ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ
"Минерал следует изучать на всех стадиях его существования, а не только тогда, когда он приобретает устойчивую структуру, становится "камнем". Надо постигать роль минерала в общей жизни Земли и его зависимость от внешней среды. Чем точнее такое знание, тем легче искать минералы, месторождения полезных ископаемых..."
Владимир Иванович Вернадский
(1863-1945)
Минералы на различных этапах своего зарождения, образования и преобразования находятся в тесной ассоциации друг с другом, причем эти "союзы" не случайны, а обусловлены генезисом (объединяющими их процессами формирования). Парагенезис - совместное нахождение в природе генетически связанных между собой минералов.
Природная ассоциация минералов называется горной породой и представляет собой самостоятельное тело в Земной коре. Горные породы в отличие от минералов, чаще всего неоднородны, то есть состоят из нескольких минералов, отвечающим определённым физико-химическим условиям совместного образования.
Генезис минералов определяется геологическими процессами, формирующими земную кору. По источнику энергии природные процессы минералообразования делятся на эндогенные и экзогенные.
1. Экзогенные процессы -
(извне рожденные) - процессы минералообразования, возникающие при процессах, совершающихся за счет внешней солнечной энергии, получаемой поверхностью земного шара (процессы, развивающиеся в результате взаимодействия горных пород и минералов земной коры с атмосферой, гидросферой и биосферой). Источником вещества являются обнажившиеся и разрушающиеся на поверхности Земли разнообразные породы и руды различного происхождения. Процессы минералообразования развиваются в самой поверхностной части земной коры при низких температурах и давлениях, близких к атмосферному.
Существенную роль в экзогенных процессах играет гравитация (сила тяжести), электромагнитное поле Земли, потоки солнечной энергии и вещества из космоса, деятельность живых организмов и человека в частности. При этом происходит поверхностное разрушение и преобразование минералов, созданных эндогенными процессами в верхних горизонтах земной коры и на ее поверхности как без участия высоких температур и больших давлений, так и с участием - при падении метеоритов, астероидов. Ранее созданные минералы подвергаются химической, механической, биохимической и антропогенной переработке, что приводит к образованию новых минералов, в соответствии с возникающими физико-химическими условиями в отдельных толщах земной коры на ее поверхности. Таким образом, эндогенные процессы обуславливают начало "жизни" химических элементов и образуемых ими минералов в земной коре. Второй этап жизни минералов связан с экзогенными процессами. Метаморфические процессы минералообразования происходят тогда, когда ранее образовавшиеся магматические и осадочные породы подвергаются воздействию относительно высоких температур и давлений, преобразовывающих породы и слагающие их минералы.
2. Эндогенные процессы -
(изнутри рожденные) - процессы минералообразования, образующиеся при процессах, протекающих за счет внутренней тепловой энергии земного шара. Минералы, возникающие в результате этих процессов, являются продуктами магматической деятельности (в широком смысле слова) Горные породы и месторождения полезных ископаемых образуются в результате кристаллизации самой магмы и различных отщеплений от нее. Процессы минералообразования протекают на различных глубинах и при различных, но обычно высоких температурах.
К эндогенным процессам минералообразования, протекающим в недрах Земли, среди всех прочих относятся магматический, пегматитовый, скарновый, гидротермальный.
МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Процессы метаморфизма относятся к ведущим эндогенным факторам дифференциации литосферы во всем ее объеме и на всем протяжении геологической истории. С ними генетически связаны разнообразные металлические и неметаллические полезные ископаемые. Поэтому важность понимания процесса метаморфизма трудно переоценить в учебном комплексе дисциплин минералогического профиля.
Метаморфические породы возникают в результате глубокого преобразования осадочных, магматических или ранее существовавших метаморфических пород, которые называются исходными или первичными. Процессы метаморфизма происходят на глубинах, расположенных ниже зоны формирования осадочных пород.
Метаморфизм представляет собой процесс минералогического, структурно-текстурного, а иногда и химического приспособления исходных пород к новым термодинамическим и химическим условиям, происходящий при повышенных температурах и давлениях. Таким образом, при метаморфизме в различных сочетаниях изменяются минералогический состав, структурно-текстурные особенности и, в отдельных случаях, химический состав исходных пород.
Характерной особенностью любого метаморфического процесса является перекристаллизация исходной породы в твердом состоянии. Иначе говоря, в каждый данный момент метаморфического процесса ни вся порода в целом, ни сколько-нибудь её существенная часть не переходят в растворенное или расплавленное состояние. Жидкая фаза при метаморфизме присутствует только в подчиненных количествах.
Региональный метаморфизм - процесс, при котором из-за тектонических перемещений целые области верхних участков земной коры оказываются в глубинных условиях, то есть в условиях сильно повышенных температур и давлений. Сами породы под влиянием сильных динамических воздействий превращаются в кристаллические сланцы, способные раскалываться на пластинки и плитки (например: глинистые сланцы, аспидные сланцы, слюдяные сланцы, гнейсы и др.). Если метаморфизму подвергаются тонкослоистые осадочные породы, причем направление давления совпадает с направлением слоистости или близко к нему, то происходит сминание прослоек с образованием многочисленных мелких складок.
Любой метаморфизм сопровождается перемещением и перегруппировкой вещества, которые происходят в ходе перекристаллизации исходной породы. В одних случаях перемещение и перегруппировка вещества носят характер взаимодействия между составными частями исходной породы. При этом метаморфический процесс не сопровождается существенным изменением химического состава исходной породы. Такой метаморфизм называется изохимическим метаморфизмом (или просто метаморфизмом). Вместе с тем в природе широко распространён процесс метаморфизма, при котором происходит не только минералогическое и структурно-текстурное изменение исходной породы, но и коренное изменение ее химического состава. Такие метаморфические процессы называются неизохимическими (метасоматозом). Таким образом, метасоматозом именуется процесс замещения породы в целом или отдельных минералов с изменением химического состава. При этом растворение исходных минералов и образование новых происходят одновременно, так что порода в течение всего процесса сохраняет твердое состояние.
Метаморфизм (греч. metamorphoуmai - подвергаюсь превращению, преображаюсь) - процесс твердофазного минерального и структурного изменения магматических, осадочных и ранее метаморфизованных пород под воздействием факторов метаморфизма: температуры, давления и глубинных флюидов (флюид - существенно водная, водно-газовая, паровая или газовая среда, заключенная или переносимая в массе горных пород литосферы).
1. Основы химической кинетики метаморфических процессов
Химическая кинетика - это учение о химических процессах, их механизмах и закономерностях протекания во времени. Механизм химической реакции - совокупность стадий, из которых складывается та или иная реакция. Количественные характеристики и закономерности протекания химических реакций во времени неразрывно связаны с их механизмами. В этом состоит важнейшее отличие временных (кинетических) характеристик химических реакций от термодинамических: изменения энтальпии, энтропии, изобарного потенциала, константы химического равновесия и других, которые не зависят от пути протекания химической реакции.
В зависимости от того, одну или несколько фаз образуют исходные вещества и продукты реакции, химические процессы могут быть гомофазными (исходные вещества, стабильные промежуточные вещества и продукты реакции находятся в пределах одной фазы) и гетерофазными (исходные вещества, стабильные промежуточные вещества и продукты реакции образуют более чем одну фазу).
Реакции могут быть гомогенными (реакции, которые протекают в пределах одной фазы) или гетерогенными (реакции, идущие на границе раздела фаз). Сложные реакции, в которых одни стадии являются гомогенными, а другие - гетерогенными, называются гомогенно-гетерогенными.
Скорость реакции - изменение количества вещества (уменьшение исходных веществ и увеличение продуктов реакции) за единицу времени в единице объема реакционного пространства.
Главной особенностью процессов кристаллизации метаморфических горных пород является то, что они совершаются в горной породе, которая сохраняет твердое состояние. При незначительном объем жидкой фазы, образовавшиеся растворы при кристаллизации минералов вступают во взаимодействие с минералами, поэтому, кроме химических процессов, протекающих в самих растворах, необходимо учитывать то, что происходит с кристаллическими решетками минералов, с которыми эти растворы взаимодействуют. В частности, химические реакции при минералообразовании в метаморфических породах происходят не только на границе кристаллов и растворов, но и внутри кристаллических решеток минералов.
2. Процессы метаморфизма
Горные породы одного и того же минералогического состава, подвергаясь воздействию различных видов метаморфизма, приобретают разный минералогический состав. Среди метаморфических пород это явление имеет широкое распространение, встречается оно, хотя и гораздо реже, также и среди изверженных пород и известно под названием гетероморфизма. Гетероморфизм магматических горных пород объясняется тем, что магма одинакового химического состава при различных условиях кристаллизации может дать породы разного минералогического состава. Причиной гетероморфизма, столь широко распространенного среди метаморфических пород, является приход химического состава метаморфической горной породы к равновесию.
Помимо всего прочего химические реакции при метаморфизме можно охарактеризовать обратимостью или необратимостью. На поверхности Земли обнажаются метаморфические породы, образовавшиеся при различных давлениях и температурах, а также их неметаморфизованные аналоги. Сохранность первых из них в поверхностных условиях можно объяснить метастабильным характером присутствующих парагенезисов, претерпевших охлаждение. Оно будет идти примерно с той же скоростью, что и нагрев. Почему же в таком случае реакции, идущие в ходе нагревания (на прогрессивной стадии метаморфизма), не протекают в обратном направлении при столь же медленном охлаждении? Ответ кроется в том, что на прогрессивной стадии метаморфизма выделяющаяся при дегидратации вода вследствие открытого характера системы удаляется из нее.
Примеры необратимых равновесий:
Кварц + Хлорит + Мусковит = Биотит + Кордиерит + Гранат + Н2О
Мусковит + Кордиерит + Гранат = Кварц + Ставролит + Биотит + Н2О
Мусковит + Ставролит + Кордиерит = Кварц + Силлиманит + Биотит + Н2О
Кварц + Ставролит + Мусковит = Биотит + Гранат + Силлиманит + Н2О
Кварц + Ставролит = Кордиерит + Гранат + Силлиманит + Н2О
Именно поэтому сохраняются такие высокотемпературные минералы, как пироксены, гранаты и кордиериты. Фактором, препятствующим гидратации, даже при наличии воды, может быть и слабая проницаемость полностью перекристаллизованных пород.
Вода является активным агентом метаморфических реакций, если даже и не участвует непосредственно в этих реакциях, она выполняет роль катализатора, а также роль среды, через которую идет поступление компонентов к растущей грани кристалла. В сухом состоянии диффузия вещества к зерну протекает значительно медленнее, чем через флюид. Интересно, что присутствие воды в виде отдельной самостоятельной фазы не обязательно, достаточно бывает адсорбционных пленок.
Изменение условий метаморфизма (температур и давлений) приводит к изменению минерального состава пород, осуществляемое с помощью метаморфических реакций. В зависимости от характера минералообразования их можно подразделить на 6 типов:
1. Твердофазные превращения подразделяются на полиморфные переходы и разложение соединений. В реакциях этого типа летучие компоненты не участвуют, потому теоретически они не должны зависеть от состава флюида - он оказывает только каталитическое действие.
2. Реакции дегидратации (с повышением температуры) - гидратации (с понижением температуры).
3. Реакции с участием углекислоты. Различают реакции карбонатизации-декарбонатизации (реакции с поглощением или выделением углекислоты) и реакции с одновременным участием Н2О и СО2, они наиболее сложные.
4. Реакции кристаллизации сухих и мокрых магм:
5. Реакции окисления-восстановления:
6. Обменные реакции без появления новых минеральных фаз. При изменении условий обменные реакции протекают с изменением химического состава пород, но без изменения их видового минерального состава.
Движущей силой метаморфических реакций является изменение свободной энергии, которая освобождается или поглощается при обратимых процессах. Свободная энергия минимальна, когда в системе достигнуто равновесие. Система может быть открытой, если через ее границы происходит перемещение вещества (аллохимический метаморфизм), или закрытой (изохимический метаморфизм).