Процессы образования минералов
Понятие о генезисе минералов. Под генезисом понимают происхождение и условия образования минералов в земной коре. Каждый тип минералов может существовать в природе лишь при определенных физических условиях, из которых наибольшее значение имеют температура и давление. При изменении этих условий минерал либо разрушается, либо перекристаллизовывается. Условия, в которых образуются минералы в природе, отличаются большим разнообразием и сложностью. Все процессы минералообразовання по главным источникам энергии можно разделить на три группы: эндогенные, экзогенные и метаморфогенные.
Эндогенный генезис минералов. Эндогенный процесс образования минералов обусловлен внутренними силами Земли. В недрах Земли образование минералов в основном связано с магмой. Магма — это природный глубинный поликомпонентный раствор-расплав, содержащий различные элементы, их окислы и летучие компоненты (F, Cl, H2O, CO2 и др.). По мере понижения температуры и остывания магмы на глубине происходит расщепление или, как говорят, дифференциация магматического расплава с последующей его кристаллизацией и затвердеванием. Условиями магматического генезиса минералов являются высокие температуры (от 700 до 1200°С) и давления (сотни и тысячи атмосфер). Магматическим путем образуются кварц, многие минералы класса силикатов: оливин, пироксены, полевые шпаты и др., а также рудные минералы, например, хромиты, платиноиды, сульфиды меди, никеля, кобальта и т. д.
В процессе раскристаллизации магмы значительная часть газовых компонентов (пары воды, углекислота и др.) с остатками жидкой магмы проникает и растекается по трещинам, образующимся в результате ее остывания. При остывании и раскристаллизации этих остаточных продуктов магматического раствора-расплава образуется большое количество минералов (около 300), в том числе кварц, полевые шпаты, слюды, рудные минералы, драгоценные камни и др. Такой процесс минералообразования называется пегматитовым.
По мере кристаллизации магмы количество летучих веществ в иен становится избыточным, и поэтому они уже не могут оставаться в гомогенном растворе-расплаве. Начинается выделение минералов за счет летучих веществ, которые реагируют между собой и с возникшими ранее минералами. Это так называемый пневматолитовый (от греч. — пар, дыхание) процесс минералообразования.
При охлаждении газовой фазы ниже критической температуры воды, т. е. 374°С, происходит конденсация водяных паров, образуется горячая вода, насыщенная различными компонентами. Эти растворы, проникая в трещины, оказываются в условиях низких температур и давления, вследствие чего из них выпадают минералы. Таким путем образуются полиминеральные жилы, содержащие кварц, кальцит, барит, флюорит, самородные элементы (Ag, Au, Hg), сульфиды и др. Такой генезис минералов называется гидротермальным.
При излиянии магмы на поверхность земли и ее остывании часть газообразных компонентов улетучивается (газы HF, HCl, H2S, летучие В, Р, S и др.). Попадая в низкотемпературные условия, они могут кристаллизоваться, переходя из газообразного в твердое состояние. Таким способом образуются касситерит, в жерлах вулканов — самородная сера, минералы бора и др. Такой генезис минералов называется эксгаляционным.
Следует подчеркнуть, что минералы эндогенного генезиса в большинстве своем имеют первичное происхождение.
Экзогенный генезис минералов. Экзогенным (гипергенным) путем минералы образуются вблизи или на поверхности земли, где происходят сложные процессы, обусловленные действием многочисленных факторов — таких, как кислород и углекислота, вода и различного состава водные растворы, живые организмы, колебание температур и действие солнечной энергии.
Под влиянием этих факторов первичные минералы претерпевают глубокие химические и физико-химические превращения и из них образуются новые, более устойчивые в условиях земной поверхности минеральные виды и их ассоциации. Этот сложный процесс разрушения и возникновения новых минеральных видов получил название процесса выветривания. В результате совместного проявления факторов физического, химического и биологического выветривания возникает своеобразный комплекс глинистых минералов, таких, как гидрослюды, каолинит, монтмориллонит и др., и разнообразные химические соединения типа сульфатов, окислов и карбонатов.
Некоторые экзогенные минералы образуются в результате выпадения и осаждения их на дне морей, озер и мелководных лагун. Выпадение минеральных солей в озерах и морских заливах происходит в периоды интенсивного испарения воды или изменения ее температуры, когда вода становится пересыщенной по отношению к солям. Так образуется гипс, галит, карналлит, мирабилит, сильвин и др.
Многие минералы образуются в процессе жизнедеятельности животных и растительных организмов — это так называемый биогенный процесс минералообразования. Например, морские водоросли и простейшие организмы поглощают углекислый кальций и при отмирании оставляют накоплении в виде минералов кальцита и арагонита,
Диатомовые водоросли, радиолярии и морские губки используют для построения своих скелетов кремнезем и таким образом образуют аморфный минерал опал. Морские организмы — моллюски, в своих раковинах создают жемчуг (углекислый кальций с примесью органического материала). В процессе жизнедеятельности железопоглощающих бактерий образуются бурые железняки, минералы типа глауконита, шамозита и др. Экзогенные минералы являются составной частью разнообразных осадочных горных пород.
Метаморфогенный генезис минералов. Метаморфизм — это процесс превращения или перекристаллизации вещества под воздействием, главным образом, высоких давлений и температур. В зависимости от характера проявления различают региональный, гидротермальный и контактовый метаморфизмы. Региональный метаморфизм протекает на больших глубинах и охватывает обычно громадные территории. Сущность гидротермального метаморфизма состоит в том, что циркулирующие по трещинам и разрывам горных пород горячие газо-водные растворы производят глубокие изменения окружающих горных пород в виде окварцевания, оталькования и хлоритизации.
Контактовый метаморфизм проявляется обычно на контакте магматических и осадочных горных пород и заключается главным образом в термальном воздействии магматического расплава на окружающие его осадочные толщи. Так, например, при взаимодействии интрузии с карбонатными породами образуются так называемые скарны с характерной ассоциацией минералов (гранаты, магнетит и др.).
Эндогенные, особенно экзогенные, минералы, подвергаясь воздействию повышенных давлений и температур, а также влиянию водных растворов и газов, претерпевают изменения как во внешнем облике, так и в их внутреннем строении.
Для глубоких зон метаморфизма является характерным дегидратация (удаление воды), деоксидация (удаление избытка кислорода) и декарбонатизация (удаление углекислоты) минералов, образовавшихся в приповерхностных условиях. Так, например, опал (SiО2*nH2O), теряя воду, превращается в условиях повышенного давления и температуры в халцедон и кварц. Лимонит (Р2О3*nН2О) переходит в гематит Fe2O3. В свою очередь, гематит под воздействием факторов метаморфизма (давления и температуры) теряет часть кислорода и переходит в магнетит Fe3O4. На больших глубинах имеет место вытеснение углекислоты кремниевой кислотой, в связи с чем карбонаты переходят в силикаты.
Под воздействием повышенного давления и температуры в зоне метаморфизма происходит уплотнение вещества материи, что способствует образованию минералов с высоким удельным весом.
Под влиянием неравномерного бокового давления рост минералов происходит с большей скоростью в направлениях, перпендикулярных к направлению давления. Поэтому для многих метаморфических минералов характерен пластинчатый, листоватый, иногда игольчатый облик. Это такие минералы, как слюда, тальк, хлорит, роговая обманка и др. Минералы мета морфогенного генезиса в основном входят в состав метаморфических горных пород.
В заключение необходимо отметить, что в настоящее время научились получать многие минералы искусственным путем. Искусственное получение минералов имеет большое научное и практическое значение. С одной стороны, это позволяет исследовать процессы минералообразования, с другой,— дает возможность получать нужные для практики минеральные вещества. Искусственным путем получают такие минералы, как алмаз, корунд, кварц, слюды и др., и минералы, которые не встречаются в природных условиях, такие, как алит, белит и др.