Генезис минералов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Учение о генезисе минералов занимается процессами образования минералов. Минералы представляют из себя определенные химические соединения или изоморфные смеси таких соединений, образовавшиеся естественным путем на Земле. Это почти все твердые соединения. Каждый минерал является памятником физического или химического процесса, шедшего на Земле, иногда в весьма отдаленное от нас время. Изучив минералы какого-нибудь определенного места на земном шаре и определив генезис их, мы можем восстановить картину химических процессов, один за другим шедших в этой местности. От этих частных проявлений химической жизни Земли мы можем подняться до более общего представления о генетических условиях различных частей земного шара, как по отношению к поверхности, так и об изменении этих условий генезиса минералов в слоях различной глубины, наконец, изменение генетических явлений с течением времени.

В этом заключается научный и практический интерес изучения генезиса минералов. Зная условия генезиса минерала, его устойчивость при природных условиях (т. е. генезис других минералов, которые могут из него произойти) -- мы в состоянии бываем решать, при каких условиях и в каких местностях можно ждать тех или иных руд важных металлов. Эти и тому подобные вопросы могут быть решены только при возможно широком развитии и распространении учения о генезисе минералов, которые отчасти и сложились под влиянием практических потребностей. Научный интерес, конечно, не зависит от того, уменьшится ли потребность знать генезис, например, минералов кобальта или увеличится практическое значение происхождения минералов марганца, как мы видим в наше время.

1.История развития и общие представления о генезисе

Впервые интерес к генезису минералов проявился в горных странах. Брейтгаупт в первой половине нашего столетия соединил в единое целое опыт рудокопов и наблюдения ученых (напр. Фурнэ и др.), создав учение о парагенезисе; позже многочисленные исследования позволили сперва Котте, Гримму, позже Филлипсу и Гроддеку изложить все учение о рудных месторождениях в более полном виде. Одновременно шло накопление знаний с другой, более отвлеченной точки зрения. Работы Блюма, Бишофа и др. в Германии, Сен-Клер-Девилля, Добрэ, Эбельмена и пр. во Франции открыли перед нами многочисленные законности среди редких и практически не важных минералов. Интерес несколько ослаб к 60-80 гг. нашего столетия; теперь мы присутствуем при новом возбуждении интереса к тем же вопросам.

Все наши знания получаются здесь путем прямого наблюдения процесса образования минерала, идущего в природе у нас на глазах, и, во-вторых, путем логического вывода о том или другом возможном происхождении данного минерала. Достоверность этих обоих способов познания неодинаковая. Мы должны проверять выводы, полученные вторым путем, прямым наблюдением в природе. Пример такого прямого наблюдения представляют процессы образования некоторых простых солей в природе. В целом ряде мест земного шара, преимущественно в низменностях или в котловинах, не имеющих истока, находятся большие и малые соленые и горькие озера. У нас в Астраханской губернии, на недалеком расстоянии от Волги, лежит более тысячи таких озер, из которых иные, напр. Эльтонское или Баскунчакское, занимают обширную площадь (Эльтонское около 180 кв. верст). В этих озерах количество соли и самый состав ее различен; в одних раствор очень слаб, в других он почти насыщен при обычной температуре. В них заключаются хлористые, сернокислые и др. соли натрия, магния, калия и проч. При незначительном понижении температуры или при значительном испарении воды часть бывших в растворе веществ не может больше в нем удерживаться, и они оседают в виде твердых кристаллических масс или отдельных кристаллов, или плавают по поверхности озера. Во всех этих озерах перед нашими глазами идет генезисе различных минералов, отлагаемых в десятках миллионах пудов. Мы в состоянии применить здесь самые полные, точные способы наблюдения. Этим путем образуются каменная соль (NaCl -- хлористый натрий), тенардит(Na₂SO₄ -- сернокислый натрий), глауберова соль (Na₂SO₄•10Н₂О), трона (Na₃H[CO₃]2H₂O), бура (Na₂B₄O₇•10H2O), гипс (CaSO₄•2Н₂О) и т. п. -- по крайней мере, десятка два-три различных минералов. Состав образуемых продуктов меняется: 1) в зависимости от тех или иных изменений в составе самого раствора и 2) от тех или иных условий самого их отложения. Например: борнокислых соединений нет в наших озерах Астраханской губернии, но их много в некоторых озерах Тибета или Северной Америки, а соответственно и минералы, из них образовавшиеся, являются иными, чем у них. В Неваде из таких озер оседает боронатрокальцит (двойная борнокислая соль натрия и кальция), в других случаях оседает бура, калеманит (известковая соль борной кислоты -- Са₂В₂О₁₁•5Н₂О) и пр. Сильно влияют на состав образуемых минералов внешние условия среды.

Например, в озерах, содержащих одновременно хлористый натрий и сернокислый натрий, идет отложение сернокислой соли в виде минерала тенардита (Na₂SO₄), тогда как в присутствии малого количества хлористого натрия образуется мирабилит (Na₂SO₄•10Н₂О). Еще интереснее опыты Ван-Гоффа и Девентера, подтверждаемые прямым наблюдением в природе. Из одного и того же раствора в природных озерах (напр. в астраханских), заключающего Na₂SO₄, MgSO₄, могут образоваться различные минералы. Иногда идет образование тенардита, или глауберовой соли, и одновременно оседают магнезиальные соединения в видекизерита (Mg SO₄•Н₂О) или горькой соли (MgSO₄•7На₂О). Нередко, однако, происходит образование двойной соли в виде минералаастраханита Na₂Mg(SO₄)₂•4H₂О. Ван-Гоффу и Девентеру удалось доказать, что процесс идет в том или ином направлении в зависимости от температуры окружающего пространства. При температуре выше 21,5° Ц. происходит всегда отложение астраханита; при иной отдельно выделяются глауберова и горькая соль. Подобных случаев можно привести много. Изучая в какой-нибудь местности одни оставшиеся от когда-то бывших там озер твердые осадки -- минералы, -- мы по сравнению с теперь наблюдаемыми можем легко судить о генезисе этих осадков.

Другой значительный класс существенно иных соединений приходится наблюдать нам на месте их генезиса во время каждого вулканического извержения. Здесь процессы идут в расплавленных массах разнообразных силикатов или среди парообразных продуктов, выделяемых под влиянием высокой температуры из недр Земли, попав в нашу более холодную атмосферу, эти пары превращаются в твердое состояние и нередко на многие годы остаются памятником бывшего извержения. После каждого извержения стенки кратеров и местность на значительное от них расстояние покрывается налетами разных солей -- хлористого натрия нашатыря, серы и пр. Нередко мы можем проследить и химические реакции между этими парами; так, почти каждое извержение всех вулканов сопровождается выделением паров летучего около 400° соединения хлорного железа -- Fe₂Cl₆, -- одновременно выделяются огромные количества паров воды. Пары хлорного железа и воды быстро соединяются и дают очень устойчивое, нелетучее при самых высоких доступных нам температурах, соединение, так называемый железный блеск, окись железа -- Fe₂О₃.

Она оседает тут же в виде блестящих пластинчатых кристаллов темно-серого цвета с сильным металлическим блеском. Эти кристаллы проникают во все трещины, покрывают стенки кратера и более холодные части лавы и остаются памятниками извержения и выделения хлорного железа на долгое время. Форма кристаллов железного блеска, происшедшего этим путем, отличает их очень ясно от железного блеска, произошедшего иными путями. В то же самое время в расплавленной лаве идут свои химические процессы во время ее застывания, выделяется целый ряд характерных соединений -- минералов, как оливин (Mg,Fe)₂SiO₄, авгит (см.), полевые шпаты и т. п. Состав выделяемых минералов меняется в зависимости от состава лавы и от изменения внешних условий еще в большей степени, чем то, что мы видели в озерах. При одном и том же составе могут образоваться разные минералы в зависимости от различных внешних условий.

Наконец, третий случай прямого наблюдения генезиса минералов представляет образование их деятельностью организмов. Кораллы отлагают целые острова, состоящие из кальцита -- углекислой извести; с ними вместе ту же роль играют некоторые водоросли, в горячих источниках выделяется сера, как продукт жизни серных бактерий. В озерах умеренного пояса, в местах выхода железных ключей, в болотах идет непрерывно образование железной руды. Растворы двууглекислого железа, образовавшиеся при иных условиях, попадая на земную поверхность, разлагаются деятельностью низших животных и, может быть, особой бактерии. Они дают начало отложениям дерновой, бобовойи др. руд железа, состоящих главным образом из гидрата окиси железа -- 2Fe₂О₃•3H₂O. В почвах деятельностью особого грибка идет постоянно образование селитры, что может быть прослежено на месте. Таким образом, путем прямого научного наблюдения Г. минералов, идущего у нас на глазах, мы можем собрать значительное число фактов для разъяснения этого Г. в тех случаях, когда проследить процесс своими глазами мы не можем. Всегда можно отличить минералы между собой, происходящие от неодинаковых процессов. Сравнение дает нам признаки их одинакового или различного Г. Этим путем мы знаем, что многочисленные железные руды Средней Германии или наших среднерусских губерний произошли тем же путем, как и те, какие теперь образуются в болотах и озерах; что значительная часть минералов Центральной Франции или многих других местностей обязана своим происхождением когда-то бывшим там вулканам, от которых нередко остались едва заметные следы. В очень многих случаях, однако, когда такое сравнение дает неясные указания, мы должны идти другим путем, пользуясь рядом наблюдений над теми или иными явлениями минерального царства. Во-первых, нам важно знать залегание минералов. Иногда минерал лежит толстым слоем, в виде гнезда, или штока (см.), иной раз находится в виде кристаллов, заполняющих пустоты в породе, тонким налетом покрывает трещины или стенки породы или же находится в могучих трещинах горных пород, в так называемых жилах (см.). Все это различные случаи образования минералов: в жилах он не образуется из расплавленного состояния; в трещину породы нередко должен проникнуть в парах; очень ясно можно убедиться в выделении его из раствора, например, в пустотах породы, куда иначе он проникнуть не мог. Еще важнее бывает знать происхождение самой породы.

Например, фосфориты нередко встречаются в осадочных породах, где кости погребенных в этих слоях животных превратились в фосфорит. Здесь ясно их происхождение -- медленным путем выделения из раствора, -- причем материалом им послужили содержащие фосфор вещества исчезнувших организмов. Не менее важны явления парагенезиса. Парагенезисом называется нахождение в природе определенных различных минералов вместе в одном куске или месторождении. Очевидно, это указывает на существование известной зависимости их друг от друга. Так, всюду и везде на поверхностных частях различных никелевых и кобальтовых соединений мышьяка, например купферникеля (NiAs -- одномышьяковистый никель), шпейсового кобальта [Со(As,S)₂] и проч., мы находим зеленые никелевые цветы (NiAsO₄•6H₂O) или розовые кобальтовые цветы(CoAsO₄•6Н₂О). Очевидно, это продукты окисления никелевых и кобальтовых соединений. При изучении парагенезиса мы в состоянии различить минералы, раньше или позже образовавшиеся, так как последние всегда находятся на ранее образованных продуктах. Это различают, говоря о первой, второй, третьей генерации минералов какой-нибудь местности. Каждая генерация указывает на особый химический процесс. Явления парагенезиса определяют, главным образом, такую последовательность минералов или указывают на постоянное совместное нахождение в природе различных минералов, что заставляет исключать из числа возможных реакций те, которые не дадут этого объяснения. Так, самородный висмут встречается в жилах вместе с кобальтовыми и никелевыми сернистыми и мышьяковистыми соединениями, а оловянный камень (SnO₂), находящийся также в жилах, никогда не встречается вместе с никелевыми или кобальтовыми соединениями -- его сопровождают кварц (SiO₂), соединения вольфрама (напр. шеелит CaWO₄), богатые фтором (напр. плавиковый шпатCaF₂, топаз Al₂Si(О,F₂)₅ и пр.] и т. п. Очевидно, условия образования висмута и оловянного камня существенно иные. Парагенезис больше ставит вопросы, -- решать приходится другими приемами.

Не менее важно с точки зрения генезиса минералов изучение так называемых псевдоморфоз (см.). В очень многих случаях химический процесс изменения или отложения какого-нибудь соединения идет чрезвычайно медленно и правильно; одно из соединений, принимающих участие в реакции, может быть в твердом состоянии и иметь определенную форму. Если его изменение идет очень медленно и полученные из него продукты мало отличаются от него объемом, то наружная форма соединений при этом не изменится. Так, мы часто находим окаменелые деревья, их наружная форма и даже внутреннее строение их клеток, насколько оно доступно нам путем исследования микроскопических разрезов, ничем не отличается от настоящего дерева, но вместо органических соединений вещество такого дерева состоит из кремнезема. Такие случаи псевдоморфоз очень часты и дают нам ясное понятие о процессах изменения, идущих в природе. Например, серебряный блеск(Ag₂S) нередко дает псевдоморфозы, состоящие из самородного серебра, полевой шпат -- ортоклаз -- K₂Al₂Si₆O₁₆, переходя в каолинН₂Al₂Si₂О₈, сохраняет свою форму -- получаются псевдоморфозы каолина по полевому шпату. В этих случаях легко понять те химические процессы, которые дали начало серебру или каолину. Среди огромного материала о псевдоморфозах многие случаи могут быть поняты с большими оговорками, но в общем они дают ясную картину химической жизни Земли. Наконец, последнее указание представляет определение состава химического соединения и знание его химических свойств. Например минералы, содержащие воду, легко удаляемую при высокой температуре (напр. цеолиты и т. п.), не могли образоваться при этой высокой температуре, не могли при ней вообще образоваться все соединения, которые при этой температуре легко разлагаются и т. п. В последнее время очень много для познания химических свойств минералов дало их искусственное получение, так называемый синтез минералов (см.). Все происходящие на Земле реакции могут быть сведены в немногие группы. Минералы образуются на Земле следующими способами.

1) Выделением из растворов. Огромное большинство минералов образовалось этим путем. Мы видели пример такого образования в рассмотренном раньше случае солей. В природе действует не чистая вода, а вода, насыщенная углекислотой. Нередко растворы находятся при высокой температуре или же богаты угольной кислотой и находятся под давлением. Этим путем выделяются из растворов многочисленные кремнеземистые соединения. Из горячих источников (гейзеров) оседает свободная кремнекислота (так называемый гейзерити пр.), нерастворимая при обыкновенных условиях, углекислая закись железа выделяется в виде сидерита, представляющего из себя одну из богатейших и важнейших руд на железо. Нередко кристаллизация происходит в глубинах Земли под давлением, иногда идет в присутствии различных солей, позволяющих переводить в раствор при обычных условиях нерастворимые соединения; так, в присутствии в воде сернистых щелочей переходят в раствор и из него выделяются киноварь (HgS), золото и пр. (горячие источники в Калифорнии). В природе вообще могучим деятелем является время: слаборастворимые вещества в течение тысячелетий могут оставить заметные следы своей растворимости (ср. Метаморфизм).

2) Не столь часты, но весьма характерны разнообразные молекулярные перемещения, происходящие в минералах, когда один минерал получается из другого путем молекулярной перегруппировки в твердом состоянии. Так, нередки кристаллы рутила (TiO₂), образовавшиеся из анатаза или брукита -- полиморфных разновидностей той же TiO₂. Под давлением эти реакции идут очень часто.

3) Самым важным случаем генезиса являются, однако, химические реакции. Мы можем различать несколько классов химических реакций, идущих в природе: а) реакции присоединения, когда одно соединение образуется из другого путем присоединения ко второму некоторых элементов; таково образование куприта (Cu₂O) из самородной меди под влиянием воздуха, также англезита (PbSO₄) из свинцового блеска(PbS) и пр. б) Реакции двойных разложений -- наиболее чистая и обычная форма генезиса минералов. Здесь два тела, входя в реакцию, меняют свои составные части. Примером подобного происхождения может служить волластонит (CaSiO₂), образующийся из СаСО₃ -- под влиянием действия кремнеземистых солей и т. п. в) Реакции распадения -- когда соединение распадается на свои составные части и эти части являются нам в виде самостоятельных минералов. В природе это нередкая форма образования для некоторых сложных соединений, которые являются неустойчивыми при изменившихся внешних условиях из среды; так, например, блеклые руды распадаются на составные части и дают начало сурьмяному блеску (Sb₂S₃), аурипигменту (As₂S₃), медному блеску (Cu₂S) и пр. г) Наконец, реакции восстановления и целый ряд процессов диссоциации (см.).

Этими тремя путями объясняется происхождение большинства минералов; редко приходится допускать иные процессы, как электролиз (для некоторых самородных элементов) или малоизученные изменения в твердой среде.

Важно изучить распределение всех этих способов генезиса на земной поверхности, в земных глубинах и их изменяемость во времени. Распространение различных минералов, а следовательно, и генезис в пространстве не имеет большого значения в современном учении о возникновении минералов. Гораздо больше имеет значения изменение условий образования с глубиной. Для всего земного мира внешние условия химических реакций на земной поверхности и на большей или меньшей глубине резко различны. Окружающая всякое соединение очень подвижная атмосфера постоянно действует на всякий минерал; это -- среда по преимуществу окисляющая благодаря присутствию свободного кислорода. Поэтому здесь весьма часты реакции окисления, металлы дают окислы или кислородные соли и т. п. На всей земной поверхности всюду идет этот процесс. Уже иную среду представляет из себя часть земной поверхности более удаленная от земной атмосферы: в ней нет избытка кислорода, а потому возможны и идут различные реакции, имеющие характер восстановительных процессов. Например сернистые соединения на земной поверхности переходят в сернокислые (напр. марказит FeS₂ в железный купорос, свинцовый блеск PbS в англезит и т. п.), на некотором расстоянии от поверхности они образуются свободно. Соответственно всюду на поверхности Земли идет другой процесс: из безводных или средних солей образуются водные соли или кислые соли; так, авгиты и роговые обманки (в наиболее простом случае соли: MgSiO₃, FeSiO₃) превращаются в тальки (Mg₃H₂(SiO₃)₄), оливин (Mg₂SiO₄) в серпентин и т.д.; образуются цеолиты и т. п. Вода поглощается и переводится в твердые соединения.

На этой же поверхн. части земного шара сосредоточено образование различных углекислых соединений, сернокислых, фосфорнокислых, мышьяковокислых и т. п. Как на некоторой глубине Земли, так и на дне моря процессы иные. Чем дальше спускаемся в глубь Земли, тем сильнее меняется характер происходящих реакций. Среда становится все менее и менее богатой кислородом, вследствие чего возможно образование иногда очень сложных сернистых, мышьяковистых и других схожих соединений металлов; температура все увеличивается; входит важный новый элемент -- давление, нередко вполне изменяющее ход всех реакций. Можно различать очень резко различные области в генезисе минералов, образующихся не на земной поверхности; так, на дне моря идет образование различных водных гидратов марганца -- на поверхности окислы марганца чаще являются в виде безводных соединений; образуются цеолиты и т. п.; вода под давлением огромного водяного столба океанов обладает способностью растворять в большем количестве минералы, обычно в ней малорастворимые; так на больших глубинах океанов углекислая известь переходит в раствор и невозможны отложения кальцита. Вторую область будут представлять такие части земли, не очень удаленные от поверхности, где давление и температура играют малую роль, а главным образом изменяет ход действия небогатая кислородом среда. Всюду в поверхностных слоях, в глинах и т. п. происходит образование сернистых соединений, нередко восстановление их до серы и пр.

Наконец, частью в глубоких жилах, частью в более глубоких частях сплошных пород Г. минералов идет в связи с сильным давлением и довольно высокой температурой. Водяные соединения переходят мало-помалу в безводные, сернистые дают сложные соединения -- сульфосоли и т. п. В каждой области ход реакций стремится в конце концов дать определенную группу соединений, которые являлись бы наиболее устойчивыми для данных условий среды. Если эти условия исчезнут, соединения должны переходить в новые формы, устойчивые для новой среды. В жизни Земли постоянно минералы, образовавшиеся под давлением, с течением времени оказываются на поверхности: наложенные на них слои мало-помалу смываются и счищаются; отложившиеся из растворов или газов под высоким давлением минералы оказываются находящимися при обыкновенном давлении по удалении этих газов или жидкостей и т. п. В свою очередь, и соединения, образовавшиеся на поверхности, мало-помалу оказываются через тысячи лет подверженными давлению. Благодаря этому, часто вследствие геологических процессов, ставящих минералы в условия иные, чем бывшие при их образовании, должны идти новые изменения. Так, в указанном раньше примере -- образование озерной или болотной руды 2Fe₂O₃•3Н₂О. Через тысячи лет озера или болота, на дне которых происходило образование минерала, перестают существовать, на них отлагается целый ряд новых слоев -- нередко в течение огромного промежутка времени; давление вышележащих слоев достигает большой силы, и бурый железняк начинает медленно терять воду, переходя в пределе в красный железняк (Fe₂O₃). То же происходит в очень многих случаях. Здесь ясно влияние времени в генезисе минералов. Процесс идет очень медленно и прекращается лишь через тысячи лет. В разные времена мы найдем комбинацию различных минералов. Во многих природных процессах мы имеем круговые или циклические процессы, как еще это заметили в свое время Либих и Дюма. Проходя в течение определенного времени через ряд различных соединений, минерал в конце концов возвращается к своему первоначальному виду с тем, чтобы вскоре опять начать прежний круговой процесс.

Мы имеем здесь как простые, так и сложные случаи. Такой круговой процесс иногда состоит из двух соединений; так, например, серебряный блеск Ag₂S переходит всегда в соприкосновении с атмосферой в самородноесеребро. Доказано, что этот процесс вызывается действием паров воды, которая дает с Ag₂S -- Ag и сероводород H₂S. Однако Н₂S вскоре начинает действовать на Ag и снова дает прежнее соединение -- серебряный блеск. Другой пример могут представить фосфорнокислые соединения. В природе фосфор главным образом находится в виде апатита (3Са₂Р₂О₃•Ca[Cl,Fe]₂), который является относительно устойчивым соединением. На земной поверхности он разлагается под влиянием атмосферных деятелей и переходит в растения. Через растения и животных фосфор при гниении тела животного переходит в ряд очень разнообразных практически важных соединений, так называемых фосфоритов. Все эти фосфориты мало-помалу с течением веков дают нам тот же самый апатит. Тот же самый процесс мы видим всюду -- для соединений меди, железа, азота, кремния и пр. Эти процессы еще мало известны нам; они служат лишь указателем того равновесия, которое устанавливалось в течение веков в огромной химической лаборатории, какой является земной шар. Все эти процессы идут за счет или внешней энергии, получаемой Землей от Солнца, или они идут за счет той энергии, какая еще свойственна Земле, когда влияет давление или теплота внутренности земного шара.

2.Классификация минералообразующих процессов

По условиям образования минералообразующие процессы принято разделять на две большие группы ? эндогенные и экзогенные.

I. Эндогенные (= гипогенные) - это процессы, обусловленные поступлением вещества или энергии из глубин Земли (эндо - внутри, гипо - низко, глубоко). Они включают в себя две большие группы процессов, различающиеся по характеру воздействия на вещество, - магматогенные и метаморфические процессы.

Магматогенные процессы, так или иначе, связаны с кристаллизацией магмы и деятельностью постмагматических растворов; для этих процессов обычно характерны (1) высокие температуры, (2) повышенные давления (для интрузивных образований), (3) сравнительно низкий потенциал кислорода.

Метаморфические процессы протекают при погружении пород любого генезиса на большие глубины или при поднятии глубинных пород к поверхности и связаны с переходом этих пород в новые физико-химические условия. Температуры этих процессов могут меняться от низких до высоких, так же значительно может варьировать и давление, и потенциалы СО₂ и О₂. Название - отметаморфос (превращение, изменение). Особое положение занимают процессы ударного метаморфизма, обусловленные резким повышением РТ-параметров в зонах ударного воздействия падающих на Землю космических тел.

II. Экзогенные (= гипергенные) ? процессы, развивающиеся на поверхности Земли или в непосредственной близости от поверхности под влиянием энергии Солнца, воды, ветра, свободного кислорода и СО₂ атмосферы (экзо - снаружи, гипер - над, сверх); для этих процессов характерны низкие температуры, низкие давления, высокий химический потенциал СО₂ и кислорода.

В каждой такой большой группе процессов объединено несколько типов процессов (и соответственно - генетических типов минералообразования):

Теперь подробнее остановимся на характеристике каждого минералообразующего процесса и тех парагенезисах, которые при этом возникают.

Эндогенные процессы. Магматогенные процессы. Магматическая кристаллизация

Температуры минералообразования наиболее высокие: 1000-1600 ^оС ? при кристаллизации магм, излившихся на поверхность, и 700-1000 ^оС ? при кристаллизации магм на глубине, в плутонических условиях. Некоторые щелочные, базитовые (основные) и гипербазитовые (= ультраосновные или ультрабазитовые) магмы кристаллизуются и при большей температуре. В среднем температуры кристаллизации вулканитов выше, чем плутонитов, так как идет повышение температуры за счет окисления кислородом воздуха.

Роль давления ? удержание в расплаве летучих компонентов магмы: H₂O, CO₂, B, P₂O₅, F, Cl и др.; присутствие этих компонентов значительно снижает температуру кристаллизации магмы.

Химизм. Преобладающие компоненты магматического расплава (их принято выражать в виде оксидов) ? это SiO₂, Al₂O₃, FeO, MgO, CaO, Na₂O, K₂O. Эти компоненты слагают главную массу минералов магматических пород, и их называют породообразующими. В сумме на их долю приходится около 90 % состава минералов, кристаллизующихся преимущественно в виде силикатов и алюмосиликатов.

Кроме преобладающих (породообразующих) компонентов в расплаве находятся так называемые рассеянные компоненты ? MnO, BaO, NiO. Они в основном не дают самостоятельных минералов, а рассеиваются в виде примесей в решетках породообразующих минералов.

Присутствуют также в расплаве и акцессорные компоненты ? ZrO₂, P₂O₅, TiO₂, Cr₂O₃, TR₂O₃, Fe₂O₃. Они содержатся в незначительных количествах, но даже при низком содержании стремятся обособиться в виде самостоятельных минералов. При этом они обычно образуют несиликаты: фосфаты ? апатит, монацит; окислы ? рутил, хромит, магнетит.

Наиболее важным при оценке химизма магматических процессов является содержание в расплаве кремнезема, которое может меняться от 25 до 80 %.

По содержанию кремнезема магматические породы делятся на:

Таблица

Кроме того, особо выделяют щелочные породы, которые отличаются высоким содержанием щелочей ? S (Na₂O + K₂O), а по содержанию SiO₂ могут быть от кислых до ультраосновных, хотя большая часть их соответствует средним (53-64 вес. % SiO₂), что связано с особенностями накопления щелочей в ходе эволюции расплавов.

Последовательную смену парагенезисов, отвечающих породам нормального ряда, можно представить как реакционный ряд Боуэна. Американский петролог Н. Боуэн показал, что кристаллизация расплава начинается с образования наиболее тугоплавких, богатых Mg и Fe силикатов. Позже, по мере снижения температуры, в результате реакций с расплавом, к ним присоединяются Ca-Mgсиликаты и алюмосиликаты Са, Na и К. В итоге образуется прерывистый ряд существенно железо-магнезиальных силикатов, называемых фемическими (от Fe-Mg) или мафическими (от Mg-Fe), и непрерывный параллельный ряд салических (от Si-Al) Ca-Na алюмосиликатов. Соответственно выделяют две ветви реакционного ряда Боуэна. Что из этого ряда следует?

1) По мере кристаллизации расплава более поздние минералы оказываются более кислыми, т. е. богаче кремнеземом. Сравним: плагиоклазы по мере кристаллизации обогащаются альбитовым, более высококремнистым, миналом, а состав пироксена отличается от оливина лишь количеством кремнезема, и образование его можно представить как реакцию ранее выкристаллизованного оливина с кремнеземом расплава: (Mg,Fe)₂[SiO₄] + SiO₂ Ю (Mg,Fe)₂[Si₂O₆] (Отметим только, что в зависимости от условий кристаллизации и состава системы порядок кристаллизации минералов, например, орто- и клинопироксена, может меняться.)

2) Крайние члены ряда разделены промежуточными продуктами реакции и потому не могут равновесно сосуществовать друг с другом. Это означает, например, что кварц не может сосуществовать с оливином в равновесном парагенезисе. Случаи нарушения ряда Боуэна при повышении химического потенциала Fe и щелочей мы здесь не рассматриваем. Таким образом, каждая порода будет иметь свою парагенетическую ассоциацию минералов. Рассмотрим подробнее главные из них.

Ультраосновные породы. Парагенетическая ассоциация минералов - одна из наиболее высокотемпературных. Главные минералы - оливин (Ol), пироксены (Px). Породы, содержащие Px и Ol в сравнимых количествах, называются перидотитами. Существенно оливиновые породы называются в зависимости от акцессорных минералов; если с оливином ассоциирует магнетит, то это ?оливинит, а если оливин с хромитом, то это ? дунит. Для названных пород весьма характерены ортопироксены - энстатит, бронзит или гиперстен. Преимущественно пироксеновые породы -пироксениты - до 1995 года было принято относить также к ультраосновным, однако после принятия Петрографического Кодекса их относят к основным породам.

Разновидностью перидотитов являются лерцолиты, имеющие парагенезис Ol + Opx + Cpx (в зависимости от глубинности образования могут присутствовать Pl и/или Sp и/или гранат - пироп). Характерная особенность - то, что Срх в них богат Cr (хромдиопсид). Образование лерцолитов происходит при кристаллизации ультраосновных расплавов (их находят в расслоенных массивах), они также слагают верхнюю мантию, о чем можно судить по ксенолитам, вынесенным основными или ультраосновными вулканическими породами (базальтами, кимберлитами, и др.).

К ультраосновным породам относят кимберлиты - специфические породы трубок взрыва, - также зарождающиеся в верхней мантии и выносимые на поверхность эксплозивным путем. Они обычно содержат большое количество обломочного материала, в том числе оливин, ильменит, пироп (магнезиальный гранат), диопсид, флогопит, энстатит, хромит, иногда алмаз. В основной массе находится вторая генерация минералов, среди которых обычны оливин, монтичеллит, флогопит, перовскит, шпинель, апатит, а также позднемагматические карбонаты и серпентин.

Основные породы. Главные минералы - оливин, пироксены и основной плагиоклаз, в подчиненном количестве может быть роговая обманка (Hbl). В зависимости от того, какой пироксен преобладает, различают: габбро (Срх + Pl), габбронориты (Cpx + Opx + Pl), нориты (Opx + Pl). Клинопироксен - авгит или диопсид. Незначительное присутствие Hbl обычно отражается в названии -роговообманковое габбро.

К основным породам относятся пироксениты, как уже показано выше, а также горнблендиты - нетипичная ассоциация, когда при повышенном парциальном давлении воды в ходе снижения температуры оливин и пироксены почти нацело замещаются амфиболом, а плагиоклазы не образуются или находятся в резко подчиненном количестве.

Средние породы. По ряду Боуэна видно, что роговая обманка образуется при более низких температурах, и в ее составе впервые появляется вода в виде группы (ОН)^-. Для средних пород характерна ассоциация роговой обманки (и частично - биотита) со средними плагиоклазами - диориты, здесь уже может появляться свободный кремнезем (кварц). Другой очень важной породой является сиенит, для которого характерна ассоциация роговой обманки и/или биотита (а иногда с ними, или вместо них, и пироксена - диопсида или эгирин-авгита) с калиевым полевым шпатом KFsp(Fsp - feldspar или feldspat), т. е. Bt + KFsp или Hbl + KFsp. Возможны и промежуточные ассоциации с большим количеством как плагиоклаза, так и калишпата.

Кислые породы. Это породы, в которых избыточный, непрореагировавший кремнезем выделяется в свободном виде как кварц, причем количество его становится существенным. Типичными минералами кислых пород помимо кварца будут биотит (м. б. и Hbl), KFsp, кислые Pl, все это - парагенетическая ассоциация гранитов. Присутствие второстепенных минералов так же отражается в названиях: с роговой обманкой - роговообманковый гранит, при высоком содержании темноцветов порода становится переходной к диориту - гранодиорит.

Щелочные породы. Парагенетическая ассоциация этих пород не находит своего отражения в ряде Боуэна. По содержанию кремнезема эти породы соответствуют средним, то есть не содержат избыточного кремнезема. Это означает, что кварц для парагенетических ассоциаций щелочных пород противопоказан.

Для щелочных пород в зависимости от соотношения щелочей и глинозема выделяют два типа: если (Na₂O + K₂O) і Al₂O₃, это породы агпаитового ряда, если же сумма щелочей ниже содержания глинозема, то ряд называется миаскитовым. В первом случае количества щелочей хватает, чтобы связать весь глинозем и соответствующее количество кремнезема в нефелине и полевом шпате, и еще остается для образования щелочных темноцветных минералов, и тогда парагенетическая ассоциация будет нефелин + калишпат + эгирин (щелочной клинопироксен) + арфведсонит (щелочной амфибол) + эвдиалит-эвколит + астрофиллит-лампрофиллит + титанит (сфен) + апатит и ряд других минералов. Типичным примером агпаитовых щелочных пород являются нефелиновые сиениты Кольского полуострова (массивы Хибин и Ловозера). В миаскитовых нефелиновых сиенитах (по станции Миасс на Урале) щелочей хватает только на образование нефелина и полевого шпата, и ассоциация характеризуется парагенезисом: нефелин + калишпат + биотит (или роговая обманка, или клинопироксен ? эгирин-диопсид) + циркон + пирохлор + апатит + титанит. Широко развито позднее замещение нефелина содалитом, канкринитом, альбитом, цеолитами.

Особо следует остановиться на случае, когда магматический расплав является одновременно и щелочным, и ультраосновным. Такой расплав насыщен большим количеством летучих (в первую очередь СО₂, Р₂О₅, F, Н₂О). При кристаллизации его, как правило, образуются кольцевые массивы, наружная зона которых сложена ультраосновными породами (оливинитами), промежуточные зоны - щелочными породами, а к центральной части бывают приурочены особые, существенно карбонатные породы ? карбонатиты, которые являются продуктом кристаллизации остаточного расплава. В нем как раз и концентрируются летучие компоненты, а также акцессорные элементы. В парагенетической ассоциации карбонатитов могут сочетаться минералы ультраосновного и щелочного парагенезисов ? оливин, флогопит, магнетит и тут же ? нефелин, апатит, редкоземельные и циркониевые минералы, характерные для щелочных пород, и карбонаты ? кальцит, доломит, анкерит, сидерит.

Роль температуры и давления при магматическом минералообразовании тесно связана со скоростью охлаждения. Так, эффузивы ? неравновесные породы (вкрапленники+вулканическое стекло); они кристаллизуются при высокой температуре и при отсутствии или очень низком содержании летучих компонентов. Вкрапленники, кристаллизуясь до извержения, соответствуют по составу более высокотемпературным ассоциациям. При излиянии лавы на поверхность летучие энергично уходят из расплава, но в отсутствие летучих затруднено образование таких минералов, как биотит и амфиболы. Из-за быстрого охлаждения минералы-вкрапленники не приходят в равновесие с вмещающим расплавом. Фемические компоненты в значительной степени остаются в стекле. Это значит, что при одинаковом составе исходного расплава парагенезис минералов в эффузивных породах будет иным, чем в плутонических.

Роль давления при магматическом минералообразовании сказывается и на составе минералов, и на формировании парагенетических ассоциаций. Например, в базальте вкрапленники плагиоклаза оказываются более основными, чем в аналогичных по составу габбро, а вкрапленники пироксена и оливина ? более магнезиальными, чем в соответствующей плутонической породе. Вкрапленники при этом часто обнаруживают признаки неравновесности с расплавом ? оплавленность, изъеденность, реакционные каймы. Вулканическое стекло тоже неустойчиво ? оно представляет собой подобие переохлажденного расплава и со временем подвергается девитрификации (де ? без, витро ? стекло) ? раскристаллизовывается с образованием тонкозернистой массы между вкрапленниками. Что касается изменения состава, уже отмечалось, что в глубинных ультраосновных породах появляются хромсодержащие силикаты. Давление также способствует образованию минералов с более плотными структурами, например, при повышении давления основной плагиоклаз ? анортит, у которого довольно рыхлая каркасная структура, ? становится неустойчивым, и вместо него образуются более плотные минералы ? гранат и кианит (дистен): 3Ca[Al₂Si₂O₈] (анортит)--® Ca₃Al₂[SiO₄]₃ (гроссуляр) + 2Al₂SiO₅ (кианит) + SiO₂, то есть вместо минеральной ассоциации габбро (анортит + пироксен) будет возникать совсем иная парагенетическая ассоциация гроспидитов (грос ? от гроссуляра, пи ? от пироксена и дит ? от дистена).

Подведем итог: парагенетическая ассоциация при магматическом минералообразовании зависит не только от состава магмы, но и от условий образования, в первую очередь ? от глубины, на которой кристаллизуется магматический расплав, а также количества летучих (Н₂О, СО₂) и кислорода.

Остановимся теперь на явлениях, которые сопровождают магматическое минералообразование.

1. Кристаллизационная дифференциация. Может случиться так, что после кристаллизации более основных минералов оставшаяся более легкоплавкая и более кислая часть расплава уйдет по трещинам в результате тектонических подвижек и обособится от ранних продуктов кристаллизации. При этом на старом месте останутся минералы ультраосновного парагенезиса, а на новом месте они образовываться уже не будут ? и температура расплава уже ниже, и состав его стал более кислым. Возникнет основная или средняя порода. При неоднократном отделении все более поздних и более кислых продуктов от более ранних можно получить весь ряд дифференциатов (или дериватов) от ультраосновных до средних. Подтверждение этому видят в частом расположении на небольшом удалении друг от друга массивов основных и ультраосновных пород, а также в геохимических данных, например, изотопных отношениях некоторых элементов. Изотопный состав некоторых элементов достаточно инертен и остается неизменным даже в расплаве, поэтому близкие изотопные отношения в таких массивах свидетельствуют об их родственном образовании.

2. Гравитационная дифференциация. Выкристаллизовавшиеся первыми тяжелые рудные и фемические минералы (существенно Mg-Fe), имеют большую плотность, чем плотность расплава. Поэтому под действием сил гравитации они могут опускаться на дно магматической камеры. Так образуются донные залежи хромита в массивах ультраосновных пород. Гравитационная дифференциация характерна для ультраосновных, основных и щелочных магм, поскольку эти магмы имеют низкую вязкость из-за меньшего содержания кремнезема. Однако в щелочных магмах возможено другое проявление гравитационной дифференциации. Появление вначале каркасных алюмосиликатов с низкой плотностью (лейцит или полевой шпат) приводит к их всплыванию и накоплению в верхней части магматической камеры. Так объясняется образование уникальных мономинеральных лейцитовых пород - сынныритов.

3. Ликвационная дифференциация. Если исходная магма богата серой, фосфором и некоторыми другими летучими, то в ходе ее кристаллизации уже в начале может произойти ликвация(ликвацио ? разжижение) ? разделение единого расплава на две несмешивающиеся жидкости: силикатный расплав и сульфидный расплав. Эти жидкости будут обладать различной подвижностью и различным удельным весом, и дальнейшая кристаллизация их может вызвать явления гравитационной дифференциации - образующиеся сульфиды, как более тяжелые, могут осесть на дно и образовать донную рудную залежь. А могут образовывать линзовидные скопления (шлиры), или, если сульфидный расплав обособлялся в виде капель в силикатном, эмульсионную вкрапленность сульфидов в силикатной породе. Такой ликвационно-магматический генезис имеют сульфиды Cu, Ni, Fe, образующие большие скопления, связанные с основными породами. К этому типу относят месторождения медно-никелевых руд Норильска, Мончетундры.

4. Ассимиляция и контаминация. При внедрении магмы во вмещающие породы часто происходит поглощение обломков этих пород и их растворение в магматическом расплаве. Такое поглощение, усвоение вмещающих пород называется ассимиляцией. Если ассимилировано большое количество таких обломков и вмещающие породы заметно отличаются от магматического расплава по химическому составу, то происходит изменение состава расплава ? обогащение его компонентами вмещающих пород. Такое загрязнение («усреднение») состава за счет ассимилированного материала называют контаминацией. (Обратите внимание на правильное употребление обоих терминов, например: «контаминация магмы известняками», но «ассимиляция магмой известняков»). Оба эти явления могут заметно сказаться на составе минералов, которые будут кристаллизоваться из такого расплава, и даже на характере парагенетической ассоциации. Например, при внедрении гранитного расплава в известняки и ассимиляции их заметно увеличивается в расплаве содержание Са, и при кристаллизации будет образовываться не кислый плагиоклаз, что характерно для нормальных гранитов, а более основной. В результате ассимиляции гранитной магмой глиноземистых пород (например, слюдистых сланцев) при кристаллизации в граните могут появиться такие высокоглиноземистые минералы, как кордиерит (Mg,Fe)₂[Al₄Si₅O₁₈] или андалузит AlAl[SiO₄]O.

5. Десиликация. Если расплав, богатый кремнеземом, внедряется в породы, бедные кремнеземом (например, известняки или ультраосновные породы), то происходит извлечение SiO₂ из расплава за счет связывания его магнием, кальцием, железом вмещающих пород. Это приводит к обеднению расплава кремнеземом и нарушению изначально нормальной пропорции кремнезема и глинозема,Al₂O₃ оказывается в вынужденном избытке, и потому вместо обычных алюмосиликатов возникают минералы, обогащенные алюминием, количество кварца уменьшается, а иногда он исчезает совсем. Если при этом количество глинозема оказывается особенно велико, он может выделиться в свободном виде, образуя корунд.

6. Автометаморфизм. Слово означает самопревращение, самоизменение. В чем суть явления? В том, что продукты магматической кристаллизации подвергаются воздействию более поздних (остаточных) порций расплава той же магмы или воздействию обособившихся из этой же магмы летучих. Все эти воздействия происходят в пределах единого геологического процесса магматической кристаллизации без привноса вещества извне. Такое воздействие мы уже видели: реакция оливина с расплавом с образованием пироксена, дающего реакционные каемки вокруг ядра, в котором оливин ? законсервированный реликт, не успевший прореагировать и отделенный затем от расплава пироксеном. Яркий пример автометаморфизма - серпентинизация ультраосновных пород за счет ранее растворен-ной в магме, а затем обособившейся воды. Такая серпентинизация распространена очень широко, и часто от ранних оливина и пироксенов остаются только псевдоморфозы. Нередко именно с явлениями автометаморфизма связывают образование по ультраосновным породам промышленных месторождений серпентин-асбеста и талька.

Здесь мы подходим к оценке процессов магматического минералообразования с точки зрения их практической значимости. В ряде случаев эти процессы приводят к образованию повышенных концентраций некоторых промышленно важных минералов и их месторождений.

1) C ультраосновными породами связаны:

а) алмазы (в кимберлитах и перидотитах) ? Якутия, Южная Африка;

б) хромиты (в дунитах) ? Урал, Казахстан, Монголия;

в) платина и платиноиды (в хромитоносных дунитах) ? Урал;

2)с основными породами:

а) ильменит-титаномагнетит ? Урал, Казахстан;

б) Cu-Ni сульфидные ликвационно-магматические месторождения ? Норильск, Мончетундра, Сёдбери (Канада);

в) платина и палладий ? Восточная Сибирь;

3) со щелочными, ультраосновными-щелочными породами и карбонатитами:

а) крупнейшие месторождения апатита (сырья для фосфорных удобрений) ? Хибины (Кольский полуостров);

б) комплексные месторождения ? магнетит, слюда (флогопит), апатит, а также минерализация на TR, Nb, Sr, Ti, U ? карбонатиты Ковдора, Африканды (Кольский п-ов).

Собственно магматические породы нередко являются ценным сырьем и используются как облицовочный и строительный камень, отделочный камень (розовые туфы Армении, лабрадориты Украины).

Вулканические возгоны (эксгаляции)

Образование минералов этого генетического типа связано с деятельностью летучих компонентов, отделившихся от магмы и покинувших место ее кристаллизации. Это случается, когда магматический очаг оказывается связанным системой тектонических трещин с земной поверхностью (чаще всего это возможно при образовании вулканических аппаратов, в областях активного вулканизма). Прежде всего, отметим, какие именно летучие компоненты участвуют в эксгаляционном минералообразовании. Это: H₂O, HCl, NH₄Cl, H₃BO₃, H₂S, CO₂, P₂O₅ и др. Именно эти компоненты обнаружены при изучении газовой составляющей современных вулканических извержений, причем содержание их, особенно Н₂О в виде пара, может быть весьма значительным.

Встречный поток поверхностных вод, вымывающий на своем пути из горных пород некоторые соединения, в областях активного вулканизма прогревается до парообразного состояния и смешивается с летучими компонентами, отделившимися от магмы, реагирует с ними, образуя газообразные и парообразные галогениды и гидраты Fe, As, Sb, Hg.

Поднимаясь по вулканическим трещинам вверх, эти летучие соединения попадают в так называемую область разгрузки ? вблизи жерл вулканов, при выходе трещин на поверхность. Здесь они дают начало новым, уже нелетучим, соединениям, которые оседают на стенках трещин, жерл в виде возгонов или эксгаляций, образуют конусы и трубы над местами выхода газовых струй. Какие при этом идут реакции и какие возникают минералы? Вулканические эксгаляции ? это тот редкий случай, когда минерало-образование удается проследить прямо на месте, например, на Камчатке, на вулканах Курильских островов.