитовая, конкреционная, иногда натечная структура. Наибольший практический интерес представляют оолитовые бурые железняки (бобовые руды), состоящие из мелких скоплений оолитов размером от

0,2 до 15–20 мм, образованных главным образом лимонитом. Сидеритовые породы сложены минералом сидеритом, который

встречается в виде конкреций в глинистых породах или образует микрозернистые пласты и линзы небольшой мощности. Всегда окрашены в коричневые и бурые цвета.

Железистые породы образуются в результате химического выветривания магматических, преимущественно ультраосновных пород, богатых железистыми минералами. Железо может накапливаться на месте разрушения материнских пород или переноситься текучими водами в растворенном виде и осаждаться как в пресных водоемах (озерах, болотах), так и в морских бассейнах. Осаждение железистых минералов происходит из коллоидных растворов в связи со сменой физико-химических условий.

Осадочные железистые породы имеют важное практическое зна-

чение как основное рудное сырье для черной металлургии. Глиноземистые породы характеризуются высоким содержанием в

их составе глинозема и представлены латеритами и бокситами. Бокситы являются наиболее распространенными породами этой

группы. Они состоят в основном из минералов алюминия – гидраргиллита (гиббсита), бёмита и диаспора с примесью гидроксидов железа и глинистого вещества. Макроскопически бокситы разнообразны. Они могут быть мягкими, рыхлыми и глиноподобными или плотны-

96

2.3. Описание наиболее распространенных горных пород

ми с раковистым изломом, напоминающими аргиллиты. Цвет обычно красный, буровато-коричневый (от примесей гидроксидов железа), реже серый, белый, желтый и почти черный. Структуры пелитовые, оолитовые, кристаллически-зернистые и обломочные. Текстура однородная со слабо развитой слоистостью. Бокситы залегают в виде пластов и линз среди осадочных пород.

Образуются при выветривании алюмосиликатных магматических пород в условиях жаркого влажного климата (остаточные бокситы) или путем переноса продуктов выветривания и осаждения из водных растворов в прибрежных зонах морей и озер (осадочные бокситы).

Бокситы являются основной рудой на алюминий.

Галоидные и сульфатные породы образуются чисто химическим путем осаждения из насыщенных водных растворов в замкнутых водных бассейнах, расположенных в зонах жаркого и сухого климата. Наиболее распространенными породами этой группы являются ка-

менная соль, гипс, ангидрит и сильвинит.

Каменная соль – галоидная порода, сложенная галитом. Окраска зависит от примесей и изменяется от светлой, характерной для чистой каменной соли, до черной. Структура кристаллически-зернистая. Текстура массивная, иногда слоистая. Вкус соленый. Легко растворяется в воде. Каменная соль залегает в виде пластов и линз и обычно пере-

слаивается со слоями гипса и ангидрита.

Гипс и ангидрит – сульфатные породы, сложенные одноименными минералами. Подобно каменной соли, встречаются в виде зернистокристаллических масс. Обычно это светлые породы – белые, светлосерые, голубовато-серые. По внешнему виду породы похожи, но гипс отличается от ангидрита меньшей твердостью. В поверхностных условиях в результате гидратации и дегидратации легко переходят друг в друга. При гидратации ангидрита порода сильно разбухает и приобретает гофрированную текстуру. Гипс и ангидрит образуют пласты или

жилы в трещинах и пустотах горных пород.

Каустобиолиты (горючие ископаемые). К каустобиолитам (от греч. καύστικος – горючий + βίος – жизнь + λίθος – камень) относят породы биогенного происхождения, возникшие путем преобразования остатков растительных и животных организмов под влиянием различ-

97

Глава 2. ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

ных геологических факторов. Эти породы обладают горючими свойствами, имеют важное практическое значение и называются горючими полезными ископаемыми. В природе встречаются в твердом, жидком и

газообразном состоянии. К твердым горючим полезным ископаемым относятся торф, угли и горючие сланцы, к жидким и газообразным – нефть, конденсат и горючие газы. Последние в настоящем пособии не рассматриваются.

Торф образуется на первой стадии накопления и разложения растительных остатков. На последующих стадиях погребенный торф превращается в бурый уголь и далее – в каменный уголь и антрацит.

Торф представляет собой рыхлую, слабо уплотненную пористую породу желто-бурого, бурого или черного цвета, содержащую не до конца разложившийся растительный материал. Образуется в условиях болот в присутствии воды, при дефиците кислорода и участии анаэ-

робных бактерий. В сухом состоянии легок, воспламеняется от огня. Ископаемые угли образуются в результате разложения без доступа

кислорода растительных остатков в болотах, мелких озерах и лагунах. В зависимости от исходного биогенного материала угли подразделяются на гумусовые, образующиеся за счет остатков высших растений, и сапропелевые, в составе которых преобладают остатки низших водорослей и планктонных организмов. В углях степень разложения органических веществ значительно выше по сравнению с торфом. Кроме органического вещества, во всех углях присутствуют минеральные примеси, количество которых определяет их зольность.

Бурые угли – промежуточное образование между торфом и каменным углем. Это плотная, реже рыхлая, легкая порода, преимущественно коричневого или буро-черного цвета, обычно с матовым блеском, с землистым или нечетко выраженным раковистым изломом. Черта

темно-бурая. Бурые угли отличаются высокой зольностью.

Каменные угли – плотная и хрупкая порода черного цвета, с жирным (смолистым) или матовым блеском, с землистым или раковистым

изломом и черной чертой (пачкает руки).

Антрациты – плотная, твердая порода серовато-черного цвета с сильным полуметаллическим блеском. Излом неровный, раковистый. Дает черную черту, рук не пачкает.

98

2.3. Описание наиболее распространенных горных пород

Горючие сланцы – темно-серые, коричневые или бурые породы сланцеватого строения. Образуются на дне водоемов при накоплении органического вещества, преимущественно планктонных организмов, одновременно с отложением тонких (сапропелевых) илов. Породы характеризуются тонкой слоистостью, при горении выделяют характерный битумный запах.

2.3.3. Метаморфические горные породы

Метаморфические горные породы образуются в результате метаморфизма, под которым понимают совокупность процессов изменения магматических и осадочных пород в твердом состоянии под воздействием эндогенных факторов.

Главными факторами метаморфизма являются температура, давление и химически активные вещества (растворы и газы).

Обычно метаморфические преобразования горных пород начинаются при повышении температуры до 200–300 oC. Верхний интервал температур (700–1100 oC) ограничен точкой плавления пород, соответствующей условиям магмообразования (Белоусова, Михина. 2016). Повышение температуры определяется глубиной погружения пород и величиной геотермического градиента, действием тепла внедрившихся магматических расплавов, нагретых глубинных растворов, тектонических процессов и рядом других факторов. Температура оказывает существенное влияние на процессы минералообразования, резко увеличивает скорости химических реакций, способствует перекристаллизации горных пород.

Давление подразделяется на всестороннее, или литостатическое, и ориентированное (боковое), или стрессовое. Литостатическое давле-

ние определяется действием веса вышележащих пород и увеличивается с глубиной. Увеличение давления повышает температуру плавления

минералов и способствует образованию их более плотной внутренней структуры. Стрессовое давление связано с тектоническими движени-

ями земной коры, вызывающими разрывные нарушения и деформации горных пород, что облегчает циркуляцию растворов, увеличивает растворимость минералов и способствует процессу их перекристаллизации. Ориентированное давление при действующем температурном

99

Глава 2. ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

факторе приводит к возникновению ориентировки у вновь образованных минералов в одном направлении, перпендикулярном к стрессу, и выражается в формировании типичной для метаморфических пород

сланцеватой текстуры.

Химически активные вещества являются одним из важнейших факторов метаморфизма. К этим веществам относятся водные и угле- кисло-водные растворы и газы, содержащие F, S, B, K, Na, Ca и другие элементы, которые находятся в поровом и межзерновом пространстве многих горных пород. Такие растворы являются основными источниками переноса тепла и химических элементов и активно участвуют в химических реакциях преобразования минералов и горных пород. Экспериментальными исследованиями установлено, что в породах, лишенных воды, в так называемых сухих породах, вероятность метаморфизма крайне низка даже при наличии высоких температур и давлений (Короновский, 2007).

В целом под действием вышеназванных факторов происходит частичная или полная перекристаллизация магматических или осадочных горных пород, изменяется их структура и текстура, а в ряде

случаев – и минеральный состав.

Минеральный состав метаморфических пород. Разнообразен и зависит от состава исходных пород и действующих факторов метаморфизма. Так, обычными для них являются многие минералы магматических пород: кварц, полевые шпаты, слюды, пироксены, амфиболы, оливин и др., а также минералы осадочных пород – кальцит, доломит. Наряду с ними присутствуют минералы, типичные для метаморфических пород: тальк, хлориты, актинолит, серпентин, эпидот, гранаты и

многие другие.

Структура метаморфических пород. Для большинства метаморфических пород характерна кристаллическая структура, которая

различается размерами и формой минеральных зерен. Наиболее распространены пластинчатые (чешуйчатые) и удлиненные (игольчатые) формы зерен, что связано с приспособлением их к условиям кристаллизации при сильном ориентированном давлении. По величине зерен структуры различаются от микрокристаллических (не различимых невооруженным глазом) до крупно- и гигантокристаллических (от

100