Введение в генетическую минералогию

Генетическая минералогия изучает условия образования минералов в полном объеме этого понятия. Она воссоздает историю их возникновения, роста, существования и разрушения. Каждый минеральный индивид содержит в себе собственную историю, так как каждый этап «жизни» минерала оставляет след на его конституции. На этапе зарождения кристалла температура, давление и концентрация среды минералообразования опреде-ляют особенности соединения атомов (ионов) химических элементов в пространственной решетке. Этап роста кристалла обусловлен не только физико-химическими параметрами среды, но и пространственным взаимо-отношением с центрами минерализации других индивидов, что в свою очередь определяет форму кристалла, характер его поверхности, а также строение минерального агрегата. Дальнейшее существование минерала в эндогенных условиях при изменении температур и давлений в результате тектонических движений или близости новых магматических очагов, приводит к перекристаллизации и сказывается не только на форме кристалла, но и на его физико-химических свойствах. Существование минерала в экзогенных условиях приводит, как правило, к вторичным изменениям (окислению, механическому разрушению, растворению и т.д.), что также сказывается на характере его поверхности и некоторых физико-химических свойствах.

Детальное изучение строения и свойств минералов с целью установления их связи с условиями образования, дало ученым подробную информацию о природных процессах минералообразования и эволюции Земли в целом.

1.2.1. Природные процессы минералообразования

Природные процессы минералообразования по источнику энергии разделяют на две группы: экзогенные и эндогенные.

Экзогенные процессы минералообразования происходят на поверхнос-ти (вблизи поверхности) земли, а также в атмосфере и гидросфере. Образование минералов в экзогенных условиях связано с физико-хими-ческим разрушением горных пород, с жизнедеятельностью организмов, с кристаллизацией из истинных и коллоидных растворов и т.д. Экзогенные процессы вызваны, как правило, источником энергии, находящимся за пределами Земли, в основном за счет энергии Солнца.

Эндогенные процессы минералообразования происходят в глубине Земли и связаны главным образом с магматической деятельностью. Основным источником энергии при этом служит внутренняя энергия Земли.

Теоретически эндогенные процессы минералообразования связаны не только с магматической деятельностью, но и с метаморфизмом. Но так как перекристаллизации в результате метаморфизма подвергаются ранее обра-зованные и магматические и осадочные породы, то метаморфические процессы минералообразования принято выделять в отдельную группу.

Метаморфические процессы минералообразования по сути являют собой совокупность процессов, приводящих к обезвоживанию, перекристал-лизации и метасоматическому изменению ранее существовавших горных пород.

Источниками тепла для осуществления метаморфических процессов служит не только близость магматических очагов, но и высокие темпера-туры, связанные с геотермическим градиентом и радиоактивным распадом элементов.

1.2.1.1.Экзогенные процессы минералообразования

Как уже было отмечено выше, экзогенные процессы минерало-образования происходят на поверхности (вблизи поверхности) земли под влиянием атмосферных агентов, воды и жизнедеятельности организмов. Продуктами экзогенных процессов являются минералы кор выветривания и минералы осадочных пород.

Выветривание – процесс изменения и разрушения минералов и горных пород на поверхности земли под действием физико-химических и биологических факторов. Различают физическое (механическое) и химическое выветривание. Первое заключается в механическом разрушении горных пород и их перемещении, второе – в химическом разложении минералов (растворении, окислении, карбонатизации, гидратации) и образовании новых более устойчивых минеральных веществ.

Продукты выветривания, оставшиеся на месте разрушения, образуют коры выветривания. Коры выветривания плащом покрывают неизмененные породы и иногда прослеживаются до глубин 0,5 – 1,0 км.

Образование коры выветривания происходит в несколько стадий. Сначала кора выветривания состоит из продуктов физического выветри-вания, где постепенно начинается химическое разложение минералов. Потом происходит образование в щелочных условиях гидрослюд и других гидросиликатов. В последующую стадию в щелочных и кислых средах происходят химические реакции с образованием минералов глин (каоли-новые и монтмориллонитовые коры выветривания). Завершается процесс полным гидролизом силикатов с образованием окислов и гидроксилов (латеритные коры выветривания).

В минеральном отношении кора выветривания представляет собой скопление различных минералов. В ней широко представлены (по Лазаренко, 1970):

- первичные минералы, химически устойчивые к процессам выветри-вания (кварц, рутил, циркон, турмалин), либо те минералы, которые не успели подвергнуться выветриванию;

- промежуточные продукты, сохранившие кристаллическое строение, но поддавшиеся значительным изменениям в своем составе (гидрослюды, гидрохлориты);

- продукты конечного разложения первичных минералов (окиси металлов, гели кремнезема и глинозема, соли щелочных и щелочно-земельных металлов).

Преобладание того или иного комплекса минералов указывает на характер выветривания и на тип самой коры выветривания. Характер выветривания обусловлен в первую очередь климатом. В невальном (холодном) климате образуются обломочные коры выветривания, в гумидном (умеренном, влажном) – гидрослюдистые, в аридном (жарком, засушливом) – монтмориллонитовые, в гумидном тропическом климате – каолиновые, в гумидном тропическом и субтропическом – латеритные.

Осадочные процессы минералообразования связаны, как правило, с растворением, изменением и образованием новых минералов в водных условиях. Среди осадочных процессов минералообразования выделяют хемогенные, биогенные и биохемогенные процессы.

Хемогенные процессы – процессы образования минералов из истинных и коллоидных растворов.

Из истинных растворов, в результате испарения воды в жарком засушливом климате, происходит кристаллизация минеральных солей (хлоридов и сульфатов натрия, калия, магния, кальция), а также хемогенного доломита, сидерита, родохрозита и некоторых боратов.

Процесс формирования минералов из коллоидных растворов является достаточно сложным. Сначала мельчайшие частицы (от 1 до 100 мкм) глинистых минералов и некоторых соединений железа, марганца, фосфора переносятся речными потоками, где на них адсорбируются катионы многих редких элементов. Попадая в морскую воду, частички преобразуются за счет нейтрализации заряда, происходит свертывание и укрепление коллоидальных частиц сначала в золи, потом в гели и, наконец, в студенистый донный осадок. С коллоидными растворами связано образование опала (гель кремнезема) и осадочных руд железа, марганца, меди, алюминия и фосфора. Осадочные руды часто имеют вид конкреций или оолитов (икряные руды).

Биогенные процессы – процессы образования минералов за счет жизнедеятельности организмов. С точки зрения минералогии эти процессы описаны недостаточно полно. По А.А. Кораго органоминеральные агрегаты создаются в живых организмах при их участии, в них все минеральные индивиды кристаллизуются как результат жизни клеток и разъединены органическим веществом. Одним из примеров могут являться перламутр и жемчуг в раковинах моллюсков. Перламутр и жемчуг состоят из кристаллов арагонита и кальцита, разделенных органическим веществом конхиалином. Другими примерами органоминеральных агрегатов могут являться кости позвоночных и зубы животных (апатит и другие фосфаты), раковины моллюсков, твердые ткани кораллов, фораминифер, трилобитов, иглокожих и некоторых водорослей (арагонит, кальцит), скорлупа яиц разных животных (кальцит), скелеты и твердые ткани планктонных организмов, радиолярий и диатомовых водорослей с кремниевый функцией (кремень, опал). Всего в составе древних и современных животных и растений установлено более 80 минералов.

Биохемогенные процессы – процессы образования минералов за счет химического взаимодействия организмов и бактерий с окружающей средой. С биохимическими процессами связано образование самородной серы за счет участия сульфатредуцирующих бактерий, формирование фосфатов и селитры за счет химического взаимодействия помета птиц и летучих мышей с воздухом и подстилающими породами.

1.2.1.2. Эндогенные процессы минералообразования

Как уже было отмечено выше, эндогенные процессы связаны, главным образом, с магматической деятельностью, а именно с образованием минералов при кристаллизации магмы.

Магмой называют ионно-силикатный расплав, насыщенный водой и летучими компонентами (газами). Кристаллизация магмы может осуществляться как в глубине земли, так и на поверхности. Скорость ее кристаллизации в обоих случаях будет разной.

При извержении магмы на поверхность земли, резко снижается температура и давление расплава, магма теряет летучие компоненты и начинается ее «стихийная» кристаллизация. В этом случае минералы не успевают полностью кристаллизоваться и порода приобретает стекловатую структуру часто с множеством пустот и миндалин.

Процесс кристаллизации магмы в глубине земли протекает медленно, а минералы выделяются из расплава в определенной последовательности. Первыми кристаллизуются минералы, температура образования которых велика. Таких минералов, как правило, немного. Они плавают в жидком расплаве и свободно растут, благодаря чему имеют правильные кристаллографические формы. По мере остывания плотность расплава уменьшается и появляется большое количество центров минерализации. Со временем пространство заполняется и остается меньше возможностей свободного роста, а потому более поздние минералы не имеют правильных очертаний, так как выполняют промежутки между уже сформировавшимися минералами. Оставшиеся минерализованные водные и газовые растворы заполняют пустоты магматических камер или мигрируют по трещинам, где рост кристаллов продолжается по законам геометрического отбора.

Минералы с высокой плотностью (как правило, минералы ранней стадии кристаллизации) под действием силы тяжести могут опускаться на дно магматического резервуара и образовывать гравитационные рудные залежи, более легкие минералы могут всплывать, таким образом осуществляется кристаллизационная (гравитационная)дифференциация магмы.

Дифференциацией (разделением) магмыназывают совокупность различных физико-химических процессов, в результате которых из одной материнской магмы возникают вторичные, дающие различные по химическому составу магматические породы (ультраосновные, основные, средние и кислые). Возникновение и разнообразие вторичных магм связано не только с разделением первичного расплава (изменением концентрации и потерей летучих составных частей), но и с его обогащением различными компонентами из вмещающих пород (ассимиляцией).

Магматической дифференциацией (ликвацией) называют разделение магмы на два несмешивающихся расплава (рудный и силикатный) с последующей самостоятельной кристаллизацией каждой из них, с образованием собственных парагенезисов. Американский петролог Н. Боуэн выделил два реакционных ряда минералов, согласно их последовательности выпадения из магмы.

Оливин	Анортит
Ромбические пироксены	Основные плагиоклазы
Моноклинные пироксены	Средние плагиоклазы
Амфиболы	Кислые плагиоклазы
Биотит
Калиевый полевой шпат
Мусковит
Кварц

Процесс кристаллизации магмы подчиняется строгой последователь-ности. На начальных стадиях кристаллизации образуются ультраосновные породы со свойственным им комплексом минералов (оливин, пироксен, анортит, акцессорные – магнетит, ильменит, хромит, пирротин и т.д.) и основные породы, состоящие из ромбических пироксенов, основных плагиоклазов и акцессорных апатита, магнетита, пирротина, ильменита. По мере остывания магмы и изменения ее химического состава процесс кристаллизации продолжается с образованием пород среднего состава, где породообразующими являются средние плагиоклазы и моноклинные пироксены. С последними стадиями кристаллизации связаны кислые породы, минеральную ассоциацию которых составляют калиевые полевые шпаты, кварц, биотит, амфиболы, и щелочные породы, состоящие из калиевых полевых шпатов, фельдшпатоидов, щелочных пироксенов и амфиболов.

Важно также отметить, что процесс остывания магматического расплава сопровождается:

- накоплением кремнезема (ультраосновные содержат менее 45 % SiO₂, основные 45 – 52 % SiO₂, средние 52 – 65 % SiO₂, кислые 65 – 75 % SiO₂);

- усложнением кремнекислородных построек от силикатов островной структуры (оливин) к цепочечным (пироксены), ленточным (амфиболы), листовым (слюды) и каркасным (полевые шпаты);

- увеличением степени замещения кремния алюминием.

На завершающей стадии кристаллизации магмы, во время образования кислых пород (гранитов), согласно А.Е.Ферсману образуется остаточный силикатный расплав, богатый соединениями редких и редкоземельных элементов и летучими веществами (H₂O, HF, HCl, B₂O₃, CO₂). Этот остаточный расплав заполняет трещины и полости вмещающих пород и, кристаллизуясь, образует жильные крупнокристаллические тела – пегматиты.

«Пегматит» в переводе с греческого означает «крепкая связь», получил свое название за счет явления вызванного одновременной кристаллизацией ортоклаза и кварца – еврейского камня (рис. 26).

Кроме главных породообразующих минералов – микроклина, плагиоклазов, кварца, мусковита и биотита в пегматитах часто встречаются

Рис. 26 Пегматит – письменный гранит (еврейский камень)

турмалин, берилл, сподумен, лепидолит, танталит, колумбит, минералы редких земель, ортит и др. Размеры кристаллов в пегматитах могут достигать 1,5×3,0 м, в редких случаях 10,0 – 12,0 м.

По минеральному составу выделяют:

- керамические (слюдяные) пегматиты;

- топазовые пегматиты (пьезокварц и драгоценные камни);

- альбит-сподуменовые пегматиты (руды редких металлов).

К эндогенным процессам минералообразования связанным с магматической деятельностью относят также пневматолитовый и гидро-термальный процессы, а также метасоматический, который по сути является контактово-метасоматическим метаморфизмом и будет рассмотрен в разделе 1.2.1.3.

Пневматолитовый процесс – это процесс образования минералов из газовой фазы.По существу этот процесс является уже постмагматическим и связан с отделением летучих компонентов из остаточных растворов, являющихся самыми поздними продуктами магматической дифференциации. Образование минералов происходит в процессе возгона газов по трещинам вмещающих пород.

Гидротермальный процесс – это процесс образования минералов из горячих водных растворов. Гидротермальный процесс также как и пневма-толитовый является постмагматическим и связан с отделением горячих водных растворов от магмы или с их образованием при сжижении газов. Горячие растворы просачиваются по трещинам во вмещающие породы, где с понижением температуры начинается процесс кристаллизации минералов с образованием различных жильных тел.

По температуре образования выделяют следующие типы гидро-термальных месторождений:

- высокотемпературные (450 – 300 ⁰С);

- среднетемпературные (300 – 200 ⁰С);

- низкотемпературные (ниже 200 ⁰С).

Для каждого типа гидротермальных месторождений в зависимости от температуры и давления возникает свой собственный характерный комплекс минералов. Как правило, высокотемпературные минеральные тела распола-гаются ближе к магматическому очагу и представлены кварцевыми жилами с вольфрамитом, касситеритом, молибденитом. По мере удаления образуются кварцевые жилы с сульфидами меди, свинца и цинка, серебра, затем сурьмы и ртути.

Остаточными водными растворами из магматического очага выносится целый ряд соединений металлов (Au, Ag, Cu, Pb, Zn, Mo, Co, Ni и т.д.), а потому с гидротермальными жилами часто связана рудная минерализация.

1.2.1.3. Метаморфические процессы минералообразования

Метаморфические процессы минералообразования зависят от множества факторов: температуры, давления, состава пород и состава водных растворов и газов, если они участвуют в процессе. В зависимости от преобладания того или иного фактора различают несколько видов метаморфизма.

Контактовый метаморфизм происходит под действием тепла внедрившихся магм и ведет к изменениям, как во вмещающих породах, так и в краевых частях магматического тела.

Если внедрение магматического тела приводит к перекристаллизации вмещающих пород за счет прогрева и обжига без участия водных растворов и газов, то такую разновидность контактового метаморфизма называют термальным метаморфизмом.

Если же при внедрении магматического тела в контактовые с вмещающими породами зоны просачиваются горячие водные растворы и газы, то происходят всевозможные замещения породы с изменением ее химического состава и образование новых минералов. Важно отметить, что растворение старых и образование новых минералов происходит практически одновременно, так что порода при этом сохраняет твердое состояние. Процесс, при котором происходит замещение горной породы под действие остаточных магматических водных растворов и газов с образованием новых минералов называют метасоматозом. А разновидность метаморфизма называют контактово-метасоматическим метаморфизмом.

Ярким примером контактово-метасоматических изменений являются скарны и грейзены.

Скарны – породы, образованные в зонах контакта гранитов с карбонатами (известняками, мраморами, доломитами). Образуются за счет вещества гранитов и известняков в ходе последовательных метасоматических реакций замещения одних минералов другими. В процессе формирования собственно скарновых минералов (силикатов Al, Ca, Mg – гранатов, пироксенов, волластонита, эпидота, скаполита (силиката Na и Ca) кальций и магний берутся из карбонатов, а кремний, алюминий и натрий – из гранитов.

Грейзены – это породы, образованные в зоне контакта высокотемпе-ратурных гидротермальных рудных (оловоносных) жил с гранитами. Под действием высокотемпературных рудных растворов происходит замещение составных частей гранитов (биотита и полевого шпата) новыми минералами, главным образом мусковитом, лепидолитом, кварцем, турмалином, флюоритом, топазом и типичными для грейзенов рудными минералами – касситеритом, молибденитом, бериллом. Для грейзенов характерно кавернозное строение, стенки каверн нередко заполнены друзами кварца и драгоценных камней – топаза, берилла.

Дислокационный метаморфизм (динамометаморфизм) – процесс изменения горных пород вдоль тектонических нарушений и при складкообразовании. Главным фактором динамометаморфизма являются направленные давления, вызванные тектоническим стрессом.

В результате динамометаморфизма происходит дробление и перетира-ние гонных пород, часто сопровождающееся образованием вторичных минералов (серицита, хлорита).

Региональный метаморфизм – процесс изменения различных горных пород на большой глубине под действием высоких температур, давления и часто постмагматических растворов.

Под действием высоких давлений и температур происходит уплотнение, перекристаллизация и обезвоживание горных пород и минералов. Например, известняки становятся мраморами, кварцевые песчаники – кварцитами, глины – глинистыми сланцами, такие минералы как опал и лимонит переходят в кварц и гематит (магнетит), а во многих породах происходит полная перегруппировка компонентов с образованием новых минералов. Важно отметить, что при региональном метаморфизме под влиянием высоких давлений и температур химические реакции стремятся идти в сторону образования минералов с уменьшенным объемом и повышенным удельным весом (ставролит, дистен, гранат и т.д.).

1.2.2. Понятие о минеральном парагенезисе. Парагенетические ассоциации

Парагенезис – совместное образование минералов в одну и ту же стадию природного процесса. А совокупность минералов, образовавшихся при этом, называют парагенетической ассоциацией.

Любое минеральное месторождение характеризуется собственными специфическими парагенетическими ассоциациями. Принято выделять парагенетические ассоциации минералов по главным типам генезиса:

- парагенетические ассоциации минералов магматического про-исхождения: ультраосновных, основных, средних, кислых и щелочных пород, пегматитов (кислых и щелочных), гидротермальных (высоко-, средне- и низкотемпературных) пород;

- парагенетические ассоциации минералов метаморфического про-исхождения: контактового метаморфизма, динамометаморфизма, региональ-ного метаморфизма;

- парагенетические ассоциации, возникающие при экзогенных процессах: минеральные ассоциации кор выветривания (гидрослюдистых, монтмориллонитовых каолиновых, латеритных), хемогенных осадков и т.д.

Существует также понятие запрещенного парагенезиса, то есть парагенезиса невозможного в природе, когда в силу особых условий образования те или иные минералы никогда не встретятся в одной парагенетической ассоциации. Например, корунд и кварц не встречаются вместе, так как образование первого обусловлено минимальными содержаниями кремнезема в расплаве, за счет его замещения щелочами, в то время как при кристаллизации кварца в расплаве не хватает щелочей для кристаллизации корунда. Таким образом, эти минералы являются химически несовместимыми. Также несовместимыми для некоторых кристаллических сланцев являются – андалузит и диопсид, андалузит и гроссуляр, для изверженных пород – оливин и кварц, нефелин и кварц, для некоторых руд - ковелин и пирротин.

1.2.3. Понятие типоморфизм

Учение о типоморфизме – это раздел минералогии, изучающий минералы и их особенности, которые отражают условия образования минералов и содержащих их руд.

Наблюдениями установлено, что существуют минералы, образующие-ся в строго определенных условиях и само их появление в парагенетической ассоциации указывает на специфику среды минералообразования. Такие минералы называют типоморфными. Например, алмаз является типоморфным минералом трубок взрыва в ультраосновных породах, железосодержащий турмалин (шерл) является типоморфным минералом пегматитов, нефелин является типоморфным минералом щелочных пород. Но чаще типоморфными бывают не сами минералы, а их признаки.

Типоморфные признаки минералов – признаки, свидетельствующие об условиях образования конкретного минерала. Например, габитус кристаллов касситерита (дипирамидальный – в пегматитовых жилах, призматический – в гидротермальных месторождениях), цвет сфалерита (черный – высокотемпературные разности, бесцветные и светло-желтые – низкотемпературные) и т.д. В связи с этим в 1976 г. Н.П. Юшкиным был сформулирован закон минералогического резонанса.

Закон минералогического резонанса – всякое изменение в минерале является отражением изменений в минералообразующей среде.

Изучение типоморфных особенностей имеет важное значение в минералогии, так как их можно использовать для установления генезиса минералов и целых парагенетических ассоциаций, а также как поисковые признаки при геолого-разведочных работах.

Рекомендуемая литература:

1. Булах А.Г. Общая минералогия. СПб: Изд-во С.-Петербургского университета, 1999. 356 с.

2. Лазаренко Е.К. Курс минералогии. М.: Высшая школа, 1971. 608 с.

3. Миловский А.В. Минералогия и петрография. М.: Недра, 1985. 432с.