Горные породы

В отличие от минералов, горные породы чаще всего не однородны. Это как бы агрегаты, состоящие из различных минералов. Но при всем многообразии эти агрегаты, как и слагающие их минералы, закономерно повторяются в земной коре. При этом не только состав входящих в них минералов, но и структура и другие свойства зависят прежде всего от того, где, на какой глубине и в каких условиях они образовались.

По условиям образования все горные породы делятся на три большие группы: магматические, осадочные и метаморфические. Магматические горные породы. Глубоко в недрах Земли господствуют высокие температуры. На глубине около 100 км температура уже столь высока, что большинство горных пород должно было бы расплавиться, если бы этому не препятствовало огромное давление, достигающее нескольких десятков тысяч атмосфер. Но вот местами в земной коре возникают гигантские трещины — глубинные разломы. Там, где прошла зона разлома, давление резко падает, и тогда создаются условия для плавления глубинных горных пород; образуется огненно-жидкий силикатный расплав — магма.

В магматических горных породах часто встречаются минералы: оливин (на переднем плане), плагиоклаз (слева), роговая обманка (в центре), полевой шпат и кварц, из которых состоит горная порода, гранитный пегматит (справа).

Как шипучий напиток насыщен газом, так и магма насыщена парами воды, углекислым и сернистым газами, хлором и другими летучими веществами. Под давлением растворенных в ней газов магма устремляется к поверхности Земли. В тех случаях, когда она достигает поверхности, мы являемся свидетелями грозного и величественного явления природы — извержения вулкана. Через громадную конусообразную воронку — жерло вулкана — вырываются клубы газа, паров и пепла. Это та вспененная часть магмы, которая движется впереди колонны поднимающегося расплава. Вместе с газовыми тучами и пеплом из жерла, подобно артиллерийским снарядам, вылетают раскаленные светящиеся вязкие обломки — вулканические бомбы. Вслед за ними по склонам вулкана растекается огненная река — это вышедшая на поверхность и потерявшая при этом значительную часть газов и паров воды магма, которую обычно называют лавой. Застывая и частично кристаллизуясь на поверхности Земли, лава, в зависимости от ее химического состава, превращается в горную породу — базальт, андезит, дацит или липарит. Это так называемые излившиеся, или эффузивные, горные породы, отличительной особенностью которых является присутствие в их составе вулканического стекла — не успевшей закристаллизоваться части магматического расплава.

Вулканическое стекло скрепляет, цементирует минералы, выделившиеся из расплава еще в тот период, когда он поднимался к поверхности или в процессе своего подъема на некоторое время останавливался в глубоких горизонтах земной коры. Такие минералы называют вкрапленниками.

Однако не всегда магматическому расплаву удается достичь поверхности Земли — тогда кристаллизация его происходит на некоторой глубине, часто достигающей 5 и более километров. Остывание происходит здесь медленно, газы и пары воды под большим давлением вышележащих пород надолго сохраняются в кристаллизующейся магме и в значительном количестве входят в состав выделяющихся из расплава минералов. Из застывшей в глубинных условиях магмы образуются такие горные породы, как габбро, диорит и гранит. Их отличает полнокристаллическое строение, стекла в этих породах нет, а минералы, из которых они состоят, часто достигают крупных размеров. Горные породы, образовавшиеся в результате кристаллизации магматического расплава на глубине, называются интрузивными.

Магма состоит из химических соединений, в которые главным образом входят кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий и калий. В меньшем количестве в расплаве содержится титан и марганец. Кроме того, в магме растворено некоторое количество воды, углекислоты, сернистого газа, хлора и других легколетучих веществ.

Перемещаясь в верхние горизонты земной коры, магма теряет тепло, постепенно остывая. При этом первыми начинают выделяться из расплава наиболее тугоплавкие минералы: магнезиально-железистые силикаты — оливины и пироксены, а также полевые шпаты, обогащенные кальцием. Плотность этих минералов, их удельный вес выше плотности расплава, и поэтому они медленно опускаются в нижние части магматического бассейна — того пространства, которое занято кристаллизующейся магмой. Вместе с ними на дно опускаются и рудные минералы, в состав которых входят тяжелые металлы — платина, хром, никель, кобальт и др.

В верхней части магматического бассейна накапливаются минералы, температура кристаллизации которых заметно ниже, а удельный вес меньше. Это кварц и полевые шпаты, обогащенные калием и натрием. Здесь же, в верхней части расплава, собираются и легколетучие, самые низкоплавкие вещества — газы и пары воды. Поэтому здесь выделяются и те минералы, в состав которых входит вода и газы — слюды (биотит и мусковит) и амфиболы. Так в процессе остывания и. кристаллизации сначала однородной магмы происходит ее разделение на части, отличающиеся по химическому и минеральному составу.

Пока мы не располагаем достаточными данными о природе и составе родоначальной магмы, из которой могло бы возникнуть все многообразие существующих в природе магматических горных пород. В настоящее время ученые предполагают, что в недрах Земли периодически возникают различные по составу магматические расплавы. Они образуются на глубинах в 100 и более километров за счет частичного или полного плавления залегающих там горных пород. Основные магмы обогащены магнием, железом и титаном. В составе кислых магм значительно больше кремнезема, алюминия и щелочных металлов и меньше магния и железа.

Образовавшиеся из магматических расплавов горные породы по составу делятся на несколько больших групп. В основу их разделения положено содержание в горной породе кремнезема — окиси кремния. Различают основные горные породы — бедные кремнеземом и богатые магнием и железом; средние — более богатые кремнеземом, алюминием и кальцием, но несколько обедненные магнием и железом и, наконец, кислые — наиболее богатые кремнеземом, калием и натрием и обедненные магнием, железом и кальцием.

При кристаллизации основной магмы из тугоплавких и тяжелых минералов — оливина, пироксена и кальциевого полевого шпата — образуются такие интрузивные горные породы, как дунит, перидотит и габбро. Они содержат скопления самородной платины, хромитовой руды, никеля и кобальта.

Более легкоплавкие минералы — кварц, щелочные шпаты и слюды — при кристаллизации кислой магмы входят в состав другой интрузивной горной породы — гранита. Если же магматический расплав, из которого образуется габбро, появляется на поверхности Земли, то получается базальт, состоящий из оливина, пироксена, кальциевого полевого шпата и вулканического стекла.

Лава кислого (гранитного) состава, застывая на поверхности Земли, образует липарит, состоящий из щелочных полевых шпатов, кварца, биотита и опять-таки вулканического стекла. Из самой легкоплавкой, наиболее насыщенной газами и парами воды верхней части кислого магматического расплава в глубинных условиях образуются гранитные пегматиты. Эти породы в основном состоят из тех же минералов, что и граниты (кварца, полевых шпатов и слюд), но более крупных, иногда гигантских размеров. В дополнение к главным минералам в пегматитах содержатся топаз, турмалин, берилл, литиевые слюды, минералы редких земель, олово и вольфрам. Образование их происходит при обязательном участии газов и паров воды, которые выносят из магматического расплава часть растворенных в нем рудных элементов и обогащают ими минералы пегматитов. Вот почему пегматиты нередко являются источником ценнейших месторождений полезных ископаемых.

Известняки в основном состоят из радиолярий и раковин моллюсков. На снимке: радиолярии простейшие организмы с кремневым скелетом.

На некотором удалении от остывающей магмы газы и пары воды конденсируются, превращаясь в горячие водные растворы — гидротермы. Попадая в трещины и пустоты, возникшие в горных породах при внедрении магматического расплава, гидротермальные растворы охлаждаются и из них выпадают иногда хорошо ограненные кристаллы кварца, флюорита, пирита, галенита, сфалерита и других минералов. Так образуются гидротермальные месторождения, из которых добывается главная масса таких редких и важных для промышленности металлов, как вольфрам, молибден, свинец, олово, висмут, сурьма, мышьяк, золото, серебро и многие другие.

Мрамор — метаморфизированный известняк — добывается с помощью механических пил, распиливающих монолит на блоки.

Изучая магматические горные породы, состав и свойства их минералов, геологи получают возможность предсказывать, в каких местах следует искать те или другие полезные ископаемые, связанные своим происхождением с магматическими расплавами. Изучение магматических горных пород — этих посланцев глубин — позволяет геологам как бы заглянуть в недра Земли на десятки километров и узнать, как идут там физико-химические процессы, приводящие к образованию глубинных магматических горных пород и минералов.

Осадочные горные породы. Уже само название этих горных пород — осадочные — указывает на способ их образования: они осаждаются на дне океанов и морей, рек и других водоемов.

Под влиянием ветра, текучих вод, суточных и годовых колебаний температуры разрушаются скалы. Образовавшиеся обломки горных пород разных размеров уносятся ручейками и реками. Самые крупные обломки собираются на дне рек неподалеку от разрушающихся горных хребтов. Обломки меньших размеров и песок уносятся реками на далекие расстояния и отлагаются в прибрежной части морей и океанов. В глубоководной зоне океанов и морей, отстоящей на сотни километров от области сноса обломочного материала, на дно опускаются мельчайшие глинистые частицы. Так в процессе переноса осуществляется сортировка обломков по крупности. Наиболее крупные осаждаются вблизи разрушающихся гор, наиболее мелкие (глинистые частицы) — в глубоководной части морей и океанов. Осевшие на дно обломки пород и минералов под нагрузкой вышележащих осадков уплотняются, цементируются, превращаясь в такие горные породы, как конгломерат, песчаник, глинистый сланец.

Метаморфические горные породы: слева — бюст из мрамора, под ним — гнейс; справа от бюста — разновидности яшмы, дальше — кварцит; на заднем плане — змеевик; вверху — барельеф из яшмы.

Все это так называемые осадочные горные породы обломочного происхождения. Они залегают в виде слоев, которые можно увидеть на крутых склонах оврагов, берегах рек и морей.

В морях, океанах и некоторых озерах растворено большое количество солей кальция, магния, калия, натрия и других элементов. При изменении температуры и испарении концентрация солей увеличивается и из воды начинают выделяться кристаллические осадки, накапливающиеся на дне водоемов. В дальнейшем они уплотняются, цементируются и перекристаллизовываются, причем частично изменяется и их состав. В результате этих процессов образуются горные породы — мергели, гипс, поваренная соль, сульфатные и хлорные соли магния, кальция и калия. Это тоже осадочные породы, но не обломочного, а химического происхождения. Многие из этих пород используются в народном хозяйстве в качестве полезных ископаемых.

Озера, моря и океаны населены животными и растительными организмами: рыбами, рачками, улитками, кораллами и различными водорослями. В теплых морях одни животные и растения, в холодных — другие. Скелеты морских организмов, их панцири и раковины бывают известковистыми, кремнистыми или фосфатными. Погибая, морские животные опускаются на дно. Мягкие части их разлагаются, а скелеты или панцири, накапливаясь и уплотняясь, образуют мощные толщи известняков, кремнистых пород и фосфоритов. За счет растительных и отчасти животных остатков при их захоронении на дне древних озер и болот образовались горючие полезные ископаемые — угли, горючие сланцы, нефть, твердые битумы и т. д. Все эти породы, возникшие в результате жизнедеятельности организмов, называются осадочными породами биогенного происхождения (по-гречески «биос» — жизнь).

Итак, осадочные породы по способу происхождения делятся на три большие группы: 1) обломочные, 2) химические и 3) биогенные. Изучая осадочные породы и заключенные в них скелеты и раковины некогда живых животных, геологи устанавливают, в какое время в том или ином участке Земли было море, как с течением времени менялись его берега и когда на его месте образовалась суша. По характеру остатков организмов можно установить, теплым или холодным было это море, каков был состав его воды и каким был древний климат в этой части земного шара.

Осадочные горные породы, образовавшиеся в водоемах, отличаются от тех, которые возникли в пустыне или в жарком тропическом лесу. Поэтому всестороннее изучение осадочных пород, позволяя нам узнать об условиях, в которых они образовались, помогает восстановить историю развития Земли.

Метаморфические горные породы. Каким бы путем ни образовались горные породы и как бы устойчивы и прочны они ни были, попадая в иные условия, они начинают изменяться. В результате тектонических движений большие массы пород, возникших на поверхности Земли, могут быть перемещены в ее глубины. Там под влиянием более высоких температур и давлений, при участии минеральных растворов, которые всегда существуют в недрах Земли, начинает изменяться химический и минеральный состав горных пород. Изменения эти происходят очень медленно, растягиваясь иногда на десятки и сотни миллионов лет.

Под нагрузкой вышележащих пластов и при повышенной температуре биогенный известняк, состоявший из ракушек и скелетов древних организмов, перекристаллизовывается и превращается в мрамор. Таким же образом из песчаников образуются кварциты. Возникшие в поверхностных условиях богатые водой минералы переходят в безводные или бедные водой. Так, например, опал переходит в квард, лимонит — в гематит и т. д. Из глин образуются глинистые и аспидные сланцы — плотные породы, способные раскалываться на тоненькие пластинки. Граниты превращаются в слоистые гнейсы.

Горные породы, образующиеся в результате изменения состава или свойств первоначальных горных пород, называются метаморфическими, а сам процесс изменения первоначальных пород называется метаморфизмом (по-гречески «метаморфо» — преобразовываюсь, превращаюсь).

Как вы помните, горная порода, как правило, состоит не из одного, а из нескольких минералов — сообщества минералов. Так вот, каждое сообщество минералов возникает только при определенных температурах и давлениях. Изменились давление и температура, изменился состав циркулирующих в недрах Земли растворов, и вместо прежнего сообщества минералов возникает новое, по старым минералам развиваются новые. Часто эти новые минералы совсем замещают старые, оставляя от них только очертания, контуры, по которым мы и узнаем о том, каковы были эти «старички».

Поднимающаяся из глубин раскаленная, насыщенная газами и парами воды магма изменяет; метаморфирует встретившиеся на пути горные породы. Под воздействием высокой температуры глинистые сланцы, соприкасавшиеся с магмой, превращаются в плотные, мелкокристаллические роговики. Газовые струи и минерализованные горячие растворы вступают в химические реакции с холодными породами, которые слагают стенки магматических камер. В результате этих реакций возникают новые породы — скарны, грейзены и т. д., часто заключающие в себе месторождения полезных ископаемых.

Изучая сообщества «старых» и «новых» минералов, слагающих метаморфические горные породы, исследуя их свойства, геологи получают возможность судить о том, как изменялись условия, в которые попадала эта горная порода. А в этом и заключается геологическая история горной породы. Таким образом, изучение метаморфических горных пород помогает нам восстанавливать историю Земли.