Минералогия_2 / Бетехтин / betehtin_1

лубить исследования в этом направлении. Минералоги выяснили, что при процессах минералообразования в зависимости от физико химических условий и взаимодействия растворов с окружающей средой на каждой стадии развития этих процессов возникают определенные парагенетиче ские ассоциации как совместно образовавшиеся группы минералов в дан ном минеральном теле. Характерно, что каждая такая группа отражает свои условия образования минералов. Для ясности остановимся на сле дующем простом примере.

Нередко в одном и том же штуфе руды среди совместно наблюдаемых минералов устанавливаются две или несколько различных по времени об' разования и происхождению групп минералов. Например, лимонит (гид роокислы железа) и малахит (карбонат меди) часто наблюдаются совмест но с полуразрушенными сульфидами меди и железа (например, пиритом (FeS2) и халькопиритом (CuFeS2)). Однако геологические данные всегда показывают, что сульфиды образовались раньше в одних условиях, а бо лее поздние гидроокислы железа и карбонат меди — в совершенно дру гой обстановке (в условиях выветривания) и пространственно связаны с первыми лишь по источнику входящих в них химических элементов (же леза и меди). Следовательно, в данной минеральной ассоциации мы име ем две различные по условиям образования группы минералов.

При таком подходе к изучению ассоциации минералов выявляются чрезвычайно важные как в научном, так и в практическом отношении

закономерности смены парагенетических ассоциаций минералов во време' ни, свидетельствующие об изменении физико химических условий в ис торическом ходе минералообразования. Советскими учеными был раз работан геометрический метод анализа наблюдающихся в природе различных сочетаний минералов, позволяющий вскрывать многие дета ли и факты, которые при обычных методах наблюдения ускользают от исследователя.

Знание типических парагенетических ассоциаций имеет большое зна чение в минералогии. Оно не только помогает определять совместно встре чающиеся минералы, но также оказывает большую услугу при поисках полезных ископаемых. Например, если в основных, обогащенных магне зией изверженных породах мы встречаем такие более или менее легко устанавливаемые по внешним признакам минералы, как пирротин (FeS) и халькопирит (CuFeS2), то мы обязательно должны искать третий, труд нодиагностируемый, но очень важный в промышленности никелевый минерал — пентландит, который в этих породах встречается как совмест но с ними образовавшийся минерал.

Нужно указать, что в природе наблюдаются самые разнообразные па рагенетические ассоциации минералов. Это обусловлено не только перво начальным составом кристаллизующихся растворов или реагирующих с ними окружающих горных пород, но также температурой, давлением или

глубиной в земной коре, на которой происходит образование или преобра зование минералов, и другими факторами. При этом одни минералы могут возникать только при определенных значениях внешних факторов, дру гие, наоборот, образовываются при различных процессах минералообразо вания. Так, гипс (Ca[SO4] . 2H2O) в одних случаях нередко встречается в ассоциации с хлористыми и сернокислыми солями в пластовых соляных залежах, образовавшихся в результате усыхания соляных рассолов в озер ных бассейнах и лагунах. В других случаях он наблюдается как продукт химического выветривания горных пород (в областях с малым количеством осадков) в ассоциации с гидроокислами железа и глинистыми продуктами разрушения, причем, как показывают горные выработки, он довольно быст ро исчезает с глубиной. Описаны случаи нахождения гипса в виде крис таллов в трещинах, среди разложенных и обесцвеченных лав и извержен ных горных пород, около сольфатар (парообразных сернистых выделений в районах вулканической деятельности), где гипс мог образоваться за счет известковистых минералов вмещающих пород под действием горячих вод, содержащих серную кислоту, и т. д.

Разнообразие парагенетических ассоциаций минералов часто ослож няется тем, что во многих случаях на данную группу совместно образовав шихся минералов, связанных с одним процессом, накладываются минераль ные ассоциации, обязанные своим происхождением другому процессу, причем новообразования нередко частично развиваются за счет ранее об разовавшихся минералов. Поэтому и важно в подобных случаях раздельно учитывать различные по происхождению группы совместно образовавшихся минералов, так как для каждого процесса минералообразования, естествен но, существуют свои закономерности сочетаний минералов. Сам факт на ложения нового процесса минералообразования свидетельствует об изме нившихся физико химических условиях равновесия минеральных фаз. Это нередко приводит к тому, что по крайней мере часть ранее образовавшихся минералов оказывается неустойчивой в новых условиях и подвергается соответствующим изменениям или замещению новыми минералами.

Что касается характерных ассоциаций химических элементов в отдель ных минералах, то этот вопрос для кристаллических тел решается цели ком на основе законов кристаллохимии. Сочетание разнородных элемен тов в кристаллических структурах, как известно, обусловливается химическими особенностями, связанными со строением атомов или ионов, их размерами и свойствами. Замена одних атомов и групп атомов другими также зависит от их размеров, а в ионных соединениях, кроме того, соблюдается условие, чтобы суммарные положительная и отрица тельная валентности были уравновешены.

Типоморфные признаки минералов. Давно уже обращалось внима ние на то, что некоторые минералы обладают типичными формами крис таллов, свойственными какому либо данному типу месторождений или

данной горной породе. Например, кальцит (Са[СО3]), встречающийся в виде кристаллов обычно в пустотах, в одних месторождениях наблюда ется в характерных скаленоэдрических формах, в других — в виде круп ных тупых или острых ромбоэдров, в третьих — в пластинчатых кристал лах, в четвертых — в виде мелких шестоватых кристалликов и т. д. Делались попытки увязать эти различные формы кристаллов с темпера турой их образования. Однако в конце концов выяснилось, что вообще на морфологию и размеры кристаллов влияет не только температура, но и концентрация компонентов в растворах, наличие тех или иных раство ренных примесей в них и степень пересыщения растворов.

В настоящее время к типоморфным признакам минералов относят не только форму кристаллов, но и какие либо типические признаки мине ралов вообще, например, цвет, примеси в составе минералов тех или иных химических элементов (типохимизм), типы двойников и т. д. Несомнен но, что эти характерные для того или иного месторождения признаки свя заны с особенностями состава растворов, из которых кристаллизовались минералы, температурой, давлением и другими условиями минералооб разования. Приведем несколько примеров.

Было подмечено, что касситерит (SnO2) из высокотемпературных, так называемых пегматитовых образований (в отличие от гидротермальных месторождений) в виде примесей часто содержит такие металлы, как нио бий, тантал, железо и др. Поэтому в случае нахождения его при поисках в виде окатанных зерен в рыхлых отложениях логов или речных долин по особенностям его состава мы можем примерно судить о том, какого типа месторождения явились его источником.

Установлено также, что крупные кристаллы кварца из так называемых жил «альпийского типа», в отличие от других месторождений, характе ризуются некоторыми особенностями кристаллических форм, определен ным парагенезисом минералов и присутствием относительно крупных монокристальных блоков внутри кристаллов, сдвойникованных обычно по дофинейскому закону.

Для самородного золота характерно, что оно наиболее богато сереб ром (в виде изоморфной примеси) в тех месторождениях, которые обра зовались в близповерхностных условиях в земной коре, т. е. в условиях относительно низких давлений и температур. Серебристое золото (элек трум) отличается от обычного самородного золота и по физическим свой ствам: обладает несколько меньшим удельным весом и более светлым желтым цветом. В парагенезисе с ним часто встречаются сернистые со единения серебра: аргентит (Ag2S), прустит (Ag3AsS3) и др.

Для подавляющего большинства рудных месторождений, характери зующихся сложными условиями происхождения, наблюдается большое разнообразие этих признаков, что требует весьма детальных исследований для установления истинных закономерностей, на основании которых

можно было бы сделать достоверные выводы. Детальное минералогическое картирование, проведенное к настоящему времени на большом ряде рудных месторождений различного генезиса, позволило выделить целые комплек сы типоморфных признаков минералов, на основании которых удается пред сказывать масштабы месторождений, глубину эрозионного среза и перспек тивы обнаружения богатого оруденения на глубоких горизонтах.

4.2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ

Для выяснения условий генезиса (происхождения) какого либо дан ного комплекса минералов важно не только установить способ их обра зования, но также увязать его с теми геологическими процессами, кото рые совершаются в земной коре и приводят к образованию самых различных по составу горных пород и руд месторождений полезных ис копаемых. Эти вопросы детально освещаются в специальных курсах пет рографии и учения о месторождениях полезных ископаемых. Здесь мы приведем лишь самые общие положения по этим вопросам, поскольку в дальнейшем это будет необходимо при описании отдельных минералов.

Все минеральные массы, возникшие в результате тех или иных геоло гических процессов, по источнику энергии, за счет которой они происхо дили, делятся на следующие две главные генетические группы:

1)эндогенные (изнутри рожденные), образующиеся при процессах, протекающих за счет внутренней тепловой энергии земного шара; мине ралы, возникающие в результате этих процессов, являются продуктами магматической деятельности (в широком смысле слова), горные породы

иместорождения полезных ископаемых образуются в результате крис таллизации самой магмы и различных отщеплений от нее; процессы ми нералообразования протекают на различных глубинах и при различных, но обычно высоких температурах;

2)экзогенные (извне рожденные), возникающие при процессах, совер шающихся за счет внешней солнечной энергии, получаемой поверхнос тью земного шара, источником вещества являются обнажившиеся и раз рушающиеся на поверхности Земли разнообразные породы и руды различного происхождения; процессы минералообразования развивают ся в самой поверхностной части земной коры при низких температурах и давлениях, близких к атмосферному, в условиях взаимодействия физи ческих и химических агентов атмосферы, гидросферы и биосферы.

Как эндогенные, так и экзогенные минеральные массы после своего образования при изменившихся внешних условиях существования пре терпевают те или иные превращения (метаморфизм). Особенно сильные превращения в составе и строении минеральных масс происходят при так называемом региональном метаморфизме, когда массы горных пород и связанные с ним месторождения вследствие тектонических нарушений попадают из областей их первоначального образования в более низкие

зоны земной коры. Эти процессы глубинного метаморфизма совершают ся в условиях относительно высоких температур и давлений и пользуют ся весьма широким распространением в земной коре.

Эндогенные процессы минералообразования

Наши знания об эндогенных процессах минералообразования основы ваются на представлениях о деятельности магматических очагов, распола гающихся в нижних частях земной коры. Сами процессы, совершающиеся на значительных глубинах, недоступны нашему наблюдению. Лишь в рай онах действующих на земной поверхности вулканов мы можем получить некоторые данные, позволяющие иметь суждение о глубинных процессах. С другой стороны, данные изучения состава, структурных особенностей, условий залегания и взаимоотношений различных изверженных пород и пространственно связанных с ними месторождений полезных ископаемых также дают возможность получить некоторые представления (в соответ ствии с физико химическими законами) о закономерностях, свойственных эндогенным процессам минералообразования.

Согласно этим представлениям, магмы являются сложными по соста ву силикатными огненно жидкими расплавами, в которых принимают участие и летучие составные части.

Втех случаях, когда значительные массы магмы в силу тех или иных при чин, не достигая самой поверхности, проникают в верхние части земной коры, они под большим внешним давлением подвергаются медленному остыва нию и дифференциации, продукты которой в результате кристаллизации дают начало различным изверженным силикатным породам. При этом тя желые металлы (такие как Sn, W, Mo, Au, Ag, Pb, Zn, Сu и др.), присутству ющие в магмах в ничтожных количествах, образуют с летучими компонен

тами (Н2О, S, F, Cl, В и др.) легко растворимые соединения и по мере кристаллизации магмы концентрируются в верхних частях магматических очагов. В одних случаях с их помощью образуются остаточные силикатные растворы, при кристаллизации которых возникают так называемые пегма титы, содержащие минералы с F, В, Be, Li, Zr, а иногда с редкоземельными элементами и др. В других случаях они в виде газообразных продуктов уда ляются из магматических очагов, оказывая сильные контактные воздействия на вмещающие породы, с которыми вступают в химические реакции. Нако нец, в виде водных растворов — гидротерм — они уносятся вдоль трещин в кровлю над магматическими массивами, образуя нередко богатые месторож дения главным образом металлических полезных ископаемых.

Лишь немногие тяжелые металлы остаются в магме и в процессе ее дифференциации концентрируются в некоторых горных породах внутри магматических массивов.

Втех случаях, когда магма достигает земной поверхности и изливает ся в виде лав, летучие компоненты, освобождающиеся при этом, уходят

ватмосферу.

В соответствии с указанной последовательностью развития магмати ческого цикла явлений различают следующие этапы эндогенных процес сов минералообразования: 1) магматический (в собственном смысле сло ва); 2) пегматитовый; 3) пневматолито гидротермальный.

1. Магматические процессы совершались во все геологические эпохи

иприводили к образованию огромных масс изверженных горных пород. По условиям образования различают прежде всего две главные груп

пы этих пород: а) эффузивные (экструзивные), т. е. излившиеся на зем ную поверхность в виде лав или быстро застывшие в непосредственной близости ее в условиях низкого внешнего давления; б) интрузивные, мед ленно застывшие на глубине под высоким давлением в виде больших грибообразных, пластообразных и неправильной формы массивов. Эф фузивные породы при быстром остывании не успевают полностью рас кристаллизоваться и потому в своем составе содержат в том или ином ко личестве вулканическое стекло и часто обильные округлые пустоты (в пузыристых лавах), свидетельствующие о выделении газообразных про дуктов вследствие резкого уменьшения внешнего давления. Интрузивные породы, наоборот, представляют собой полнокристаллические породы.

Явления дифференциации в магмах, как было указано, приводят к образованию различных по химическому и минеральному составу и удельному весу горных пород. В зависимости от содержания кремнезема и других компонентов среди изверженных пород различают:

а) ультраосновные, богатые MgO и FeO, но наиболее бедные SiO2 (< 45 %): дуниты, пироксениты — в интрузивных и пикриты — в эффу зивных комплексах;

б) основные, более богатые SiO2 (45–55 %) и богатые Аl2О3 и CaO, но более бедные MgO, FeO; габбро, нориты — в интрузивных и базальты и диабазы — в эффузивных комплексах;

в) среднекислые по содержанию SiO2 (55–65 %), более бедные CaO, но обогащенные щелочами: диориты, кварцевые диориты — в интрузивных, порфириты, андезиты и др. — в эффузивных комплексах;

г) кислые, богатые SiO2 (> 65 %), но еще более богатые щелочами и более бедные, по сравнению с предыдущими, CaO, FeO, MgO: граноди ориты, граниты и другие породы — в интрузивных; липариты, кварцевые порфиры и прочие породы — в эффузивных комплексах.

На рисунке 52 представлены данные содержаний элементов в виде раз личных окислов для главнейших представителей интрузивных пород. На этой диаграмме легко видеть, как меняется состав ультраосновных, ос новных среднекислых и кислых изверженных горных пород.

Несколько особняком от них стоит семейство бескварцевых нефелино вых сиенитов (SiO2 около 55 %), более богатых щелочами и Аl2О3, чем гра ниты, а также фонолитов, лейцитофиров и других эффузивных комплексов.

В ряде интрузивных массивов, где дифференциация магмы прояви лась более совершенно, кислые разности пород располагаются в верхних

новых сиенитах) встречают ся месторождения редких земель — ниобия, тантала, титана, циркония,

и неметаллических полезных ископаемых — фосфора (апатита), глино земного сырья (нефелина) и др.

2. Процессы образования пегматитов протекают в верхних краевых частях магматических массивов и притом в тех случаях, когда эти масси вы формируются на больших глубинах (несколько километров от повер хности Земли) в условиях высокого внешнего давления, способствующего удержанию в магме в растворенном состоянии летучих компонентов, ре агирующих с ранее выкристаллизовавшейся породой.

Пегматиты как геологические тела1 наблюдаются в виде жил или не правильной формы залежей, иногда штоков, характеризующихся необы чайной крупнозернистостью минеральных агрегатов. Мощность жилооб разных тел достигает нередко нескольких метров, а по простиранию они обычно прослеживаются на десятки, реже сотни метров. Большей частью пегматитовые тела располагаются среди материнских изверженных по род, но иногда встречаются в виде жилообразных тел и во вмещающих данный интрузив породах.

Необходимо указать, что пегматитовые образования наблюдаются среди интрузивных пород самого различного состава, начиная от ультра основных и кончая кислыми. Однако наибольшим распространением

1 С этим понятием о пегматите нельзя смешивать чисто структурный термин «пегма тит», обозначающий смесь кварца и полевого шпата, закономерно проросших друг дру га и притом в определенных количественных соотношениях («письменный гранит», «ев рейский камень»). Подобные образования распространены главным образом в гранитных пегматитах.

пользуются пегматиты в кислых и щелочных породах. Пегматиты основ ных пород не имеют практического значения.

По своему составу пегматиты немногим отличаются от материнских пород: главная масса их состоит из тех же породообразующих минералов. Лишь второстепенные (по количеству) минералы, да и то не во всех типах пегматитов, существенно отличаются по составу, так как содержат ценные редкие химические элементы, часто в ассоциации с минералами, содержа щими летучие компоненты. Так, например, в гранитных пегматитах в до полнение к главнейшим породообразующим минералам (полевые шпаты, кварц, слюды) наблюдаются фтор и борсодержащие соединения (топаз, турмалины), минералы бериллия (берилл), лития (литиевые слюды), иног да редких земель, ниобия, тантала, олова, вольфрама и др.

Во многих пегматитовых телах наблюдается зональное строение и до вольно закономерное распределение минералов. Например, в пегматитах Мурзинского района на Урале (рис. 53) внешние зоны у контакта с вме щающими гранитами сложены светлой тонкозернистой породой (апли том). Ближе к центральной части жилы они сменяются зонами «письменного грани та» (кварца и полевого шпата, закономерно проросших друг друга). Далее следуют зоны ги гантокристаллических масс полевого шпата и кварца.

В центральных участках пег матитовой жилы встречаются полости («занорыши»), стен ки которых устланы друзами крупных, хорошо образован ных кристаллов горного хру сталя, топаза и других драго ценных камней.

В тех случаях, когда пег матиты проникают во вме щающие интрузив породы, особенно богатые щелочны ми землями (MgO, CaO), их минеральный состав суще ственно отличается от соста ва пегматитов, залегающих в материнских породах. Пара генезис минералов в этих слу чаях указывает на активные

реакции, происходившие в процессе взаимодействия растворов с вме щающими породами. Устанавливаются такие ассоциации минералов, в составе которых участвуют не только элементы магмы (Si, Al, щелочи и др.), но и боковых пород (MgO и CaO), которые на контакте с пегмати тами сами сильно изменяются. Такого рода пегматиты по классифика ции А. Е. Ферсмана относятся к пегматитам «линии скрещения», в от личие от вышерассмотренных пегматитов «чистой линии».

Происхождение пегматитов еще нельзя считать до конца разгаданным. А. Е. Ферсман рассматривал их как продукт кристаллизации остаточных расплавов, обогащенных летучими соединениями. Позже акад. А. Н. За варицкий и его последователи на основании физико химических сообра жений допускали возможность образования крупнокристаллических масс путем перекристаллизации материнских пород под влиянием газов, на капливающихся в магматическом остатке, получающемся в процессе кри сталлизации магмы. Однако в том и другом случаях пегматиты образу ются в конце собственно магматического процесса и занимают как бы промежуточное положение между глубинными магматическими порода ми и рудными гидротермальными месторождениями.

3. Пневматолитоjгидротермальные процессы по существу являются уже явно постмагматическими, т. е. протекают после того, как главный про цесс кристаллизации магмы в глубинном массиве в основном закончился.

Явления собственно пневматолиза (от греч. пневма — газ) могут иметь место в тех случаях, когда расплавы, насыщенные летучими компонентами, кристаллизуются в условиях пониженного внешнего давления. Вследствие этого в известный момент происходит вскипание, остаточная жидкость пере ходит в газ, сосуществующий с ранее выделившимися твердыми минералами, и происходит дистилляция (перегонка) вещества. Процессы этого рода долж ны совершаться в тех случаях, когда магмы застывают на малых глубинах.

На больших и средних глубинах отделяющиеся от расплава летучие компоненты (включая воду) представляют собой флюид (надкритический раствор), находящийся в относительном равновесии с кристаллизующи мися из расплава минералами. Однако такой флюид не равновесен со вмещающими породами и поэтому является по отношению к ним агрес сивной средой. В этом случае флюид устремляется к вмещающим поро дам и, химически реагируя с ними, производит так называемый кон' тактовый метасоматоз. При этом в боковых породах (в кровле), пропитывающихся растворами, протекают химические реакции. Степень преобразования и состав получающихся продуктов в значительной мере зависят не столько от температуры, сколько от химической активности ра створа и состава реагирующих с ними пород. Наблюдениями установлено, что наиболее интенсивные изменения происходят среди контактирующих с магматическими массивами известняков и других известковистых пород. В результате реакций в этих случаях путем замещения, или, как говорят,

Рис. 54. Схема геологического разреза контактово метасоматического месторождения. Черным показаны рудные залежи (магнетитовые руды)

метасоматоза, образуются так называемые скарны (рис. 54), состоящие пре имущественно из силикатов Са, Fe, Аl и др. Химический состав их пока зывает, что источником для их образования послужили как вмещающие породы (известняки, доломиты и др.), так и составные части магмы. Ха рактерно, что вдоль контакта, как это показали наши ученые (А. Н. Зава рицкий и Д. С. Коржинский), одновременно происходит изменение и в интрузивных породах, успевших застыть к моменту проявления описы ваемого процесса. При этом минералы магматических пород замещаются новообразованиями, состав которых показывает, что имеет место привнос элементов из карбонатных толщ (Са, Mg). В связи со скарнами нередко образуются крупные месторождения железа (гора Магнитная на Ю. Ура ле), иногда вольфрама, молибдена и некоторых других металлов.

Воздействие обогащенных фтором и редкими элементами флюидов на сложенные терригенными осадочными породами породы кровли гра нитоидных интрузий приводит к образованию грейзенов, существенно кварцевых пород, обогащенных слюдами, топазом, бериллиевыми мине ралами и флюоритом. Грейзены нередко вмещают руды вольфрама, мо либдена, олова и висмута.

В том случае, когда магмы извергаются на земную поверхность, ог ромные количества летучих соединений (в виде так называемых эксга ляций) выносятся в атмосферу. Однако в трещинах остывших лав, на стен ках кратеров вулканов и в окружающих других породах часто можно наблюдать образование продуктов возгона (сублимации) таких минера лов, как самородная сера, нашатырь, гематит, киноварь, минералы бора и др. Отмечаются и метасоматические реакции, но они выражены слабее, чем в предыдущем случае.

Струи газообразных продуктов вулканизма могут отлагать значитель ные количества минерального вещества и при подводных извержениях. В этих условиях смешение газов с морской водой приводит к пневмато лито гидротермальному образованию конических сульфидных построек