Основные свойствах горных пород и полезных ископаемых

1. Виды горных пород
2. Метасоматизм и метасоматические породы
3. Определение возраста горных пород (окаменелостей)
4. Месторождения
5. Свойства и характеристики горных пород
6. Применение горных пород
7. Заключение

В нашей жизни мы постоянно сталкиваемся с камнями: они попадаются у нас на дороге, лежат на насыпях железнодорожных путей, из них строятся дома, здания производственных комбинатов, музеи и дворцы, прочие сооружения. Также с ними связан и наш быт: из этого материала возводятся лестницы и колонны, изготавливаются памятники, монументы, столешницы, подоконники, выполняется напольное покрытие и многое другое.

Что такое камни, знают все, но не все задумываются, откуда они появляются. Для геологов горная порода (ГП) – это природное вещество, состоящее из твердых кристаллов различных минералов, сплавленных в один твердый кусок. Минералы могут образовываться одновременно или в разное время, но самое важное здесь, что происходит этот процесс естественным путем, без участия человека.

1. Виды горных пород

Знания о видах минералов и горных пород ученики получают еще в школе, изучая географию, но многие взрослые быстро забывают о предметах, которые они проходили в пятом-шестом классе. Так вот, школьная программа утверждает, что ГП образуют твердый слой земли (кору), подразделяются на три основные категории:

• магматические;
• осадочные;
• метаморфические.

1.1. Магматические

Магматические породы (МП) [1] чрезвычайно хорошо распространены в верхней части земной коры (составляют около 95%), имеют вулканический характер, образуются из расплавленного вещества. И нужно заметить, что это не только лава, извергаемая вулканами, но и такие горные образования как гранит, первоначально представляющий собой магму, затвердевающую глубоко под землей.

Гранит составляет большую часть всех континентов, а на морском дне формируется такая горная порода как базальт. Значительные залежи гранита встречаются на Гавайях, на северо-западе США, в Исландии. Гранитные породы могут быть очень старыми, считается, что возраст некоторых австралийских гранитов превышает четыре миллиарда лет. Хотя эти ГП в течение длительного времени подвержены геологическим изменениям, современной науке порой трудно определить, какой у них точный возраст.

Магматические породы имеют свою достаточно сложную классификацию, подразделяются на виды:

• ультраосновные (с содержанием диоксид кремния SiO2 от 30 до 45 %);
• основные (SiO2 от 45 до 52 %);
• средние (SiO2 от 52 до 63 %);
• кислые (SiO2 от63 до 78 %);
• ультракислые (SiO2 свыше 78 %).

В свою очередь все эти МП могут быть плутоническими (интрузивными), вулканическими (экструзивными) и гипабиссальными, к тому же еще делятся на подотряды и серии. Например, в отряде кислых плутонических пород имеются нормальнощелочные, умереннощелочные, щелочные подотряды, нормальнощелочной подотряд при этом дробится на группы гранодиоритов (гранодиорит, тоналит), лейкогранитов (лейкогранит, лейкоплагиогранит) и гранитов (гранит, плагиогранит).

Всего в классе магматических пород насчитывается более 700 типов, известных человечеству, яркими представителями их являются диорит, андезит, гранит, порфир, габбро, риолит и базальт. Все камни могут иметь разную текстуру:

• мелкозернистую (афанитовую);
• крупнозернистую (фанеритовую);
• порфировую (неравномерно зернистую);
• пегматитовую, с кристаллами более 1 см в диаметре;
• стекловидную, ярким примером которой является обсидан;
• пирокластическую, не содержащую кристаллов, по внешнему виду напоминающую осадочные породы (например, туф).

Плутонические породы обычно имеют фанеритовую, порфировую и пегматитовую текстуру, а вулканические – стекловидную, афанитовую или пирокластическую структуру. Еще МП классифицируются по происхождению, минералогии, химическому составу и геометрии магматического тела.

1.2. Осадочные

Осадочные породы (ОП) образуются из размытых фрагментов других горных пород или даже из останков животных и растений. Эти фрагменты накапливаются в низинах (на дне озер, океанов, в пустынях), затем сжимаются под весом вышележащих материалов. Здесь ОП подразделяют на обломочные и необломочные породы, первые из них представляют собой минералы и части ГП, подвергающиеся процессу выветривания. Они бывают разными по диаметрам обломков, делятся на категории:

• гравий, с осколками диаметром более 2 мм (цементированный осадок с угловатыми краями называется брекчией, с закругленными краями – конгломератом);
• песок (от 0,063 до 2 мм), в зацементированном виде считается песчаником;
• ил (от 0,004 до 0,063 мм), его подвидом является алевролит;
• глина или глинистые сланцы (менее 0,004 миллиметра), зацементированная порода здесь именуется аргиллитом.

Многие ОП, например, щебень и гравий, определяются в России техническими условиями [2]. В составе пород недетритового происхождения выделяют камни с осадками химических веществ, в которых накапливаются отложения в результате процесса эрозии. Также ОП могут быть образованы при вмешательстве живых организмов, в этом случае они называются биохимическими горными породами. Подвиды этого типа камней – карбонаты (известняк и доломиты), и еще существуют органические породы, к группе которых относится кремнистые составы и уголь.

1.3. Метаморфические

Метаморфические породы (МТП) [3] создаются в результате преобразования других существующих типов ГП в процессе, называемом метаморфизмом. Исходное вещество (протолит) здесь подвергается воздействию давления около 1000 Бар и более, высокой температуры (обычно от 150 до 200 ºC), тем самым претерпевая глубокие химические и физические (структурные и минералогические) изменения. Структура и характер образования зависят от исходного материала, условий метаморфизма, а также временного отрезка происходящего процесса.

Тепло может исходить от близлежащей магмы или источника горячей воды, а также в результате субдукции (погружения блоков земной коры одного под другой). О МТП можно рассказывать долго, поэтому отметим только самые основные моменты:

• они составляют большую часть земной коры и около 12 % поверхности суши;
• могут образовываться в результате тектонических преобразований;
• метаморфические процессы вызывают множественные изменения в горных породах (осадочных и магматических), включая увеличение плотности камня, переориентацию минеральных зерен, рост наиболее крупных кристаллов;
• существует множество различных классификаций, по которым можно сгруппировать МТП, хотя чаще всего упоминаются две основные группы – породы со слоистой и неслоистой структурой;
• различают несколько видов метафоризма – контактный, ударный, динамический, гидротермальный, региональный.

В природе насчитывается много представителей метаморфических пород, а наиболее из них известные обычному человеку: сланец, кварцит, тектонит, антрацит, мрамор, мыльный камень, карбонат талька. Также существуют так называемые сложные породы, образуемые, например, в результате метаморфических и магматических процессов, одним из таких видов является мигматит.

2. Метасоматизм и метасоматические породы

Помимо трех видов ГП, определенных как основные, существует также метасоматические горные породы (МГП), образуемые в результате воздействия метасоматизма. Чтобы понять, что это такое, следует объяснить, что метасоматизм – процесс, вызывающий химические изменения в породах под воздействием гидротермических и других жидкостей.

Различают три стадии образования МГП (метасоматитов): раннюю щелочную, кислотную и позднюю щелочную. Продуктами первой стадии являются магнезиальные и известковые скарны, второй – грейзены и вторичные кварциты, третьей – березиты и листвениты.

Метасоматиты бывают самыми разными, часто подвержены слабым изменениям, свидетельством которых является обесцвечивание, изменение расцветки или кристалличности минералов. Иногда можно найти геохимические свидетельства метасоматических изменений, им подвержены такие химэлементы как рубидий, стронций, барий или кальций, но выявить их можно, только сравнив измененные образцы с исходными породами.

3. Определение возраста горных пород (окаменелостей)

Чтобы узнать возраст ГП, ученые используют различные методы, в науке такое изучение называют стратиграфией. Несмотря на то что поверхность Земли кажется относительно стабильной, за свои 4,6 млрд лет она существенно изменилась:

• континенты и океаны переместились на значительное расстояние;
• горы подверглись эрозии;
• поменялись холодные и теплые зоны.

Возраст породы или хронология геологических изменений определяются с использованием комплексов относительных и абсолютных методов, объединенных в такое понятие как геохронология.

3.1 Относительные методы

Относительная геохронология – период какого-либо события в истории Земли по сравнению с другим временным отрезком (соотношение старше-моложе), определяется по остаткам организмов и соотношению пород. Здесь используются принципы «изначальной горизонтальности» и «наложения», первый из них основан на предположении, что большая часть осадочных пород откладывается под действием силы тяжести в горизонтальных слоях. Второй пункт построен на версии, что самый старый слой будет находиться внизу, а все остальные последовательно располагаться сверху, и чем они новее, тем будут выше.

Также существует метод «изначальной боковой непрерывности» с утверждением, что тот или иной слой поверхности земной коры распространяется во всех направлениях, но где-то становится тоньше или полностью прерывается. Еще существует и палеонтологический способ определения, основанный на изучении эволюции животных организмов и растений, вычисляющий относительный возраст слоев по ископаемым останкам.

В этой геохронологии есть и другие пункты, но все они определяют только порядок отложений, то есть, событий в истории Земли (что произошло раньше или позже), когда они имели место быть. Для более точного определения образования породы существует абсолютная геохронология, она позволяет вычислять разницу временных отрезков, начиная от первых событий, заканчивая настоящим временем.

3.2 Абсолютная геохронология

В отличие от методов относительного определения методы абсолютного датирования обеспечивают хронологические оценки возраста геологических материалов и окаменелостей. Чтобы установить время образования той или иной породы, геологи чаще всего применяют принцип радиометрического или радиоизотопного датирования (РД), в котором берутся за основу данные о естественном радиоактивном распаде определенных элементов (например, калий и углерод).

В РД применяются разные техники, наиболее часто используемые методы датирования:

• радиоуглеродное, учитывается количество углерода в органических остатках;
• уран-свинцовое, основанное на измерении соотношений изотопов Pb-206 и Pb-207;
• калий-аргоновое, определяющее даты метаморфических, магматических пород, а также зарождение слоев вулканического пепла;
• уран-ториевое, используется для датировки пещерных образований, кораллов, карбонатов, скелетов и костей позвоночных животных.

Абсолютный геологический возраст относительно недавних событий может определяться с помощью термолюминесцентного или оптического датирования, по кольцам возрастных деревьев, по осадочным отложениям на дне различных водоемов (морей и глубоких озер). Существует еще и оптическое (люминесцентное) датирование, базирующееся на вычислении момента времени, когда минерал (кварц, алмаз, полевой шпат или кальцит) последний раз был отмечен на свету. Последняя методика позволяет вычислять возраст от несколько сотен до ста тысяч лет.

4. Месторождения

Области земной поверхности, где обнаруживаются скопления горных пород, называют месторождениями, в геологии – это ГП или почвы с однородными внутренними характеристиками, которые отличаются от соседних слоев. Классификация здесь может быть самая разная, например, в зависимости от вида происхождения, где различают месторождения:

• эндогенные, связанные с магматическими процессами;
• экзогенные, где полезные ископаемые образуются в результате механической, химической и биохимической дифференциации (осадочные породы);
• метаморфогенные, с образованием пород под действием метаморфизма.

Промышленная добыча полезных ископаемых ведется с доисторических времен, а ее современные способы включают в себя разведку, анализ возможной прибыли рудника, саму добычу и рекультивацию земельных участков для других целей после ее прекращения. Но такая деятельность может оказывать отрицательное воздействие на окружающую среду, поэтому ряд стран в мире установили правила, направленные на снижение негативных влияний от горных работ.

5. Свойства и характеристики горных пород

При выборе ГП для производства рассматриваются различные свойства и характеристики материалов, от них зависит, как и в каком качестве они могут использоваться в промышленном производстве. Причем имеют значение как физические, так и химические свойства, приводится очень широкий диапазон значений, что объясняется многообразием минеральных элементов. Согласно классификации, обозначенной в физике ГП, основными группами здесь считаются свойства, зависящие от вида физического поля, среди них:

• механические;
• плотностные;
• электрические;
• радиационные;
• волновые;
• электрические;
• магнитные.

Наиболее распространенные минералы в земной коре часто можно идентифицировать в полевых условиях, используя такие основные свойства как цвет, форма, плотность, пористость и твердость. Кроме того многие минералы обладают уникальными качествами – это радиоактивность, флуоресценция в черном свете или реакция на кислоту.

6. Применение горных пород

ГП в жизни человека применяются повсеместно, они выступают в качестве источника большинства всех имеющихся ресурсов: стройматериалов, топлива, металлов, технического и химического сырья. В отраслях народного хозяйства используются ГП самых разных видов:

• гранит, пенза, туф, перлит, мрамор, песчаник и многие другие природные камни – в строительстве домов и прочих строений;
• битум, щебень, гравий, бетон – в дорожном строительстве;
• уголь, торф, горючий сланец – в топливной промышленности.

Из железных руд вырабатывают металлы, также в породах встречаются и редкоземельные элементы, драгметаллы – золото, платина, серебро. Из кварцевого песка получают стекло, а доломит является не только декоративно-облицовочным материалом, но еще встречается в составах линолеумов, мастик, герметиков, различных резинотехнических изделий.

7. Заключение

Горным породам отводится одна из самых главных ролей в истории Земли: если бы не было этих природных ресурсов, человечество вряд ли смогло возводить дома, вырабатывать электроэнергию и другое топливо, поддерживать промышленность и производство на должном уровне. Чтобы природные ресурсы не исчерпали себя, необходимо грамотно подходить к вопросу добычи горных пород и прочих полезных ископаемых.

Изучение характеристик и свойств горных пород, определение их возраста дает возможность человеку более рационально использовать природные ресурсы, грамотно их расходовать. Поэтому без геологии и таких ее разделов как петрология и стратиграфия не обойтись, заниматься этими науками необходимо.

Примечания:

1. Магматические горные породы
2. Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ.
3. Метаморфические горные породы