Геологія з основами геоморфології

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ НА НАУКИ УКРАЇНИ

ЛУЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВРЕСИТЕТ

РЕДАКЦІЙНО-ВИДАВНИЧИЙ ВІДДІЛ ЛУЦЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

Геологія з основами геоморфології

курс лекцій

для студентів-екологів денної та заочної форм навчання

Укладачі: Я.О. Мольчак, В.О. Фесюк

ЛУЦЬК

2003



Зміст

Вступ. Геологія та геоморфологія - одні з найважливіших галузей знань про природу землі

1. Речовинний склад земної кори

1.1 Основи мінералогії

1.2 Основи петрографії

2. Динамічна геологія та геоморфологія

2.1 Геологічні процеси та їх роль у рельєфоутворенні. Ендогенні процеси

2.2 Екзогенні процеси рельєфоутворення

3. Історична геологія

3.1 Початок історії Землі. Догеологічний період розвитку

3.2 Геологічний період розвитку. Докембрій (AR-PR)

3.3 Розвиток Землі в палеозойську еру

3.4 Мезозойський етап розвитку Землі

3.5 Формування природи Землі в кайнозойську еру

4. Інженерна геологія

4.1 Інженерна геологія як наука

4.2 Інженерно-геологічна класифікація гірських порід

4.3 Класифікація несприятливих для господарської діяльності геологічних процесів

5. Гідрогеологія

5.1 Основні поняття гідрогеології

5.2 Класифікація підземних вод

5.3 Режим підземних вод і фактори, що на нього впливають

6. Геологія та геоморфологія України

6.1 Тектонічна структура рельєфу України

6.2 Загальна характеристика рельєфу

6.3 Корисні копалини

7. Екологічна геологія

7.1 Екологічна геологія як наука

7.2 Співвідношення між природними й антропогенними процесами на Землі

7.3 Утворення техногенних відкладів

7.4 Еколого-геологічна ситуація в Україні

Список літератури



Вступ. Геологія та геоморфологія - одні з найважливіших галузей знань про природу землі

Предмет геології та геоморфології. Геологія (грецьк. "гео" - земля, "логос" - вчення) - одна з найважливіших наук про Землю. Вона займається вивченням складу, будови, історії розвитку Землі й процесів, що протікають у її надрах і на поверхні. За геофізичними даними у будові Землі виділяється кілька оболонок: земна кора, мантія і ядро Землі. Предметом безпосереднього вивчення геології є земна кора і твердий шар верхньої мантії, що підстилає її - літосфера (грецьк. "літос" - камінь). Складність досліджуваного об'єкта викликала значну диференціацію геологічних наук.

Одним із найважливіших напрямків у геології є вивчення речовинного складу літосфери: гірських порід, мінералів, хімічних елементів. Вивченням речовинного складу літосфери займається комплекс геологічних наук, що поєднуються часто у геохімічний цикл. До них відносяться: петрографія (грецьк. "петрос" - камінь, скеля, "графо" - пишу, описую) - наука, що вивчає магматичні й метаморфічні гірські породи, їхній склад, структуру, умови утворення, ступінь зміни під впливом різних факторів і закономірності розподілу в земній корі. Літологія (грецьк. "літос" - камінь) - наука, що вивчає осадові гірські породи. Мінералогія - наука, що вивчає мінерали - природні хімічні сполуки чи окремі хімічні елементи, що складають гірські породи. Кристалографія й кристалохімія - займаються вивченням кристалів і кристалічного стану мінералів. Геохімія - узагальнююча синтезуюча наука про речовинний склад літосфери, що спирається на досягнення зазначених вище наук і вивчає історію хімічних елементів, закони їхнього розподілу і міграції у надрах Землі і на її поверхні.

Наступним напрямком геологічної науки є динамічна геологія, що вивчає різноманітні геологічні процеси, форми рельєфу земної поверхні, взаємини різних по генезису гірських порід, характер їхнього залягання й деформації. Відомо, що в ході геологічного розвитку відбувалися багаторазові зміни складу, стану речовини, вигляду поверхні Землі й будови земної кори. Ці перетворення зв'язані з різними геологічними процесами і їхньою взаємодією. Серед них виділяються дві групи: ендогенні та екзогенні. Тому, до динамічної геології належить геотектоніка (грецьк. "тектос" - будівельник, структура, будівля) - наука, що вивчає структуру земної кори й літосфери і їхню еволюцію в часі і просторі. Важливими розділами динамічної геології є сейсмологія (грецьк. "сейсмос" - струс) - наука про землетруси й вулканологія, що займається сучасними вулканічними процесами.

З динамічною геологією дуже тісно пов'язана і геоморфологія (грецьк. "гео"- Земля, "морфо" - форма, "логос" - вчення) - наука про рельєф, його різноманітність, походження, історію розвитку.

Історія геологічного розвитку земної кори й Землі в цілому є предметом вивчення історичної геології, до складу якої входить стратиграфія (грецьк. "стратум" - шар), що займається вивченням послідовності формування товщ гірських порід і розчленовуванням їх на різні підрозділи, а також палеогеографія (гречок. "паляйос" - древній), що вивчає фізико-географічні умови на поверхні Землі в геологічному минулому, і палеотектоніка, що реконструює древні структурні елементи земної кори. Розчленовування товщ гірських порід і встановлення відносного геологічного віку шарів неможливі без вивчення викопних органічних залишків, яким займається палеонтологія.

Одна з найважливіших задач геології - прогнозування покладів мінеральної сировини, що складає природне підґрунтя економічної потужності держави. Цим займається наука про родовища корисних копалин, у сферу якої входять як рудні і нерудні копалини, так і паливні (каустобіліти) - нафта, газ, вугілля, горючі сланці. Не менш важливим корисним копалинам у наші дні є вода, особливо підземна, походженням, умовами залягання, складом і закономірностями руху якої займається наука гідрогеологія (грецьк. "гідро" - вода).

Важливе значення має інженерна геологія - наука, що досліджує земну кору як середовище життя і різноманітної діяльності людини. Виникнувши як прикладна галузь геології, що займається вивченням геологічних умов будівництва інженерних споруджень, ця наука в наші дні вирішує важливі проблеми, зв'язані з впливом людини на літосферу і навколишнє середовище. За останній час сформувалась як самостійна наука геокріологія (грецьк. "кріос - холод, лід), що вивчає геологічні процеси в областях розвитку "вічної мерзлоти.

З початку освоєння космічного простору виникла космічна геологія,чи геологія планет. Освоєння океанських і морських глибин привело до появи морської геології, значення якого швидко зростає у зв'язку з тим, що вже зараз майже третина нафти, що добувається у світі, приходиться на дно акваторій морів і океанів.

Але на сьогодні напевно найактуальнішим напрямком геологічної науки є екологічна геологія, що займаєься вивченням наслідків геологічної діяльності людини на природу Землі.

Методи геологічних досліджень. Вивчення речовинної сполуки літосфери, як і інших процесів, здійснюється різними методами. У першу чергу - це прямі геологічні методи - безпосереднє вивчення гірських порід у природних оголеннях на берегах рік, озер, морів, розрізів шахт, рудників, кернів свердловин. Усе це обмежено відносно невеликими глибинами. Найбільш глибока у світі Кольська свердловина досягла усього лише 12,5 км. Але більш глибокі обрії земної кори і прилеглої частини верхньої мантії все одно доступні для безпосереднього вивчення. Цьому сприяють виверження вулканів, трубки вибуху (кімберліти), глибина виникнення яких відповідає 150-200 км.

Крім зазначених прямих методів у вивченні літосфери широко застосовуються й непрямі методи: оптичні методи, фізичні й хімічні дослідження - рентгеноструктурні, спектрографічні й т.д. При цьому широко використовуються математичні методи на основі ЕОМ для оцінки ймовірності хімічних і спектральних аналізів, побудови раціональних класифікацій гірських порід та мінералів і ін. В останні десятиліття застосовуються, у тому числі і за допомогою ЕОМ, експериментальні методи, що дозволяють моделювати геологічні процеси; штучно одержувати різні мінерали, гірські породи; відтворювати величезні тиски й температури і безпосередньо спостерігати за поводженням речовини в цих умовах; прогнозувати рух літосферних плит і навіть, у якийсь мірі, уявити вигляд поверхні нашої планети в майбутні мільйони років.

При регіональних дослідженнях широко використовуються дистанційні методи, коли спостереження здійснюються з вертольотів, літаків і зі штучних супутників Землі.

Коротка історія розвитку геології. На протязі всієї історії свого розвитку людство мало справу з оточуючим його середовищем, в т.ч. і з геологічними об'єктами. Наприклад, відома одна із перших спроб класифікації органічного світу, що приписується Аристотелю, передбачає поділ усього природного різномаїття на 3 класи: рослини, тварини та камені. Хоча ще задовго до Аристотеля людство вже використовувало викопну мідь, залізну руду, срібло, золото, сірку, селітру, нафту, слюду, кухонну сіль, кремінь та багато інших мінералів і гірських порід.

Перші наукові праці про мінерали з'явилися приблизно в середині XVI ст. Серед них особливе місце займає "Металургія" Г. Агріколи (1490--1555 р.), у якій описані діагностичні ознаки (колір, прозорість, блиск, смак, запах, вага, твердість і т.д.) всіх відомих на той час мінералів й дана їх класифікація.

Сучасна геологія виникла в другій половині XVIII ст. - у період зародження й бурхливого розвитку гірничодобувних підприємств капіталістичного типу і її розвиток пов'язують з іменем англійського гірничого інженера Ч. Лайеля, а в Росії - з іменем видатного вченого того часу М.В. Ломоносова.

Нові великі кроки були зроблені в розвитку всіх областей геологічних знань: геотектоніки (А.Д.Архангельський, М.М.Тетяєв, М.А.Шатський); петрографії магматичних порід (Ф.Ю.Левінсон-Лессінг, А.М.Заварицький), осадових порід (В.П.Батурін, Н.М.Страхів, Л.В.Пустослов) і метаморфічних гірських порід (А.А.Полканов, Д.С.Коржинський, Г.Н.Судовиков) і інші. Виникли нові розділи геологічної науки: інженерна геологія (Ф. П. Саварський), гідрогеологія (В.С. Ільїн, Г.Н.Каменський), геохімія (В.І.Вернадський, А.Е.Ферсман) і геофізика (П.П.Лазарєв).

Серед сучасних українських вчених, що працюють в галузі екологічної геології, слід назвати: Г.І. Рудька, І.П. Ковальчука та інших.

Прикладне значення геології та геоморфології. Розробка теоретичних проблем геології поэднуэться з вирішенням ряду народногосподарських задач:

1) пошук і відкриття нових родовищ різних корисних копалин, що є основною базою промисловості і сільського господарства;

2) вивчення і визначення ресурсів підземних вод, необхідних для питного й промислового водопостачання, а також меліорації земель;

3) інженерно-геологічне обґрунтування проектів великих споруд та проектів, науковий прогноз зміни природних умов після закінчення їхнього будівництва;

4) охорона і раціональне використання надр Землі.



1. Речовинний склад земної кори

Поширення хімічних елементів на Землі

Мантія і земне ядро недоступні для безпосередніх досліджень і уявлення про їхню геохімію засновані на непрямих, головним чином, геофізичних, даних. Більшість теорій у цій області носить характер гіпотез, хоча вихідні геофізичні дані безперечні. Так, встановлено, що середня щільність Землі становить 5,52г/см3, а порід земної кори 2,8 г/см3. Звідси випливає висновок про високу щільність земних глибин. Це може бути пов'язано зі зміною елементарного складу, наприклад, із збільшенням кількості важких металів (Fе, Ni) із глибиною, або ж із фазовими перетвореннями легких мінералів.

На материках на глибині більш 35-70 км швидкість поширення сейсмічних хвиль стрибкоподібно зростає з 6,5--7 до 8 км/с. Причини росту швидкості хвиль цілком не з'ясовані. Думають, що на цій глибині, відбувається зміна як елементного, так і мінерального складу речовини. Глибина, на якій відбувається стрибкоподібна зміна швидкості сейсмічних хвиль, одержала назву лінії Мохоровичича. Прийнято вважати, що границя Мохо є нижньою межею земної кори і верхньою - мантії. Найбільшу потужність земна кора має під гірськими хребтами (до 70 км), а найменшу - на дні океанів (до 15 км).

В межах земної кори швидкість поширення сейсмічних хвиль теж неоднакова. Тому виділяють границю Конрада, що відділяє гранітний шар земної кори від базальтового.

Вперше дослідження по встановленню вмісту хімічних елементів у земній корі були проведені американським вченим Ф.У. Кларком. На честь нього терміном "кларк" у геохімії називають середній уміст хімічного елемента в земній корі, якій-небудь її частині, Землі в цілому, а також у планетах і інших космічних об'єктах, що виражається у процентній формі.

Закон всезагального розсіяння хімічних елементів (Кларка-Вернадського): усі елементи є скрізь - в кожному грамі гірської породи, в кожній краплині води, лише низька чутливість сучасних методів аналізу не дозволяє іноді визначити вміст того чи іншого елемента в будь-якому природному об'єкті.

Отже, при аналізі таблиці 1.1.1 видно, що майже половина твердої земної кори складається з одного елемента - кисню. На другому місці стоїть кремній (29,5%), на третьому - алюміній (8,05%). В сумі ці елементи складають 84,55%. Якщо до них ще добавити залізо (4,65%), кальцій (2,96%), калій (2,50%), натрій (2,50%), магній (1,87%), титан (0,45%), то отримаємо 99,48%. Інші (більш ніж 80 елементів) займають трохи більше 0,5%. Тобто, їх вміст в земній корі не перевищує 0,01-0,0001%. Такі елементи в геохімії прийнято називати рідкими. Якщо для рідкого елемента не характерна здатність до концентрації, то такі елементи іменуються рідкими розсіяними. Наприклад, у урану й брому кларки приблизно однакові, але для урану відомо 104 мінерали, а для брому лише 1. Крім того, уран утворює родовища, а бром - ні. Тому уран належить до рідких елементів, а бром до рідких розсіяних.

Таблиця 1.1.1. Уміст хімічних елементів

Вміст хімічних елементів
в земній корі	в мантії	середній склад Землі
O - 47%	O - 35%	Fe - 35%
Si - 29.5%	Fe - 25%	O -30%
Al - 8.05%	Si - 18%	Si - 15%
Fe - 4.65%	Mg - 14%	Mg - 13%
Ca - 2.96%	S - 2.0%	Ni - 2.4%
Na - 2.50%	Al - 1.3%	S - 1.9%
K - 2.50%	Ca - 1.4%	Ca - 1.1%
Mg - 1.87%	Ni - 1.35%	Al - 1.1%
Ti - 0.45%	Na - 0.7%	Na - 0.57%
	Cr - 0.25%
	Mn - 0.20%

Основні закономірності поширення хімічних елементів у земній корі:

1. В земній корі переважають легкі атоми, що займають перші клітинки періодичної таблиці хімічних елементів (до заліза - №26), ядра яких містять невелику кількість протонів і нейтронів.

2. В земній корі переважають елементи з парними порядковими номерами і з парними атомними масами. Особливо великі кларки елементів, атомна маса яких кратна 4 (кисень, кремній, магній, кальцій і т.д.). На ці елементи, за підрахунками А.Є. Ферсмана, припадає 86,3%.

Така картина пояснюється наступним: на початкових стадіях розвитку нашої планети речовина була розігріта до температури в десятки мільйонів градусів. При такій температурі не могли існувати атоми чи молекули - речовина існувала у вигляді розпеченої плазми з вільними електронами і ядрами й у ній відбувались атомні реакції. Найбільша ймовірність утворення ядер із невеликим, причому парним, числом протонів і нейтронів, бо такі ядра найбільш стійкі.

Це дало можливість В.М. Гольдшмідту сформулювати основний геохімічний закон: абсолютна кількість елементів, тобто кларки, залежать від будови атомного ядра; розподіл же елементів, пов'язаний із їх міграцією, - від електронів на зовнішньому електронному рівні.

Загальні закономірності міграції хімічних елементів у земній корі.

Геохімічні бар'єри

Здатність елемента до міграції багато в чому залежить від форми його знаходження в природі. В.І. Вернадський виділяв чотири основні форми знаходження хімічних елементів в земній корі: 1. гірські породи і мінерали (у т.ч. природні води й гази); 2. жива речовина; 3. магми (силікатні розплави); 4. розсіяні. Є.М.Квятковський запропонував виділяти мінеральний, безмінеральний, концентрований і розсіяний види існування хімічних елементів.

А.Є.Ферсман поділив фактори міграції хімічних елементів на дві групи: зовнішні й внутрішні. До внутрішніх він відніс властивості хімічних елементів - їх здатність давати леткі чи розчинні хімічні сполуки, осаджуватись з розчинів чи розплавів, сорбуватись і т.д. До зовнішніх факторів відносяться параметри обстановки міграції - температура, тиск, кислотно-лужна рівновага (рН) і окисно-відновний потенціал (Еh).

В загальному випадку міграція хімічних елементів виражається експоненціальною залежністю кількості елемента Х від часу t:

, (1),

де b1- вміст елемента X в системі до початку досліджуваного процесу в момент часу t1, b2 вміст елемента X у системі до моменту часу t2, РХ - інтенсивність міграції елемента в даній системі.

У практичному відношенні дуже важливі ті ділянки земної кори, де на невеликій відстані відбувається різке зменшення інтенсивності міграції хімічних елементів і, як наслідок, їх концентрації. Такі ділянки А.І. Перельман запропонував називати геохімічними бар'єрами. Він виділяв два основні типи геохімічних бар'єрів: природні й техногенні. І природні, і техногенні поділяються на 3 класи:

механічні бар'єри - ділянки різкого зменшення інтенсивності механічної міграції;

фізико-хімічні бар'єри - ділянки різкого зменшення інтенсивності фізико-хімічної міграції; у свою чергу поділяються на окисні (A), відновні (B,C), лужні (D), кислі (E), інші.

біогеохімічні бар'єри - пов'язані із зменшенням інтенсивності біогенної міграції (поклади вугілля, торф, концентрація металів у гумусових горизонтах ґрунтів і т.д.).

Розміри бар'єрів різноманітні і можна говорити про макро-, мезо- і мікробар'єри (аналогічно поняттям макро-, мезо- і мікрорельєфу чи клімату). Тому для характеристики бар'єру важливі не абосолютні розміри, а відносні. Бар'єри - це межа, перехідна область, де одна стійка обстановка на порівняно короткій відстані змінюється іншою. Наприклад, зона стику прісних річкових вод із солоними морськими в гирлах річок являє собою геохімічний бар'єр шириною в сотні і тисячі метрів, але в порівнянні з просторами океанів і довжиною річок (тисячі кілометрів) ця величина невелика. В ґрунтах потужність окремих горизонтів виміряється десятками сантиметрів, а межа між ними (геохімічний бар'єр) - міліметрами й сантиметрами.

Найважливішими поняттями прикладної геохімії є наступні: "геохімічне поле", "геохімічна аномалія" і "геохімічний фон". Визначення їм дав А.П. Соловов. Геохімічне поле - простір, що характеризується кількісними вмістами хімічних елементів. Середній (модальний) вміст хімічного елемента в межах геохімічнооднорідної системи (ділянки) являє собою геохімічний фон даної системи (ділянки). Область фонового вмісту часто називають ще нормальним геохімічним полем. Геохімічна аномалія являє собою область вмісту хімічного елемента чи числових значень інших геохімічних показників (pH, Eh і т.д.) на заданому рівні, що відрізняється від геохімічного фону. Аномалії можуть бути глобальними, регіональними, локальними, точковими і т.д. До аномалій належать і родовища корисних копалин. Також аномалії можуть бути позитивними (вище фону) і від'ємними (нижче фону).

Прикладне значення геохімії

Теоретичні уявлення геохімії реалізуються при вирішенні практичних проблем, пов'язаних із розвідкою родовищ мінеральної сировини, охороною здоров'я, сільським господарством, охороною навколишнього середовища і т.д. Геохімічні методи пошуків корисних копалин. У результаті концентрації елементів утворюються родовища корисних копалин. Та частина поля концентрацій, у якій вміст елементів досягає величин, що допускають їхню експлуатацію, називається рудним тілом або покладом корисної копалини, а сама речовина з кондиційним вмістом елемента -- рудою. Інша частина поля концентрації іменується первинним геохімічним ореолом родовища. Границя між рудним тілом і первинним ореолом родовища визначається вимогами промисловості. Наприклад, наприкінці XIX в. у США перероблялися мідні руди із вмістом металу більш 5%, і прилягаючі породи, що містили перші відсотки міді, являли собою первинний ореол. У середині XX ст. перероблялися вже руди з вмістом міді всього лише 1% , і те, що раніше вважалося первинним ореолом, стало рудою. Лінійні розміри первинних ореолів виміряються десятками, сотнями і тисячами метрів, причому нерідко ореол досягає земної поверхні, тоді як рудне тіло, розташоване на глибині.

Під впливом гіпергенних процесів рудні тіла і первинні ореоли піддаються вивітрюванню й денудації. У результаті ґрунт, кора вивітрювання, континентальні відклади поблизу родовища збагачуються рудними елементами і їх супутниками. При вилуговуванні руд і ореолів елементи надходять у поверхневі і підземні води. Рослини також накопичують рудні елементи, підвищується їхній вміст і в тваринах. Так виникає поле підвищеної концентрації елементів у ландшафті, що утворює вторинний (епігенетичний) ореол розсіювання. За середовищем прояву розрізняють вторинні ореоли: в ґрунтах і породах - літохімічні, у водах - гідрогеохімічні, в атмосфері - атмохімічні й в організмах - біогеохімічні. Розміри вторинних ореолів досягають сотень і тисяч метрів.

Визначаючи вміст хімічних елементів у гірських породах, у всіх компонентах ландшафту - ґрунтах, пухких відкладах, водах, рослинах, атмосфері, можна знайти первинний чи вторинний ореол, а по ньому і саме родовище. Подібні методи пошуків і отримали назву геохімічних. За об'єктом опробування вони поділяються на чотири основних види: літохімічні, гідрогеохімічні, біогеохімічні й атмохімічні (газові) методи.

Геохімія й охорона здоров'я. Здоров'я людини багато в чому визначається вмістом хімічних елементів у навколишньому середовищі - ґрунті, воді, атмосфері, продуктах харчування. Існують оптимальні вмісти, порушення яких приводить до захворювань. Так, при недостачі йоду в ландшафті чи їжі розвивається ендемічний зоб (особливо в гірських районах), при дефіциті фтору в питній воді - карієс зубів, при надлишку фтору - флюороз, при надлишку молібдену у воді - подагра і т.д. Досить перспективно використання геохімії у курортному будівництві.

Геохімія і сільське господарство. Багато хвороб культурних рослин і домашніх тварин також зв'язані з дефіцитом чи надлишком хімічних елементів у навколишньому середовищі. Відомі хвороби тварин і рослин, зв'язані з дефіцитом чи надлишком кальцію, міді, кобальту, бору, свинцю, селену й інші елементів. Як і люди, домашні тварини хворіють на ендемічний зоб, карієс, флюороз і т.д. Геохімічні дослідження актуальні в меліорації (особливо при зрошенні), при застосуванні добрив і мінеральної підгодівлі тварин, при рішенні інших питань сільського господарства.

Геохімія і хімтехнологія. Вивчаючи закони розподілу хімічних елементів у гірських породах і мінералах, геохімія вишукує нові джерела сировини для промисловості. Так, за допомогою геохімічних методів були встановлені джерела ренію (молібденові руди), гафнію (циркони), кадмію й індію (поліметалеві руди), германію (вугільний попіл) і т.д.

Геохімія й проблема навколишнього середовища. Останнім часом виділяють особливу категорію геохімічних процесів - техногенну міграцію (техногенез). В останні роки вивчення техногенної міграцій набуло дуже великого значення в зв'язку з проблемою попередження забруднення навколишнього середовища.

1.1 Основи мінералогії

Поняття про мінерали та процеси мінералоутворення в природі.

Мінерали - це природні хімічні сполуки та самородні елементи, які утворились в надрах земної кори або на її поверхні внаслідок різних фізико-хімічних процесів. Вивченням мінералів займається наука мінералогія.

Виникнення мінералів пов'язане з різними природними процесами, що протікали не тільки в земній корі чи мантії Землі, але також на поверхні, у внутрішніх частинах інших планетарних тіл, у міжзоряному середовищі і, нарешті, як було доведено останнім часом, в атмосферах різних зірок.

Перша мінеральна речовина у Всесвіті виникла задовго до початку утворення нашої Сонячної системи і з тих самих пір процеси мінералоутворення не припинялися. Вони і зараз протікають на різних планетах і на деяких інших космічних об'єктах. Ймовірно, одним із перших процесів утворення мінеральної речовини в умовах ранньої Сонячної системи була конденсація високотемпературної "силікатної пари" з утворенням тугоплавких мінералів, встановлених у деяких типах включень метеоритів.

Але більшість мінералів, звісно, утворились дещо пізніше і на Землі. В загальному випадку за генезисом вони поділяються на:

1. ендогенні, що утворились внаслідок процесів, що протікали й протікають за рахунок внутрішньої теплової енергії Землі;

2. екзогенні, що утворились внаслідок процесів, які відбувалися й відбуваються за рахунок зовнішньої (сонячної) енергії, одержуваною поверхнею Землі; джерелом речовини для протікання екзогенних процесів є гірські породи, що оголилися на поверхні Землі.

При потраплянні продуктів ендогенних і екзогенних процесів мінералоутворення в більш глибокі зони земної кори, вони можуть зазнавати істотних перетворень. Це явище називається метаморфізмом.

Ендогенні процеси мінералоутворення. Серед них головними є магматичні, пегматитові і пневматолітово-гідротермальні.

Магматичні процеси. Магмою називається складний за складом розплав, що містить багато хімічних елементів і їхніх сполук, що утвориться в глибинних частинах чи Землі інших планет. Особливу роль у магмі грають кремнієвокисневі сполуки і тому магму часто називають силікатним розплавом, головними складовими якого є оксиди кремнію, алюмінію, заліза, магнію, кальцію, натрію й калію. Інші елементи присутні в магмі в істотно менших кількостях. Крім того, у магмі розчинені газоподібні й леткі речовини (вода, вуглекислота, вуглеводні, сірчисті сполуки й ін.), що приймають активну участь у процесах утворення мінералів. Мінерали, що утворюються при застиганні магми, являють собою сполуки, що складаються з тих хімічних елементів, що у ній містилися. Виникнення магм, звичайно, пов'язується з внутрішньою тепловою енергією планети - радіоактивним розпадом деяких хімічних елементів і рухом окремих блоків кори планети один відносно одного. Ці явища приводять до локального нагрівання й плавлення навколишніх порід. При русі до поверхні планети магми різного складу можуть змішуватися між собою і розчиняти захоплені на шляху уламки інших гірських порід. У такий спосіб виникають магми різного типу, кристалізація яких пояснює розмаїтість вивержених гірських порід.

Деякі типи магматичних порід залягають у формі жил чи прожилків. Вони утворюються в результаті заповнення тріщин земної кори різними мінеральними речовинами. У тріщини з глибинних частин земної кори могли проникати залишкові розплави, різноманітні пари і гази (флюїди) чи гарячі водяні розчини. Відповідно до цього жили за способом заповнення поділяються на пегматитові (утворилися в результаті власне магматичного процесу на одній із заключних стадій його протікання), пневматолітові (в утворенні взяли участь флюїди, що входили до складу магми) і гідротермальні (сформовані з гарячих водних розчинів, що надходили з глибинних частин земної кори).

Екзогенні процеси мінералоутворення. Головними серед них є різноманітні процеси вивітрювання, накопичення та перетворення осадів. Вивітрювання (фізичне, хімічне чи біологічне) полягає в поступовому розкладанні нестабільних мінеральних фаз і їх перетворенні в інші, більш стійкі в поверхневих умовах мінерали. Серед продуктів власне осадового процесу мінералоутворення, що протікає у водному середовищі, виділяють механічні осади, хімічні осади і біогенні чи органогенні осади.

У всіх випадках найважливішими факторами мінералоутворення є хімізм, температура й тиск. При зміні цих факторів мінерал або руйнується, або видозмінюється. Наприклад, магматичний мінерал алмаз (С), котрий утворюється в мантії при температурі більше 1200°С і тиску понад 45·105 МПа при поступовому зменшенні тиску перетворюється в мінерал графіт (С), а при доступі кисню згоряє з виділенням вуглекислого газу СО2, мінерал пірит (FeS2) - сульфід заліза в зоні хімічного окислення переходить в лімоніт - гідроксид заліза (FeO(OH)·nН20); а водний сульфат кальцію - гіпс (СаSO4·2Н2О) на глибині 150 м при збільшенні тиску, зневоднюючись, переходить в ангідрит (СаSO4).

Вивчаючи мінерали, можна помітити, що більшість із них мають вигляд правильних геометричних фігур: кубів, ромбів, призм, пірамід - так званих кристалів. Певні мінерали кристалів не утворюють, оскільки перебувають у аморфному стані. Різниця між кристалічним і аморфними станами полягає в тому, що в першому випадку складові елементи мінералу - молекули, атоми та іони розміщуються в чітко визначеному для даної речовини порядку, утворюючи кристалічну решітку (гратку). В другому випадку закономірність в розміщенні складових частин відсутня, тобто кристалічної решітки мінерал не має, і за хімічною будовою нагадує рідину.

Мінерали у вигляді кристалів правильної форми в природі зустрічаються порівняно рідко. Це окремі кристали, або їх зростання, що утворились в умовах вільного росту в підземних пустотах. Найбільш поширені мінерали у вигляді кристалів або зерен неправильної форми, які тісно прилягають одні до одних, утворюючи мінеральні агрегати - гірські породи. Всі види й різновиди мінералів мають свої власні назви, присвоєні різними традиційними способами. Найбільш поширений спосіб давати назву мінералу в честь видатних осіб.

Рис. 1.2.1. Прості форми кристалів.

Перші три ряди простих форм - піраміди (1-7), дипіраміди (8-14), призми (15-21). Їх назва залежить від форми поперечного перерізу: якщо переріз ромб - форма ромбічна, трикутник - тригональна, здвоєний трикутник - дитригональна, чотирикутник - тетрагональна, здвоєний чотирикутник - дитетрагональна, шестикутник - гексагональна, здвоєний шестикутник - дигексагональна, 22 - моноедр, 23 - пінакоїд, 24 - діедр, 25 - ромбічний тетраедр, 26 - кубічний тетраедр, 27 - тетрагональний тетраедр, 28 -тригональний трапецоедр, 29 - тетрагональний трапецоедр, 30 - гекса-гональний трапецоедр, 31 - ромбоедр, 32 - тетрагональний скаленоедр, 33 - дитригональний скаленоедр, 34 - куб (гексаедр), 35 - октаедр, 36 - тригон-тритетраедр, 37 - тетрагонтритетраедр, 38 - пентагонтри-тетраедр, 39 - дитригонтритетраедр, 40 - дитригонтриоктаедр, 41 - тетрагонтри-октаедр, 42 - пентагонтриоктаедр, 43 - дитригонтриоктаедр, 44 - тетра-гексаедр, 45 - дододекаедр, 46 - ромбодододекаедр, 47 - пентагондододекаедр.

Наприклад, гетит - в честь німецького поета Й. Гете, олексадрит - на честь російського царя Олександра ІІ; висоцькит - в честь відомого барда В.Висоцького. Широко практикується також спосіб утворення найменувань мінералів за місцем їх знаходження (ураліт, карпатит, донбасит), або за характерними фізичними властивостями (лазурит - за блакитний колір, тетраедрит - за форму кристалів, магнетит - за магнітні властивості). При цьому, більшість назв мінералів згідно правил сучасної мінералогічної номенклатури отримує закінчення "іtе'' (українською мовою - "ит" або "іт").

Всього в наш час відомо біля 2500 найменувань твердих мінеральних видів, з котрих не менше 100, в тому числі раніше невідомих, знайдено на Місяці (де проби відібрані лише у восьми пунктах). З цієї кількості більша частина мінералів зустрічається у природі дуже рідко, і лише 50 із них складають основну масу гірських порід. Ті природні мінерали, які зустрічаються рідко і за вмістом у породі не перевищують 5% від її маси, називаються акцесорними. Ті ж, масова частка яких у породі більша 5%, є породоутворюючими.

Окремі види мінералів у вільному стані або в складі гірських порід іноді утворюють значні за запасами родовища. За сприятливих економічних умов ці мінерали використовуються як корисні копалини і служать сировиною для промисловості або експортуються за кордон.

Поряд з природними, існує багато штучних мінералів: мінеральні добрива, неорганічні хімреактиви, деякі будматеріали, абразиви, метали і їх сплави тощо. Сучасні технології дозволяють також створювати так звані синтетичні кристали - алмази, рубіни, сапфіри, кварц та ін, які за своїми властивостями повністю відповідають природним аналогам і успішно заміняють їх у практичному використанні

Фізичні властивості мінералів.

Зовнішня форма і властивості мінералів залежать від багатьох факторів, головними з яких є їх хімічний склад і внутрішня будова. Методи визначення мінералів і вивчення їхніх властивостей дуже різноманітні. Для цих цілей у лабораторіях використовують різні оптичні й електронні мікроскопи, рентгенівські установки й іншу більш складну апаратуру. У польовій практиці мінерали звичайно, визначаються візуально (за зовнішніми ознаками). Найважливішими фізичними властивостями, що дозволяють проводити діагностику мінералів є колір мінералу в шматку й порошку, блиск, злам, спайність, твердість, питома вага і деякі інші властивості.

Деякі фізичні властивості можуть бути однаковими в різних мінералів і, навпаки, які-небудь властивості (наприклад, колір) можуть змінюватися в того самого мінералу. Тому при діагностиці мінералу необхідно встановити якомога більшу кількість цих властивостей. Результати польової візуальної діагностики мінералів потім підтверджують в камеральних умовах більш точними методами (визначенням оптичних констант мінералів, п'єзоелектричних і магнітних властивостей, радіоактивності й характеру люмінесценції, визначенням хімічного складу, вивченням поводження мінералу при нагріванні, залученням різноманітних рентгеноструктурних і рентгеноспектральних методів аналізу).

Колір мінералів може бути найрізноманітнішим. Нерідко колір того ж самого мінералу може змінюватись, що залежить від того, які домішки входять до його складу. Тому іноді для того самого мінералу, залежно від його кольору, навіть використовують різні назви. Наприклад, кварц звичайно, безбарвний, і його прозорий різновид, представлений добре ограненими кристалами, отримав назву гірський кришталь. Але той же кварц може мати жовтий колір (цитрин), фіолетовий (аметист), зелений (празем), димчастий (раухтопаз), чорний (моріон) чи інші кольори.

Деякі мінерали, наприклад, лабрадор, змінюють свій колір у залежності від умов освітлення, набуваючи при цьому красивого веселкове забарвлення. Така властивість мінералів отримала назву іризація (інтерференція білого світла при проходженні крізь мікроскопічні паралельно орієнтовані пластинки чи тріщини).

Колір риски мінералу. Багато мінералів у порошкоподібному стані мають інший колір, ніж колір у шматку. Звичайно, для визначення кольору мінералу в порошку проводять шматочком мінералу риску на білій шорсткуватій поверхні неглазурованої порцеляни. Цей метод діагностики дуже важливий. Наприклад, колір риси солом'яно-жовтого піриту - чорний, чорного гематиту - вишнево-червоний, а чорного магнетиту - чорний. У випадку, якщо твердість мінералу вища, ніж твердість порцелянової пластинки, то мінерал не дає риси, а утворить на порцеляні подряпину.

Прозорість. Під цим терміном мається на увазі здатність речовини пропускати світло. Залежно від ступеня прозорості всі мінерали поділяються на прозорі (гірський кришталь, ісландський шпат), напівпрозорі (сфалерит, кіновар) і непрозорі (пірит, галеніт). Деякі непрозорі мінерали, наприклад, халцедон, просвічується по краях у тонких пластинках. Деякі прозорі мінерали, наприклад, ісландський шпат, мають збільшувальний ефект у зв'язку із подвійним заломленням променів внаслідок специфіки їх кристалічної гратки.

Блиск - це здатність мінералу відбивати світло. Розрізняють наступні види блиску: металевий блиск (сильний блиск, властивий мінералам, що дають чорну рису і самородним металам) і неметалевий. Останній поділяється на: алмазний, скляний. Іноді виділяють проміжний блиск між металевим і алмазним, що одержав назву напівметалевого чи металоподібного. На характер блиску впливає і стан поверхні мінералу. Наявність нерівностей є причиною виникнення жирного чи воскового блиску. Перламутровий блиск виникає за рахунок інтерференції світла в тонких пластинах. При паралельно-волокнистій будівлі агрегатів мінералів виникає шовковистий блиск. Деякі тонкозернисті агрегати мають матовий блиск (наприклад, писальна крейда).

Спайність - здатність мінералу розколюватися по визначених кристалографічних напрямках з утворенням гладких поверхонь. По характеру розколювання і гладкості утвореної поверхні виділяють наступні види спайності: дуже досконала спайність - мінерал без особливих зусиль розщеплюється на тонкі пластини, площини спайності - дзеркальні, рівні (наприклад, у слюди); досконала спайність - мінерал легко розколюється з утворенням рівних блискучих площин; середня спайність - мінерал розколюється при ударі на осколки, обмежені як площинами спайності, так і неправильними площинами зламу; недосконала спайність - розколювання мінералу приводить до утворення уламків, велика частина яких обмежена нерівними поверхнями зламу; дуже недосконала спайність - при ударі мінерал розколюється по випадкових напрямках і дає нерівну поверхню зламу. Площини спайності необхідно відрізняти від граней кристалів. Багато мінералів мають спайність у декількох напрямках, причому ступінь досконалості спайності в різних напрямках може і не збігатися. Кількість напрямків спайності й ступінь її досконалості є одними з головних діагностичних ознак при визначенні мінералів.

Злам - характер поверхні, що виходить при розколюванні мінералів. Мінерали, що характеризуються досконалою спайністю в 1-2 напрямках дають рівний злам; якщо число напрямків досконалої спайності зростає до 3 і більш, то злам може бути східчастим. Для мінералів із недосконалою чи дуже недосконалою спайністю часто спостерігається раковистий чи нерівний злам. Мінерали, що характеризуються волокнистою структурою характеризуються скалкуватим зламом. Самородні метали (мідь, залізо) мають гачкуватий злам.

Таблиця 1.2.1. Шкала твердості Мооса

Тальк Mg3[Si4O10](OH)2	1
Гіпс CaSO4.2H2O	2
Кальцит CaCO3	3
Флюорит CaF2	4
Апатит Ca5[PO4]3(F,Cl)	5
Ортоклаз K[AlSi3O8]	6
Кварц SiО2	7
Топаз Al2[SiO4](F,OН)2	8
Корунд Al2O3	9
Алмаз C	10



Твердість мінералу визначає ступінь його опору при дряпанні гострим предметом чи іншим мінералом. Для визначенні твердості мінералу прийнята емпірична шкала, запропонована на початку ХІХ ст. австрійським мінералогом Моосом (1772-1839), і названа на його честь. У цій шкалі використовуються десять мінералів з відомою й постійною твердістю. Ступінь твердості оцінюється по десятибальній шкалі: найнижча твердість позначається одиницею, а найвища - 10. Шкала Мооса наведена в таблиці 1.

Шкала Мооса, поряд із більш складними сучасними методами визначення твердості, широко використовується мінералогами дотепер. Твердість по шкалі Мооса є відносною величиною, тобто кожен із мінералів, що наведені в шкалі є твердішим, ніж попередній мінерал, але менш твердим, ніж наступний за ним мінерал. При польових дослідженнях не завжди може виявитися під рукою потрібний набір мінералів шкали твердості. У такому випадку для орієнтованого визначення твердості мінералу звичайно, використовують підручні засоби: м'який олівець (1), ніготь (2-2,5), бронзова монета (3,5-4), скло (5), сталевий ніж (5,5-6), напилок (7).

Твердість мінералів іноді сильно залежить від напрямку прикладання сили відносно структурних елементів кристалу. Показовим прикладом такого роду зміни (анізотропії твердості) може служити кіаніт (дистен): по напрямку спайності твердість цього мінералу дорівнює 4, а в перпендикулярному напрямку - 6,5.

Питома вага й щільність мінералів. Питома вага являє собою відношення маси речовини до маси рівного об'єму води при 4оС, і є величиною безрозмірною. Щільність являє собою масу речовини, що приходиться на одиницю об'єму і виражається в г/см3. Питома вага мінералів коливається в дуже широких межах - від 0,9 (лід) до 20 і більше (осмистий іридій). Найбільше чисельні мінерали з питомою вагою від 2 до 4, тому питома вага служить діагностичною ознакою тільки для мінералів важких елементів. Точно питома вага мінералів визначається шляхом зважування на гідростатичних вагах чи за допомогою інших спеціальних пристосувань. На практиці питома вага визначається лише приблизно, зважуванням на руці з оцінкою - важкий (більш 4), середній (2,5-4) і легкий (менш 2,5). При цьому враховують, що питома вага води прийнята за 1. Питома вага й щільність мінералу залежить від кристалічної структури мінералу.

Інші властивості. Деякі мінерали мають специфічні властивості, що дозволяють швидко й надійно діагностувати мінерали в польових умовах. До таких властивостей відносяться магнітність (вплив на стрілку гірського компаса, як, наприклад, у магнетиту), електропровідність, розчинність у кислотах, смак (наприклад, хлориди мають солоний смак), запах, радіоактивність, здатність взаємодіяти із соляною кислотою (характерно для карбонатів) і ін. Ці властивості дозволяють розпізнавати порівняно невелике коло мінералів, однак у ряді випадків вони є визначальними при макроскопічній діагностиці.

Систематика та опис мінералів

В основу сучасної класифікації мінералів покладена систематика мінеральних індивідів за хімічним складом, започаткована в 1837 р. американським мінералогом Джеймсом Дена і пізніше розвинута відомим українським мінералогом С.К. Лазаренком. За схемою Дена найбільш важливі мінерали групуються в такі основні класи:

Силікати.

Оксиди й гідроксиди.

Карбонати.

Сульфати.

Сульфіди.

Фосфати.

Галоїди.

Самородні елементи.

Класи мінералів поділяються на дрібніші таксономічні одиниці - групи. Наприклад, серед силікатів виділяється група польових шпатів, група амфіболів та інші Наступним рангом систематики виступають типи, котрі, у свою чергу, поділяються на ряди. Наприклад, тип польових шпатів нормальної основності ділять на ряд каліево-натрієвих (лужних) шпатів і ряд кальцієво-натрієвих шпатів (плагіоклазів). Нарешті, фундаментальною одиницею хімічної систематики служить вид - одиниця, яка, по суті, синонімічна назві конкретного мінералу.

1. Силікати й алюмосилікати (солі кремнієвої кислоти) - найчисельніший клас, який включає в себе до 800 мінералів. Для усіх них характерна наявність іонної групи SiO4, побудованої у вигляді тетраедра, у вершинах якого розмішені іони кисню, а у центрі - іон кремнію. Коли частина іонів кремнію заміщуються іонами алюмінію, то виникають алюмосилікати. Головними представниками цього класу с такі групи мінералів: польові шпати, амфіболи, піроксени, слюди, а також споріднені з останніми мінерали глин.

Польові шпати - група найбільш розповсюджених мінералів літосфери, які складають до 60% об'єму порід магматичного й метаморфічного походження, а також до 25% піщаної та алевритової фракції ґрунтів. В хімічному відношенні польові шпати - алюмосилікати. Вони входять у потрійну систему K[AlSi3O8] - Na[AlSi3O8] - Ca[Al2Si2O8], крайніми членами якої відповідно є мінерали ортоклаз - альбіт - анортит. Проміжні різновиди між ортоклазом і альбітом називаються лужними польовими шпатами, а проміжні між альбітом і анортитом - плагіоклазами. Родовища польових шпатів відомі на Волині та в Приазов'ї.

Ортоклаз - K[AlSi3O8] - алюмосилікат калію. Назва дана від грецького "орто" - прямий і "клазіз" - тріщина, за прямий кут між площинами спайності, одна з який досконала, а друга - середня. Він є характерним мінералом кислих магматичних порід - гранітів. Зустрічається у вигляді таблитчастих кристалів і призм, які іноді зростаються в прості двійники. Колір - білий, сірий, рожевий, червонуватий, зеленуватий. Блиск скляний, мінерал напівпрозорий. Твердість -5,0. Щільність - 2.5 г/см3.

Альбіт - Na[AlSi3O8] - алюмосилікат натрію, крайній член ряду плагіоклазів. Назва дана від латинського "альбус" - білий (звичайного кольору цього мінералу). В природі утворює зернисті кристалічні агрегати, в складі кислих та середніх порід магматичного й метаморфічного походження. Кристали таблитчасті і пластинчасті, часто зростаються в полісинтетичні двійники. Спайність досконала, орієнтована у двох напрямках під кутом 86°. Блиск скляний до перламутрового. Тонкі пластинки альбіту - напівпрозорі, або просвічуючі по краях. Твердість - 6,0. Щільність - 2,6 г/см3.

Анортит - Ca[Al2Si2O8] - алюмосилікат кальцію, крайній член ряду плагіоклазів. Назва дана від грецького "ан" - не і "ортос" - прямий (за косокутною формою його кристалів). Розповсюджений у вигляді крупнокристалічних зерен неправильної форми. Є головним компонентом основних магматичних порід (зокрема, анортозитів Українського кристалічного щита). Кристали анортиту таблитчасто-призматичні, часто зростаються в полісинтетичні двійники. Колір білий, до сірого. Блиск скляний, до перламутрового. У пластинках прозорий або напівпрозорий. Спайність досконала в двох напрямках з кутом між площинами 86°. Твердість 6,5. Щільність - 2,76 г/см3.

Лабрадор - (Са,Na)(Al,Si)AlSi2O8 - алюмосилікат кальцію й натрію, проміжний член ряду плапоклазів. Назва дана за місцезнаходженням на півострові Лабрадор. Широко розповсюджений в основних магматичних породах - габро і базальтах (зокрема, в лабрадоритах і базальтах Волині). За фізичними властивостями близький до інших плагіоклазів і відрізняється від них, лише низькою твердістю 2,7, а також сірим до чорного кольором. Іноді лабрадор іризує, проявляючи красиву характерну гру яскраво-синіх кольорів.

Польові шпати широко застосовуються в керамічній і скляній промисловості. Красиві різновиди в складі пегматитів і анортиозитів використовують як цінний сувенірний і лицювальний матеріал. Уламкові польові шпати є важливою складовою частиною ґрунтів.

Амфіболи - велика група алюмосилікатів, які за структурою є подвійними стрічками тетраедрів [SiO4], з'єднаних (ОН) і катіонами різних металів. Не дивлячись на різноманітність хімічного складу, амфіболи за багатьма фізичними властивостями подібні між собою. Найбільш поширеними мінералами цієї групи є рогова обманка, актиноліт, тремоліт, жедрит.

Рогова обманка - (Са,Na)(Mg,Fe,Al)5(Al,Si)3O22(OH,F)2 - гідроксил-алюмосилікат. Назва мінералу викликана зовнішньою схожістю з роговою речовиною. Зустрічається практично у всіх магматичних породах і служить головним компонентом метаморфічної породи - амфіболіту. Утворює волокнисті, тонкозернисті агрегати, або окремі голчаті й стовпчасті шестикутні на перетині кристали Колір від темно-зеленого до чорного. Риса зеленувато-сіра. Спайність середня і досконала в двох напрямках з кутом 120° і 60° між ними. Блиск - скляний. В тонких скалках мінерал напівпрозорий. Твердість 5.0-6,0. Щільність 3,0-3,5 г/см3.

Волокнисті амфіболи (тремоліт, актиноліт та ін.) відносяться до азбестів і широко використовуються для виготовлення термо- та звукоізоляторів. Родовища амфіболів відомі на Північному Уралі.

Піроксени - група алюмосилікатів, які, подібно до амфіболів, складаються зі стрічок кремнієво-кисневих тетраедрів, пов'язаних спільними атомами кисню. Типовими представниками групи піроксенів є авгіт, діопсид, гіперстен.

Авгіт - (Са,Na)(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6 - алюмосилікат кальцію, натрію, магнію, заліза. Назва дана від грецького "авге" - блиск. Складає, головним чином, темноколірні магматичні породи - габро і піроксеніти, в яких знаходиться у вигляді пластинчастих крупнокристалічних агрегатів. Кристали авгіту мають форму восьмигранних стовпчиків і табличок. Колір мінералу зеленувато-чорний і чорний. Блиск - скляний. Мінерал напівпрозорий. Спайність - середня і досконала у двох напрямках під кутом 90°. Твердість 5-6. Щільність 3,2-3,4 г/см3.

...