134 |
Общая часть |
можно было бы сделать достоверные выводы. Детальное минералогическое картирование, проведенное к настоящему времени на большом ряде рудных месторождений различного генезиса, позволило выделить целые комплек сы типоморфных признаков минералов, на основании которых удается пред сказывать масштабы месторождений, глубину эрозионного среза и перспек тивы обнаружения богатого оруденения на глубоких горизонтах.
4.2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ
Для выяснения условий генезиса (происхождения) какого либо дан ного комплекса минералов важно не только установить способ их обра зования, но также увязать его с теми геологическими процессами, кото рые совершаются в земной коре и приводят к образованию самых различных по составу горных пород и руд месторождений полезных ис копаемых. Эти вопросы детально освещаются в специальных курсах пет рографии и учения о месторождениях полезных ископаемых. Здесь мы приведем лишь самые общие положения по этим вопросам, поскольку в дальнейшем это будет необходимо при описании отдельных минералов.
Все минеральные массы, возникшие в результате тех или иных геоло гических процессов, по источнику энергии, за счет которой они происхо дили, делятся на следующие две главные генетические группы:
1)эндогенные (изнутри рожденные), образующиеся при процессах, протекающих за счет внутренней тепловой энергии земного шара; мине ралы, возникающие в результате этих процессов, являются продуктами магматической деятельности (в широком смысле слова), горные породы
иместорождения полезных ископаемых образуются в результате крис таллизации самой магмы и различных отщеплений от нее; процессы ми нералообразования протекают на различных глубинах и при различных, но обычно высоких температурах;
2)экзогенные (извне рожденные), возникающие при процессах, совер шающихся за счет внешней солнечной энергии, получаемой поверхнос тью земного шара, источником вещества являются обнажившиеся и раз рушающиеся на поверхности Земли разнообразные породы и руды различного происхождения; процессы минералообразования развивают ся в самой поверхностной части земной коры при низких температурах и давлениях, близких к атмосферному, в условиях взаимодействия физи ческих и химических агентов атмосферы, гидросферы и биосферы.
Как эндогенные, так и экзогенные минеральные массы после своего образования при изменившихся внешних условиях существования пре терпевают те или иные превращения (метаморфизм). Особенно сильные превращения в составе и строении минеральных масс происходят при так называемом региональном метаморфизме, когда массы горных пород и связанные с ним месторождения вследствие тектонических нарушений попадают из областей их первоначального образования в более низкие
Глава 4. Образование минералов в природе |
135 |
зоны земной коры. Эти процессы глубинного метаморфизма совершают ся в условиях относительно высоких температур и давлений и пользуют ся весьма широким распространением в земной коре.
Эндогенные процессы минералообразования
Наши знания об эндогенных процессах минералообразования основы ваются на представлениях о деятельности магматических очагов, распола гающихся в нижних частях земной коры. Сами процессы, совершающиеся на значительных глубинах, недоступны нашему наблюдению. Лишь в рай онах действующих на земной поверхности вулканов мы можем получить некоторые данные, позволяющие иметь суждение о глубинных процессах. С другой стороны, данные изучения состава, структурных особенностей, условий залегания и взаимоотношений различных изверженных пород и пространственно связанных с ними месторождений полезных ископаемых также дают возможность получить некоторые представления (в соответ ствии с физико химическими законами) о закономерностях, свойственных эндогенным процессам минералообразования.
Согласно этим представлениям, магмы являются сложными по соста ву силикатными огненно жидкими расплавами, в которых принимают участие и летучие составные части.
Втех случаях, когда значительные массы магмы в силу тех или иных при чин, не достигая самой поверхности, проникают в верхние части земной коры, они под большим внешним давлением подвергаются медленному остыва нию и дифференциации, продукты которой в результате кристаллизации дают начало различным изверженным силикатным породам. При этом тя желые металлы (такие как Sn, W, Mo, Au, Ag, Pb, Zn, Сu и др.), присутству ющие в магмах в ничтожных количествах, образуют с летучими компонен
тами (Н2О, S, F, Cl, В и др.) легко растворимые соединения и по мере кристаллизации магмы концентрируются в верхних частях магматических очагов. В одних случаях с их помощью образуются остаточные силикатные растворы, при кристаллизации которых возникают так называемые пегма титы, содержащие минералы с F, В, Be, Li, Zr, а иногда с редкоземельными элементами и др. В других случаях они в виде газообразных продуктов уда ляются из магматических очагов, оказывая сильные контактные воздействия на вмещающие породы, с которыми вступают в химические реакции. Нако нец, в виде водных растворов — гидротерм — они уносятся вдоль трещин в кровлю над магматическими массивами, образуя нередко богатые месторож дения главным образом металлических полезных ископаемых.
Лишь немногие тяжелые металлы остаются в магме и в процессе ее дифференциации концентрируются в некоторых горных породах внутри магматических массивов.
Втех случаях, когда магма достигает земной поверхности и изливает ся в виде лав, летучие компоненты, освобождающиеся при этом, уходят
ватмосферу.
136 |
Общая часть |
В соответствии с указанной последовательностью развития магмати ческого цикла явлений различают следующие этапы эндогенных процес сов минералообразования: 1) магматический (в собственном смысле сло ва); 2) пегматитовый; 3) пневматолито гидротермальный.
1. Магматические процессы совершались во все геологические эпохи
иприводили к образованию огромных масс изверженных горных пород. По условиям образования различают прежде всего две главные груп
пы этих пород: а) эффузивные (экструзивные), т. е. излившиеся на зем ную поверхность в виде лав или быстро застывшие в непосредственной близости ее в условиях низкого внешнего давления; б) интрузивные, мед ленно застывшие на глубине под высоким давлением в виде больших грибообразных, пластообразных и неправильной формы массивов. Эф фузивные породы при быстром остывании не успевают полностью рас кристаллизоваться и потому в своем составе содержат в том или ином ко личестве вулканическое стекло и часто обильные округлые пустоты (в пузыристых лавах), свидетельствующие о выделении газообразных про дуктов вследствие резкого уменьшения внешнего давления. Интрузивные породы, наоборот, представляют собой полнокристаллические породы.
Явления дифференциации в магмах, как было указано, приводят к образованию различных по химическому и минеральному составу и удельному весу горных пород. В зависимости от содержания кремнезема и других компонентов среди изверженных пород различают:
а) ультраосновные, богатые MgO и FeO, но наиболее бедные SiO2 (< 45 %): дуниты, пироксениты — в интрузивных и пикриты — в эффу зивных комплексах;
б) основные, более богатые SiO2 (45–55 %) и богатые Аl2О3 и CaO, но более бедные MgO, FeO; габбро, нориты — в интрузивных и базальты и диабазы — в эффузивных комплексах;
в) среднекислые по содержанию SiO2 (55–65 %), более бедные CaO, но обогащенные щелочами: диориты, кварцевые диориты — в интрузивных, порфириты, андезиты и др. — в эффузивных комплексах;
г) кислые, богатые SiO2 (> 65 %), но еще более богатые щелочами и более бедные, по сравнению с предыдущими, CaO, FeO, MgO: граноди ориты, граниты и другие породы — в интрузивных; липариты, кварцевые порфиры и прочие породы — в эффузивных комплексах.
На рисунке 52 представлены данные содержаний элементов в виде раз личных окислов для главнейших представителей интрузивных пород. На этой диаграмме легко видеть, как меняется состав ультраосновных, ос новных среднекислых и кислых изверженных горных пород.
Несколько особняком от них стоит семейство бескварцевых нефелино вых сиенитов (SiO2 около 55 %), более богатых щелочами и Аl2О3, чем гра ниты, а также фонолитов, лейцитофиров и других эффузивных комплексов.
В ряде интрузивных массивов, где дифференциация магмы прояви лась более совершенно, кислые разности пород располагаются в верхних
Глава 4. Образование минералов в природе |
137 |
|
частях, а более тяжелые по |
|
|
удельному весу основные и |
|
|
ультраосновные породы — |
|
|
в более глубоких частях, |
|
|
у нижней границы массивов. |
|
|
Рудные месторождения |
|
|
магматического происхожде |
|
|
ния встречаются лишь в уль |
|
|
траосновных и основных из |
|
|
верженных породах. К ним |
|
|
принадлежат месторождения |
|
|
Cr, Pt и других металлов пла |
|
|
тиновой группы, а также Сu, |
|
|
Ni, Co, Fe, Ti и др. |
Рис. 52. Диаграмма составов |
|
В богатых щелочами ин |
|
|
трузивных породах (нефели |
главнейших интрузивных пород |
|
новых сиенитах) встречают ся месторождения редких земель — ниобия, тантала, титана, циркония,
и неметаллических полезных ископаемых — фосфора (апатита), глино земного сырья (нефелина) и др.
2. Процессы образования пегматитов протекают в верхних краевых частях магматических массивов и притом в тех случаях, когда эти масси вы формируются на больших глубинах (несколько километров от повер хности Земли) в условиях высокого внешнего давления, способствующего удержанию в магме в растворенном состоянии летучих компонентов, ре агирующих с ранее выкристаллизовавшейся породой.
Пегматиты как геологические тела1 наблюдаются в виде жил или не правильной формы залежей, иногда штоков, характеризующихся необы чайной крупнозернистостью минеральных агрегатов. Мощность жилооб разных тел достигает нередко нескольких метров, а по простиранию они обычно прослеживаются на десятки, реже сотни метров. Большей частью пегматитовые тела располагаются среди материнских изверженных по род, но иногда встречаются в виде жилообразных тел и во вмещающих данный интрузив породах.
Необходимо указать, что пегматитовые образования наблюдаются среди интрузивных пород самого различного состава, начиная от ультра основных и кончая кислыми. Однако наибольшим распространением
1 С этим понятием о пегматите нельзя смешивать чисто структурный термин «пегма тит», обозначающий смесь кварца и полевого шпата, закономерно проросших друг дру га и притом в определенных количественных соотношениях («письменный гранит», «ев рейский камень»). Подобные образования распространены главным образом в гранитных пегматитах.
138 |
Общая часть |
пользуются пегматиты в кислых и щелочных породах. Пегматиты основ ных пород не имеют практического значения.
По своему составу пегматиты немногим отличаются от материнских пород: главная масса их состоит из тех же породообразующих минералов. Лишь второстепенные (по количеству) минералы, да и то не во всех типах пегматитов, существенно отличаются по составу, так как содержат ценные редкие химические элементы, часто в ассоциации с минералами, содержа щими летучие компоненты. Так, например, в гранитных пегматитах в до полнение к главнейшим породообразующим минералам (полевые шпаты, кварц, слюды) наблюдаются фтор и борсодержащие соединения (топаз, турмалины), минералы бериллия (берилл), лития (литиевые слюды), иног да редких земель, ниобия, тантала, олова, вольфрама и др.
Во многих пегматитовых телах наблюдается зональное строение и до вольно закономерное распределение минералов. Например, в пегматитах Мурзинского района на Урале (рис. 53) внешние зоны у контакта с вме щающими гранитами сложены светлой тонкозернистой породой (апли том). Ближе к центральной части жилы они сменяются зонами «письменного грани та» (кварца и полевого шпата, закономерно проросших друг друга). Далее следуют зоны ги гантокристаллических масс полевого шпата и кварца.
В центральных участках пег матитовой жилы встречаются полости («занорыши»), стен ки которых устланы друзами крупных, хорошо образован ных кристаллов горного хру сталя, топаза и других драго ценных камней.
В тех случаях, когда пег матиты проникают во вме щающие интрузив породы, особенно богатые щелочны ми землями (MgO, CaO), их минеральный состав суще ственно отличается от соста ва пегматитов, залегающих в материнских породах. Пара генезис минералов в этих слу чаях указывает на активные
Глава 4. Образование минералов в природе |
139 |
реакции, происходившие в процессе взаимодействия растворов с вме щающими породами. Устанавливаются такие ассоциации минералов, в составе которых участвуют не только элементы магмы (Si, Al, щелочи и др.), но и боковых пород (MgO и CaO), которые на контакте с пегмати тами сами сильно изменяются. Такого рода пегматиты по классифика ции А. Е. Ферсмана относятся к пегматитам «линии скрещения», в от личие от вышерассмотренных пегматитов «чистой линии».
Происхождение пегматитов еще нельзя считать до конца разгаданным. А. Е. Ферсман рассматривал их как продукт кристаллизации остаточных расплавов, обогащенных летучими соединениями. Позже акад. А. Н. За варицкий и его последователи на основании физико химических сообра жений допускали возможность образования крупнокристаллических масс путем перекристаллизации материнских пород под влиянием газов, на капливающихся в магматическом остатке, получающемся в процессе кри сталлизации магмы. Однако в том и другом случаях пегматиты образу ются в конце собственно магматического процесса и занимают как бы промежуточное положение между глубинными магматическими порода ми и рудными гидротермальными месторождениями.
3. Пневматолитоjгидротермальные процессы по существу являются уже явно постмагматическими, т. е. протекают после того, как главный про цесс кристаллизации магмы в глубинном массиве в основном закончился.
Явления собственно пневматолиза (от греч. пневма — газ) могут иметь место в тех случаях, когда расплавы, насыщенные летучими компонентами, кристаллизуются в условиях пониженного внешнего давления. Вследствие этого в известный момент происходит вскипание, остаточная жидкость пере ходит в газ, сосуществующий с ранее выделившимися твердыми минералами, и происходит дистилляция (перегонка) вещества. Процессы этого рода долж ны совершаться в тех случаях, когда магмы застывают на малых глубинах.
На больших и средних глубинах отделяющиеся от расплава летучие компоненты (включая воду) представляют собой флюид (надкритический раствор), находящийся в относительном равновесии с кристаллизующи мися из расплава минералами. Однако такой флюид не равновесен со вмещающими породами и поэтому является по отношению к ним агрес сивной средой. В этом случае флюид устремляется к вмещающим поро дам и, химически реагируя с ними, производит так называемый кон' тактовый метасоматоз. При этом в боковых породах (в кровле), пропитывающихся растворами, протекают химические реакции. Степень преобразования и состав получающихся продуктов в значительной мере зависят не столько от температуры, сколько от химической активности ра створа и состава реагирующих с ними пород. Наблюдениями установлено, что наиболее интенсивные изменения происходят среди контактирующих с магматическими массивами известняков и других известковистых пород. В результате реакций в этих случаях путем замещения, или, как говорят,
140 |
Общая часть |
Рис. 54. Схема геологического разреза контактово метасоматического месторождения. Черным показаны рудные залежи (магнетитовые руды)
метасоматоза, образуются так называемые скарны (рис. 54), состоящие пре имущественно из силикатов Са, Fe, Аl и др. Химический состав их пока зывает, что источником для их образования послужили как вмещающие породы (известняки, доломиты и др.), так и составные части магмы. Ха рактерно, что вдоль контакта, как это показали наши ученые (А. Н. Зава рицкий и Д. С. Коржинский), одновременно происходит изменение и в интрузивных породах, успевших застыть к моменту проявления описы ваемого процесса. При этом минералы магматических пород замещаются новообразованиями, состав которых показывает, что имеет место привнос элементов из карбонатных толщ (Са, Mg). В связи со скарнами нередко образуются крупные месторождения железа (гора Магнитная на Ю. Ура ле), иногда вольфрама, молибдена и некоторых других металлов.
Воздействие обогащенных фтором и редкими элементами флюидов на сложенные терригенными осадочными породами породы кровли гра нитоидных интрузий приводит к образованию грейзенов, существенно кварцевых пород, обогащенных слюдами, топазом, бериллиевыми мине ралами и флюоритом. Грейзены нередко вмещают руды вольфрама, мо либдена, олова и висмута.
В том случае, когда магмы извергаются на земную поверхность, ог ромные количества летучих соединений (в виде так называемых эксга ляций) выносятся в атмосферу. Однако в трещинах остывших лав, на стен ках кратеров вулканов и в окружающих других породах часто можно наблюдать образование продуктов возгона (сублимации) таких минера лов, как самородная сера, нашатырь, гематит, киноварь, минералы бора и др. Отмечаются и метасоматические реакции, но они выражены слабее, чем в предыдущем случае.
Струи газообразных продуктов вулканизма могут отлагать значитель ные количества минерального вещества и при подводных извержениях. В этих условиях смешение газов с морской водой приводит к пневмато лито гидротермальному образованию конических сульфидных построек
Глава 4. Образование минералов в природе |
141 |
(черных курильщиков), содержа щих заметные концентрации желе за, цинка, меди и серебра.
Гидротермальные процессы
вглубинных условиях развиваются
вкровле, на некотором удалении от непосредственного контакта с из верженными породами. Согласно гипотезе У. Эммонса (ок. 1930) кис лая магма является источником как воды гидротермальных растворов, так и металлов, переносимых в раст воренной форме из магматического очага в области рудоотложения. Остаточные надкритические раст
воры (флюиды), используя для сво |
Рис. 55. Общая схема расположения |
|
его продвижения системы трещин, |
||
гидротермальных образований. Крестика |
||
возникающих при внедрениях маг |
ми показаны изверженные породы |
|
мы в кровле магматических очагов |
|
(рис. 55), постепенно охлаждаются и при температурах от 400 до 370 °С сжижаются, превращаясь в горячие водные растворы — гидротермы.
Наиболее благоприятные условия для проявления гидротермальных процессов создаются на малых и средних глубинах (до 3–5 км от поверх ности). Главная масса гидротермальных образований пространственно и генетически связана с интрузивами кислых пород (гранитов, гранодио ритов и др.). Сфера циркуляции раствора, начинаясь почти от верхних частей магматических очагов, достигает иногда дневной поверхности. В районах проявления недавнего вулканизма до сих пор действуют горя чие минерализованные источники, отлагающие кремнистые осадки с ве сомыми количествами сернистых соединений Hg, Sb, As, Pb, Cu и др. (Стимбот Спрингс в Неваде, Сольфор Бэнк в Калифорнии и др.).
По мере удаления от магматических очагов в сторону земной поверх ности гидротермальные растворы встречают среду, постепенно обогаща ющуюся кислородом; при этом внешнее давление соответственно пада ет; температуры снижаются предположительно от 400 до нескольких десятков градусов. Эти факторы, естественно, влияют на ход химичес ких реакций и на минеральный состав гидротермальных образований. По преобладанию тех или иных ассоциаций минералов эти образования совершенно условно делят на высоко , средне и низкотемпературные. Это, конечно, не означает, что среди высокотемпературных образований не могут встречаться ассоциации минералов, кристаллизующихся при низ ких температурах. Даже в пегматитах и контактово метаморфических об разованиях всегда устанавливаются более низкотемпературные минералы
142 |
Общая часть |
гидротермального происхождения. Они свидетельствуют лишь о заклю чительных стадиях процесса отложения минералов, начавшегося при вы соких температурах.
Образование гидротермальных растворов продолжается, очевидно, весьма длительное время — в течение всего периода жизни магматичес кого очага. На основании анализа фактических данных о соотношениях различных месторождений, составляющих один рудный узел, С. С. Смир нов пришел к выводу о прерывистом движении рудоносных растворов в связи с неоднократным возобновлением процессов трещинообразования. Об этом говорят нередко наблюдающиеся признаки наложения более поздних стадий минерализации на более ранние.
Формы минеральных тел зависят от конфигурации выполняемых пустот и отчасти от состава горных пород, в которых происходит цир куляция растворов. В случае заполнения трещин образуются преры вающиеся жилы (рис. 56), корни которых иногда залегают в верх них частях магматических масси вов. При отложении минералов в мельчайших порах и пустотах обра зуются вкрапленники. Если раст воры на своем пути встречают хими чески легко реагирующие породы (например, известняки), то возни кают часто неправильной формы
метасоматические залежи. Если растворы внезапно попадают в большие раскрывшиеся полости, то вследствие резкого уменьше ния давления должно происхо дить массовое испарение раство рителя (воды), а в связи с этим, по крайней мере в первое время, — резкое пересыщение растворов и выпадение колломорфных масс,
сложенных сферолитовыми агрегатами. Широко распространены так же пустоты с друзами различных кристаллов.
Данные по растворимости рудных компонентов в солевых водных растворах показывают, что объемы гидротерм, которые способны генери ровать даже очень крупные интрузии (типа батолитов), недостаточны для выноса из магматического очага тех количеств металлов, которые запасе ны в гидротермальных залежах. Это привело к пересмотру взглядов на единство источников для части металлов и гидротермальных растворов. В настоящее время признается, что в образовании гидротермальных жил