Процеси утворення мінералів

Мінерали й процеси мінералоутворення

Рис 1.1 – Хімічний склад земної кори

Основним об'єктом вивчення геології є літосфера, яка складається з гірських порід. Гірські породи у свою чергу складаються з мінералів. Слід зазначити, що мінерали, складають не тільки тверду оболонку Землі, але й планети земної групи, Місяць, супутники, астероїди й космічний пил. Відповідно, для вивчення складу та її будови необхідно мати основні уявлення про мінерали.

Слово «мінерал» походить від грецького слова minera, яке переводиться як «руда», але далеко не всі мінерали є корисними копалинами. У сучаснім розумінні мінерал – це фізично й хімічно однорідні тверді тіла, що утворювалися в результаті природних процесів. Наука, що вивчає мінерали, називається мінералогією.

На Землі знайдене понад 4000 мінералів й більш 5000 їх різновидів, з яких широке поширення в межах літосфери мають тільки кілька сотень. Така невелика кількість розповсюджених мінералів пояснюється двома причинами: хімічним складом земної кори й процесами мінералоутворення.

На 98% маси верхньої частини земної кори (до глибин 15-20 км) припадає всього 8 хімічних елементів: кисень (О), силіцій (Si), алюміній (Al), залізо (Fe), кальцій (Ca), магній (Mg), натрій (Na), калій (K) (рис. 1.1).

У природних умовах є обмеження по фізико-хімічних умовах утворення мінералів, що приводить до їхньої незначної різноманітності. На сьогоднішній день у лабораторіях синтезується в сотні, тисячі раз більше з'єднань, ніж у природних умовах.

Процеси утворення мінералів

Утворення мінералів і гірських порід у природних умовах здійснюється за рахунок трьох основних процесів: магматичного, осадового й метаморфічного.

Магматичний процес полягає в кристалізації мінералів з магми. Магма – це силікатний розплав, який складається з, власно, розплаву (О, Si, Al, Fe, Са, Mg, К, Ti, Na і ін.), летучих компонентів (оксиди вуглецю, сірководень, водень, фтор, хлор і ін.) і пароподібної води. У рідких випадках відзначаються магматичні розплави несилікатного складу, наприклад луго-карбонатного (вулкани Східної Африки) або сульфідного. Магматичні розплави підрозділяються по вмісту кремнезему (SiО₂) на два основні типи:

- базальтову (основну) магму, що має найбільше поширення. У ній міститься менш 52% SiО₂, у значній кількості присутні алюміній, кальцій, залізо й магній, у меншому – натрій, калій, титан і фосфор. Вона характеризується високою температурою 1100°С невеликою в'язкістю, що дає їй можливість рівномірно покривати більші території;

- гранітна (ріолітова, кисла) магма містить понад 65% кремнезему. Вона має меншу щільність, температуру (800-900 °С) і більшою мірою насичена газами. Висока в'язкість приводить до значного зменшення її рухливості, у порівнянні з базальтової. При виливі на поверхню утворює невеликі потоки.

Залежно від глибини утворення мінералів і гірських порід виділяють інтрузивний і ефузивний магматизм.

Інтрузивний процес характерний для більших глибин (більш 5-10 км), де відбувається повільне остигання магми з утворенням явнокристалічних структур (мінерали помітні неозброєним оком). Утворення мінералів відбувається при наступних показниках: температура – 800-1100°С, тиск – n*1000 атмосфер, час кристалізації – тисячі років. Приклади порід: граніт, габро й ін.

Ефузивний магматизм пов'язаний з виливом магми на поверхню з наступною кристалізацією мінералів з лави. Лава – магма, що втратила летучі компоненти. По складу лава ідентична магмі, тому мінерали утворюються однакові, але мають різні розміри. На поверхні лава дуже швидко остигає, що приводить до утворення дуже дрібних мінералів розміром менш 1 мм. Приклади гірських порід: базальт (інтрузивний аналог – габро), ріоліт (інтрузивний аналог – граніт).

Пегматитовий процес. У міру кристалізації у верхній частині магматичного масиву залишається залишковий силікатний розплав, збагачений газами й водою. Утворення мінералів відбувається на глибині більш 1 км при температурі 750-300°С Для даного процесу характерний швидкий ріст кристалів з утворенням «мінералів-гігантів»: берил – 380 т, кварц – 70 т, топаз – 270 кг. У результаті утворюються гірські породи пегматити з великими кристалами.

Під час кристалізації магми вижимається великий обсяг газів і води, з яких згодом утворюються мінерали. Даний процес називається постмагматичним. Він складається з двох етапів:

Пневматолітовий процес – утворення мінералів з газоподібної води й летучих компонентів при температурі від 500 до 374 °С.

Гідротермальний процес – утворення мінералів з перегрітої води (374-50°С) і летучих компонентів.

Постмагматичний процес характерний для зон, що контактують з розплавом, у які по тріщинах спрямовуються перегріті пари. У результаті пневматолітового й гідротермального процесу тріщина заповнюється мінералами, утворюючи жилу. Головний мінерал, що заповнює тріщини – кварц. Із цим процесом пов'язані основні родовища рідких (W, Mo, Sn, Bi, Sb, As, Hg), кольорових (Cu, Pb, Zn), благородних (Au, Ag) і радіоактивних (U, Th) металів.

Принципова схема магматичних процесів утвору мінералів і гірських порід наведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2- Схема магматичних і постмагматичних процесів утворення мінералів і гірських порід

Осадовий процес протікає на всій території Землі, як на суші, так і в морі. При цьому мінерали, що утворюються при невисоких температурах і тисках, складають осадовий шар літосфери на глибину до 20-25 км.

Осадовий процес поділяється на наступні види:

- вивітрювання (окиснення). У приповерхніх умовах при доступі кисню відбувається окиснення сульфідних і інших мінералів з утворенням оксидів. (малахіт, лімоніт);

- механічний процес пов'язаний з розмивом продуктів вивітрювання й перевідкладання їх водними потоками. Характерний для хімічно й фізично стійких мінералів. Мінерали при цьому процесі не утворюються, тому що відбувається тільки формування більш дрібних уламків порід у вигляді галечників, гравію, пісків і ін.;

- хемогенний процес характерний для жаркого й сухого (арідного) клімату, що протікає в напівзамкнених басейнах. При випаровуванні морської води концентрація солей збільшується доти, доки не відбувається перенасичення розчину й випадіння мінералів з нього (галіт, сильвін, гіпс, кальцит).

- колоїдний процес характерний для місць впадіння рік у моря, де відбувається «злипання» колоїдів і утворення мінералів (опал). Також даний процес протікає на дні морів з утвором залізомарганцевих конкрецій.

- біогенний процес призводить до формування нових мінералів за рахунок життєдіяльності організмів (кальцит, апатит, халцедон).

Метаморфізм виникає під впливом високих температур і/або тисків. За рахунок перетворення магматичних і осадових порід без стадії плавлення. Виділяють наступні види:

- регіональний метаморфізм протікає на більших глибинах і захоплює величезні площі. Верхньою межею метаморфізму є температура, при якій ще не відбувається плавлення, тобто 800-850 °С на значних глибинах і 1000-1100°С ближче до поверхні. Тиск може бути дуже високим і досягати декількох десятків тисяч атмосфер. Особливо велика роль одностороннього бічного тиску – стресу. Його величина сьогодні не може бути точно визначена, але безсумнівно вона значно вище величини тиску порід, що залягають вище. Саме стрес викликає появу характерної сланцюватості (смугастості) багатьох метаморфічних утворень (гнейси, мармур);

- контактний метаморфізм відбувається на границі з інтрузивним тілом. При зіткненні магми з породами, що вміщають, відбувається формування нових мінералів й гірських порід (мармури, скарни, грейзени);

- динамометаморфізм. Схожий на регіональний метаморфізм, але відбувається по розламах.

- імпактний. Утворення мінералів і гірських порід при падінні метеоритів на Землю, при якому короткочасно підвищується температура й тиск (лонсдейлит).