Процессы минералообразования

Образование минералов и горных пород в природе происходит различными способами, и процессы их образования (генезис), преобразования и распада происходят в соответствии с физико-химическими условиями в земной коре и на ее поверхности.

Возникающие в результате минералы обладают химическим составом и физическими свойствами, которые находятся в равновесии с физико-химическими и биологическими условиями (температурой, давлением и концентрацией элементов) окружающей их обстановки. Если изменяются эти условия целиком или частично, то происходит преобразование или разрушение минерала.

Поэтому одно и тоже химическое соединение в разных физико-химических природных обстановках может быть представлено минералами одинакового химического состава, но с различными кристаллическими решетками и физическими свойствами (явление полиморфизма), как, например, алмаз, графит, имеющие один и тот же химический состав – С (углерод).

Генезис минералов и горных пород определяется геологическими процессами, формирующими земную кору. Последние, в зависимости от места их возникновения, физико-химических и биологических условий среды, разделяются на эндогенные, экзогенные и космогенные.

Эндогенное образование минералов и горных пород

К эндогенным (внутренним) геологическим процессам относятся процессы, происходящие внутри Земли за счет энергии, выделяемой в процессе преобразования вещества в глубинных зонах Земли (главным образом при распаде радиоактивных элементов), а также в результате действия силы тяжести (притяжения Луны и Солнца), вращения Земли вокруг оси, прецессии, нутации земной оси, движения по эллиптической орбите и, отчасти, за счет солнечной энергии. Этому сопутствуют высокие температуры и большие давления в недрах Земли.

Эндогенные процессы сводятся к движению и перераспределению вещества, слагающего Землю, к переходу его из одного состояния в другое при магматизме, тектонических движениях и метаморфизме. Они проявляются внедрением в земную кору глубинного силикатного расплава сложного состава, образованием больших разломов земной коры, протяженностью в тысячи километров и достигающих глубин в несколько сотен километров, формированием грандиозных складчатых систем (Альпы, Кавказ, Гималаи и др.), колебательными движениями земной коры, извержениями вулканов, землетрясениями, физико-химическими преобразованиями.

Эндогенные процессы проявляются в изменении строения земной коры, образовании в ее составе и на ее поверхности различных изверженных пород (граниты, базальты и др.). Они сопровождаются созданием новых форм рельефа земной поверхности и вовлечением в геологические процессы новых химических элементов глубинного происхождения в соединениях (минералах), которые оказывается неустойчивыми в поверхностных условиях.

Образовавшиеся в результате эндогенных процессов минералы способны сохранять свой состав и свойства только при сохранении условий, в которых они сформировались. При перемене температур, высоком давлении, активизации биохимических процессов возникшие минералы будут изменять свой состав и свойства, приспособляя свою структуру к новой обстановке.

Общепринято, что периодически в разных участках земной коры и верхней мантии отдельные объемы вещества переходят в расплавленное состояние, образуя магматические очаги. Находящаяся в них под большим давлением магма способна внедряться в земную кору, образуя различные изверженные (интрузивные) породы, или даже изливаться на поверхность при вулканических извержениях (эффузивные породы). Эндогенные процессы, осуществляя миграцию вещества из недр Земли к ее поверхности, вводят в состав земной коры химические элементы глубинных участков Земли.

Исходные магмы в процессе охлаждения и кристаллизации могут претерпевать изменения, приводящие к расщеплению (дифференциации) их на обособленные пространственно магмы, различающиеся по своему составу. Считают, что этот процесс распадается на две стадии:

  • Первая докристаллизационная, когда магма находится в жидком состоянии.
  • Вторая – кристаллизационной дифференциации.

Предполагают, что магматическая дифференциация может произойти в результате ликвации (расслоения) магмы при понижении ее температуры на две несмешивающиеся жидкости, отличающиеся по составу и удельному весу: более тяжелую – железисто-магнезиальную, сосредотачивающуюся внизу, и более легкую, кислую, обособляющуюся вверху очага.

Равновесие в составе исходных магм может нарушаться также при внедрении их в земную кору, в результате захвата и переплавления (ассимиляции) находящихся на их пути ранее сформированных (в том числе осадочного происхождения) горных пород.

Кристаллизационная дифференциация охлаждающейся магмы начинается тогда, когда из нее начинают выпадать наиболее тугоплавкие минералы. Первыми выделяются железисто-магнезиальные минералы – оливин, затем пироксены, амфиболы и другие (в основном темноокрашенные минералы), которые в силу своего большого удельного веса опускаются на дно очага. В состав этих минералов из расплава уходит относительно небольшое количество кремнезема (36-43%), по сравнению с тем количеством его, которое уходит на образование позднее кристаллизующихся (светлоокрашенных) плагиоклазов и полевых шпатов (43-68,8%). Это приводит к накоплению в верхних частях магматического очага кремнезема и увеличению кислотности остающегося здесь расплава.

При окончательном застывании всего магматического очага внизу его возникнут основные и ультраосновные породы, бедные кремнеземом (до 52%) дуниты, перидотиты, пироксениты и др., а верху – кислые, гранитного состава с содержанием кремнезема больше 65%.

Считают, сто кристаллизационная дифференциация является наиболее достоверным фактором, обуславливающим разнообразие существующих магматических пород . в процессе кристаллизации магмы образуется большое количество разных минералов как в составе самих формирующихся интрузивных массивов, так и за их пределами из выделяемых магмами пневматолитово-гидротермальных эманаций.

Непосредственно в зоне расплава образование минералов и горных пород идет в условиях высоких температур и давлений и остывания образовавшегося интрузивного массива, которое происходит вообще очень медленно (миллионы лет). В минералообразовании, связанном с внедрением в земную кору силикатных расплавов (магмы), можно выделить следующие процессы:

  1. Собственно магматический – образование минералов и горных пород происходит непосредственно из остывающей магмы;
  2. Пневматолито-гидротермальный, когда образование минералов  и горных пород происходит из порождаемых магмой парогазовых смесей (газообразных выделений – пневматолиз и горячих водных растворов – гидротермальный процесс). Следует указать, что преимущественная роль в рассматриваемых процессах минералообразования принадлежит гидротермальным растворам;
  3. Пегматитовый процесс (по А. Е. Ферсману) идет за пределами интрузива в остаточных, вырвавшихся из расплава, легкоподвижных парогазовых смесях, содержащих как элементы магматического расплава, так и щелочные металлы и особенно редкие и редкоземельные элементы. Пегматиты залегают в виде жил, связанных с интрузивом. В образовании пегматитов и слагающих их минералов участвуют как магматогенный, так и пневматолито-гидротермальный процессы. Согласно А. Н. Заварицкому, пегматиты образуются из вмещающих пород (окружающих магматический расплав) путем перекристаллизации и изменения их состава под действием обогащенных летучими компонентами остаточных растворов.

Чрезвычайно большое значение имеет эндогенное минералообразование при метаморфизме (преобразовании) горных пород, осуществляемом в условиях высоких температур и больших давлений. Образование минералов и горных пород при этом происходит в результате контакта магмы с вмещающими интрузию породами, а также воздействия на последние летучих соединений и гидротермальных растворов. Эти растворы могут выделяться магмой и возникать из подземных вод поверхностного происхождения, нагревающихся при опускании их на большие глубины. Метаморфические преобразования происходят и с только что сформировавшимися в интрузии минералами за счет собственного тепла и давлений.

Магматический процесс

Магматическими процессами называются все процессы, с которыми связано образование магмы и магматических пород, а также явления, обусловленные деятельностью магмы. В процессе геологического развития Земли в отдельных ее участках возникают магматические очаги, выполненные силикатным расплавом, магмой, сложного состава с большим количеством летучих соединений (газов-минерализаторов), разных металлов, углекислоты, фтористого и хлористого водорода, паров воды и т.д. считается, что химические элементы находятся в магме в виде комплексных анионов [AlSi3O8] и свободных катионов металлов К+, Са2+ и др.

Застывание вулканической лавы

Магма поднимается по разломам к земной коре и застывает здесь (кристаллизуется) на глубинах нескольких километров или даже может вырываться на поверхность в виде лавы через вулканы. При остывании расплава из него образуются разные минералы, но при кристаллизации магмы на глубине (интрузивный процесс) большую роль играют существующие в недрах Земли высокие температура и давление. В этом случае затруднено выделение из магмы содержащихся в ней летучих газов-минерализаторов и часть их входит в состав образующихся из магмы минералов. Принято считать, что температура кристаллизации в глубинных условиях составляет 900 – 700⁰С. Продолжительность остывания интрузивных тел в недрах Земли, вследствие затруднительности теплообмена магматического расплава с вмещающими породами, может составлять от десятков тысяч лет (для небольших тел) до десятков миллионов лет (для крупных тел размером в десятки километров.

При излиянии магмы в виде лавы на поверхность Земли температура лав колеблется в пределах 1000 – 1200⁰С и изредка достигает 1350⁰С. Содержащие в лаве летучие соединения вызывают взрывы, уходят в атмосферу и лишь в незначительной степени входят в состав возникающих при этом минералов.

В магматическую стадию образуются самые разнообразные минералы, из которых самыми характерными для этой стадии и главными минералами (они составляют 84% в составе изверженных пород) являются силикаты – соли с различными кремнекислородными радикалами. Из других минералов преобладает кварц, являющийся окислом кремния. Уже здесь, помимо кристаллизации из расплава, начинают играть роль процессы минералообразования при участии парообразных и газообразных соединений элементов, получающие самостоятельное развитие в последующую пневматолитовую и гидротермальную стадии минералообразования.

По химическому составу и окраске магматогенных минералов среди них различают цветные и темные минералы, содержащие много железа и магния, и светлые, в которых много кремнезема и алюминия.

К первым относятся: хромит, магнетит, оливин, авгит, роговая обманка, биотит и др.; к светлым – полевые шпаты, лабрадор, мусковит, нефелин, кварц, апатит, алмаз и др. Кроме этого выделяются различные второстепенные (акцессорные) минералы, составляющие не больше 5% от общего объема породы. Из самородных элементов в извержены породах редко встречаются золото, графит и чаще (в основных породах) – платина.

Минералы выделяются из магмы в виде двух рядов реакций в следующей последовательности: в одном ряду раньше всех – апатит, магнетит, циркон и т.д., затем оливин, пироксены, амфиболы и т.д., в другом ряду – плагиоклазы, калиевые полевые шпаты, щелочные пироксены и т.д. и последним в обоих рядах – кварц. Калиевые полевые шпаты, кварц, слюды – это конечные продукты кристаллизации магмы и они образуют эвтектическую смесь. Эвтектический расплав кристаллизуется при температурах более низких, чем отдельные его компоненты. Сочетания компонентов из двух рядов могут кристаллизовываться параллельно (оливин и пироксены с основными плагиоклазами и т.п.).

Как уже отмечалось выше, среди магматогенных минералов главная роль принадлежит силикатам. Это полевые шпаты, оливин, пироксены, амфиболы, слюды (биотит, мусковит), нефелин и другие вещества.

Пневматолито-гидротермальный процесс

Кристаллизация магмы на глубине сопровождается выделением из расплава сначала соединений, летучих при высоких температурах (900 – 1000⁰С) – хлоридов и фторидов кремния, бора, алюминия, олова, титана и других элементов, а затем соединений, летучих даже в условиях земной поверхности (при температурах 375 — 100⁰С) – воды, углекислоты, фтористого и хлористого водорода, хлора, бериллия, бора, сернистого газа и т.д. выделение летучих компонентов происходит как при понижении внешнего гидростатического давления, так и когда внутреннее становится больше внешнего. Из газообразных эманаций и из образующихся из них гидротермальных растворов возникает большое количество разных минералов. Так, в современных и недавно действовавших вулканах, в трещинах обнаружены скопления серы, соды, борной кислоты, поваренной соли и других минералов пневматолитового происхождения. А в хлористых возгонах лав Ключевского вулкана присутствуют в повышенных количествах мышьяк, ртуть, серебро и другие элементы. Промышленного значения такие скопления не имеют.

Гейзеры — источники выхода на поверхность гидротермальных вод

Водяной пар, выделяющийся из остывающей магмы, находится под большим давлением и сгущается при температуре 500 – 350⁰С в воду, которая является сильной и активной кислотой. Такие водные растворы называются ювенильными. Они содержат в себе растворенными ряд элементов и соединений, способны растворять почти все до золота включительно, поэтому они дополнительно обогащаются элементами и соединениями при движении по трещинам в горных породах. Чистая вода сгущается при температуре 374,16⁰С.

Гидротермальные растворы, приближаясь к поверхности Земли (в область пониженных давлений), охлаждаются. По пути движения их происходит беспрерывная смена физико-химических обстановок, из растворов выпадают различные элементы и их соединения в следующей последовательности:

  1. Высокотемпературные ( выпадающие при температуре  400 – 300⁰С).
  2. Среднетемпературные (при 300 – 200⁰С).
  3. Низкотемпературные (при 200 – 30⁰С).

При взаимодействии летучих соединений и образовавшихся из них растворов может происходить образование новых минералов. В образовании новых минералов широко участвуют процессы замещения одних минералов другими (метасоматоз), особенно когда растворы контактируют с химически легко реагирующими породами (например, известняки, доломиты). При метасоматозе растворение прежних минералов и отложение на их месте новых происходит почти одновременно при сохранении породой твердого состояния.

Поверхностные воды, опускаясь на глубину (вадозные воды), повышают свою температуру (до 300⁰С и выше) и образуют также гидротермальные растворы, которые выщелачивают на своем пути различные элементы из вмещающих пород и могут сами стать источником минералообразования.

Из гидротермальных растворов возникает большое количество разнообразных минералов, и образуются жильные месторождения полезных ископаемых. Продолжительность формирования отдельных таких месторождений измеряется сотнями тысяч, миллионами и десятками миллионов лет.

Пневматолито-гидротермальные минералы представлены почти всеми классами минералов. Это – самородные элементы, сернистые соединения, галоиды (отчасти), окислы, карбонаты, сульфаты (отчасти) и вольфрамиты.

Размещение гидротермальных месторождений полезных ископаемых обычно связано с наличием в земной коре полостей тектонического происхождения (трещин) или участков трещиноватых и пористых пород, по которым могут продвигаться минеральные растворы. Минералы гидротермального происхождения: золото, сера, пирит, галенит, сфалерит, киноварь, халькопирит, антимонит, молибденит, флюорит, кварц, касситерит, кальцит, арагонит, сидерит, доломит, магнезит, барит, вольфрамит, шеелит. Типичные месторождения: кварцево-золоторудное на Урале, касситерит-сульфидное в Восточной Сибири, вольфрамитовые в Забайкалье, свинцово-цинковые на Алтае, сурьмы, ртути, мышьяка в Средней Азии, в Донбассе.

Пегматитовый процесс

Пегматиты образуются из вмещающих пород (окружающих магматический расплав) путем перекристаллизации и изменения их состава под действием обогащенных летучими компонентами остаточных растворов. Образование их происходит в два этапа:

  1. На первом этапе тело пегматита формируется в результате кристаллизации остаточного расплава – последних порций магмы, оставшихся после кристаллизации большей части магмы. В том случае, когда содержащиеся в магме летучие компоненты могут быстро выделиться из нее (вследствие трещиноватости или пористости вмещающих пород), образуется мелкозернистая кварцево-полевошпатовая порода – аплит. Но когда минерализаторы не могут быстро выделиться, кристаллизация магмы будет происходить медленно, сопровождаясь образованием крупных кристаллов, характерных для пегматитов.
  2. На втором этапе образовавшиеся пегматиты преобразовались в результате воздействия на них пневматолитовых и гидротермальных процессов.

Согласно другой точке зрения, пегматиты возникают из обычных магматических пород (гранитов]], гранитов-аплитов и т.д.) путем перекристаллизации и метасоматического преобразования участков, наиболее доступных этим процессам. Превращение в пегматиты исходных магматических пород совершается под влиянием глубинных газоводных растворов, проникающих в пористые и трещиноватые участки пород (процессы метаморфизма).

Таким образом, пегматиты образуются в две стадии и в формировании их участвуют как магматические, так и постмагматические процессы.

Пегматиты образуются в виде жил и линзовидных образований как внутри интрузивных тел, так и во вмещающих их породах. Минералы этой группы характеризуются крупной зернистостью и иногда гигантскими размерами (несколько метров) слагающих их минералов. Пегматиты могут быть генетически связаны с разными магматическими породами – от кислых до ультраосновных. Среди них наибольшим распространением пользуются гранитные пегматиты, состоящие из кварца, полевых шпатов и слюды. Содержание мусковита в отдельных случаях составляет 10-20%, а вес отдельных кристаллов его достигает одной тонны. Для гранитных пегматитов характерен часто встречающийся своеобразный рисунок прорастания плагиоклазов кварцем («еврейские письмена»).

Различают пегматиты простого состава (кварц, полевые шпаты, слюда) и сложного состава, в которых, кроме упомянутых, встречаются изумруды, топаз, турмалин, берилл, апатит, а также редко встречаемые в других эндогенных месторождениях соединения лантана, бериллия, олова, цезия, тантала, ниобия, циркония, лития, урана, редких земель, а также пьезокварца. Из рудных минералов в пегматитах сложного состава встречаются вольфрамит, касситерит, молибденит и другие минералы, имеющие, однако, большее распространение в метаморфических и гидротермальных месторождениях. Указанные выше минералы имеют более позднее, чем основная масса пегматита, пневматолито-гидротермальное происхождение (главным образом за счет перекристаллизации и метасоматического замещения ранее образовавшихся минералов). Для таких (сложных) пегматитов характерно замещение полевых шпатов (главным образом микроклина) альбитом (плагиоклаз). В результате метасоматических преобразований первоначального материала пегматитовых жил и создавались все минералы, содержащие редкие элементы и крупнокристаллические промышленно ценные слюды. Месторождения пегматитов известны на Кольском полуострове, в Забайкалье и других местах.

Экзогенное образование минералов и горных пород

К экзогенным процессам относятся процессы, развивающиеся в результате взаимодействия горных пород и минералов земной коры с атмосферой, гидросферой и биосферой. Существенное значение в развитии экзогенных процессов имеет техногенная деятельность человека. Большую роль в экзогенных процессах играет сила тяжести (гравитация), электромагнитное поле Земли, потоки солнечной энергии и вещества из космоса, деятельность организмов и человека. При этом происходит поверхностное разрушение и преобразование минералов, созданных эндогенными процессами в верхних горизонтах земной коры и на ее поверхности как без участия высоких температур и больших давлений, так и с участием – при падении метеоритов, астероидов.

Ранее созданные минералы подвергаются химической, механической, биохимической и антропогенной переработке, что приводит к образованию новых минералов, в соответствии с возникающими физико-химическими условиями в отдельных толщах земной коры на ее поверхности. Выделяется несколько способов экзогенного минералообразования:

  1. Гипергенное (при химическом выветривании),
  2. Кристаллизация из перенасыщенных истинных растворов,
  3. Коагуляция коллоидных растворов (в основном при смешивании их с диэлектриками),
  4. Переход вещества их хорошо растворимого состояния в менее растворимое и биогенное, т.е. минералообразование в процессе жизнедеятельности организмов.

Космогенное образование минералов и горных пород

К космогенным процессам относится образование минералов и горных пород во внеземном пространстве и выпадение их на Землю в составе метеоритов и космической пыли. В метеоритах встречаются самородное железо, алмазы, пироксены, оливин и другие минералы.

Таким образом, эндогенные процессы обуславливают начало «жизни» химических элементов и образуемых ими минералов в земной коре. Второй этап жизни минералов связан с экзогенными процессами. Метаморфические процессы минералообразования происходят тогда, когда ранее образовавшиеся магматические и осадочные породы подвергаются воздействию относительно высоких температур и давлений, преобразовывающих породы и слагающие их минералы.