Большое количество минералов можно определить, взглянув на кристаллы. К примеру, везувиан узнается по своеобразной форме кристаллов (рис. 3.5). Кварц образует характерные друзы, у гранатов прекрасные хорошо ограненные кристаллы кубической сингонии и т.д.
Рис. 3.4. Определение направлений спайности у кальцита
Рис. 3. 5. Кристаллы везувиана
Методика визуального определения минералов и горных пород изложена в отдельном методическом пособии для студентов специальности 170200.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Назовите кларки самых распространенных химических элементов.
2. Чем отличаются эмпирические и структурные формулы минералов?
3. Что такое изоморфизм?
4. Назовите оси симметрии, встречающиеся у кристаллов.
5. Что такое кристаллографические сингонии?
6. Назовите эндогенные процессы минералообразования.
7. Назовите экзогенные процессы минералообразования.
8. На каком принципе построена классификация минералов?
9. Минералы какого типа наиболее распространены в земной коре?
10. Какие свойства минералов используют для визуальной диагностики?
4. магматизм и магматические породы
Вулканические извержения - одно из наиболее разрушительных и устрашающих явлений природы. Они наблюдались и регистрировались столетиями. Термин вулканизм происходит от слова «вулкано» - названия небольшого вулканического острова у берегов Италии.
Первая стадия магматической деятельности - образование жидкой магмы, расплавленной породы в недрах Земли. Магматический расплав может содержать взвешенные кристаллы и растворенные газы, в особенности, водяной пар. При излиянии магмы на поверхность образуется лава. При остывании и кристаллизации магмы образуются магматические породы.
Главным источником внутреннего тепла Земли служит радиоактивность. Геотермический градиент показывает увеличение температуры c глубиной и колеблется обычно от 2,5 до 3 оC на 100 м. Соответственно, геотермическая ступень - это повышение температуры на каждые 100 м глубины от земной поверхности, что составляет обычно 3 - 4 оС. Изливающийся магматический расплав имеет обычно температуру 1200 - 1400 оС.
Для плавления пород требуется определенное пространство, так как при этом их объем увеличивается примерно на 10 %. Увеличенная в объеме и, следовательно, более легкая магма гидростатически, за счет веса твердых пород вокруг нее и сверху, выжимается вверх по трещинам. Она может застыть на глубине или прорваться на земную поверхность в виде вулканических извержений центрального или трещинного типа. После извержения магматического расплава объемом до 10 - 20 км3 участок земной поверхности обычно проваливается, заполняя образовавшуюся в недрах пустоту.
Застывшая на глубине магма образует тела разной формы, называемые интрузиями. При излиянии на поверхность возникают эффузивные тела. Формы интрузивных образований показаны на рис. 4.1, строение вулканического аппарата - на рис. 4.2. На земную поверхность интрузии выступают после длительной эрозии и размыва перекрывающих их пород. Известны выходы батолитов площадью несколько тысяч кв. км в Карелии. Ответвление от батолита называется штоком. Силлы залегают согласно с вмещающими породами, мощность их достигает несколько сот метров. Образование лакколита происходит в случае внедрения магмы с поднятием вмещающих пород, мощность его составляет от десятков до сотен метров. Дайки образуются в трещинах земной коры, они характеризуются большой протяженностью, иногда в несколько километров, и толщиной от долей метра до десятков метров. Некк - застывшее вулканическое жерло. Ели излившаяся из вулкана магма течет в одном направлении в виде вытянутого языка, то она образует поток; если излияние происходит из протяженной трещины и магма равномерно покрывает площади в десятки и сотни километров, то образуется покров.
Рис. 4.1. Формы залегания интрузий
Рис. 4.2. Схема строения вулканического аппарата
1 - кальдера; 2 - сомма; 3 - конус; 4 - кратер; 5 - жерло; 6 - лавовый поток; 7 - лавовый очаг
Вулканы бывают эффузивные со спокойным характером излияний и эксплозивные (взрывные). Они могут принимать форму лавовых или шлаковых конусов, сложных конусов; бывают действующими, спящими или потухшими. Состав изливающейся лавы колеблется в широких пределах. Вершина вулкана - это кратер или кальдера; разнятся они размерами и строением. Кратером считают образовавшуюся при извержении воронку диаметром от нескольких метров до километра. Кальдеры бывают диаметром до 10 км (Анпакчак на Аляске), в периоды между извержениями они обычно заполнены озерами.
Сейчас известно около 600 вулканов, действовавших на памяти человечества. Две трети из них сосредоточены в островных дугах вокруг Тихого океана или на континентальной стороне границ между плитами. Второй пояс концентрации вулканов, в котором сосредоточена примерно четверть их общего количества, протягивается от Италии, Турции через Южную Азию к Индонезии. Вулканы третьей группы связаны со срединно-океаническими хребтами Атлантики. Еще отмечаются цепочки вулканических островов в Тихом океане, и в первую очередь Гавайские острова.
Кроме наземных вулканов, в акватории Тихого океана находится около 10000 подводных вулканов высотой не менее 1 км. Большинство их никогда не поднималось выше уровня моря, но некоторые были вулканическими островами, теперь погруженными вследствие движений земной коры.
4.1 Продукты вулканических извержений
Газообразные вулканические продукты. 75 - 90 % выделяющихся газообразных компонентов составляет водяной пар. Еще присутствуют соединения азота и углерода, сероводород, сернистые газы, сера, хлор, фтор, аммиак, метан, аргон и продукты их реакций. Взаимодействуя с атмосферной влагой, многие из этих веществ образуют кислоты, что приводит к выпадению обильных «кислотных дождей».
Фумаролы - это жерла, через которые у подножий вулканов в периоды между интенсивными извержениями вырываются водяной пар и другие разогретые газы с температурой от 100 до 650 оС. Из газов путем возгонки образуются самородная сера, хлориды металлов, сульфиды ртути, мышьяка, сурьмы и другие соединения. Очень опасны для человека и животных выбросы оксидов углерода, которые не заметны простым глазом, но отравляют все живое.
Сольфатары - это фумаролы, выделяющие сернистые газы. Обычным продуктом является сероводород, из которого выпадает сера. Промышленная разработка серы из сольфатар ведется в Италии, Мексике, Японии.
Жидкие продукты извержений. Это прежде всего сама магма, изливающаяся в виде лавы. Форма, размеры, особенности внутреннего и внешнего строения лавовых потоков очень сильно зависят от характера магмы. Жидкие базальтовые лавы выплескиваются с первоначальной температурой 1000 - 1200 оС, и они сохраняют текучесть даже при 700 оС. Прежде чем лава застынет, она растекается на расстояние 20 - 30 км от очага извержения. Скорость движения жидких базальтовых лав достигает 50 км/ч, и их извержения носят довольно спокойный характер.
Гранитные лавы очень вязкие, насыщенные газами, извержения их происходят с большими шумовыми эффектами. Температура их при извержении часто не достигает и 1000 оС. На поверхности земли такая лава растекается медленно, скорость потока обычно достигает всего лишь несколько десятков метров в сутки. В результате получаются лавовые потоки относительно небольшой длины, обычно не более 1 км.
Эффузивные породы основного состава имеют широкое распространение на земном шаре. Поскольку гранитные лавы вязкие и с трудом выдавливаются на поверхность земли, они встречаются как эффузивные образования намного реже, чем базальтовые.
Твердые вулканические продукты называются пирокластическими обломками, или пирокластами. Это могут быть куски породы, захваченные потоком лавы с глубины. Но основная часть пирокластов представляет собой куски лавы, вылетевшие из жерла вулкана при его извержении. Пролетев многие сотни метров, они остывали в воздухе и падали на склоны вулкана уже отвердевшими. Обломки длиной более 7 см называют вулканическими бомбами, от 2 мм до 7 см - лапилли, а частицы размером менее 2 мм классифицируются как вулканический пепел. Частицы пепла обычно состоят из обломков кристаллов или стекла. Наиболее распространен стекловатый пепел.
Мощные эксплозивные извержения выбрасывают в атмосферу до высоты 40 км громадные количества пепла, которые могут даже повлиять на климат на Земле. После извержения трещинного вулкана Лаки в Исландии в 1973 г. в верхних слоях атмосферы было столько пепла, что в течение следующего года температура воздуха в Северном полушарии упала на 1 - 2 оС. Извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1992 г. сопровождалось катастрофическим пеплопадом, который вынудил американцев эвакуировать свои военные базы. Но, по-видимому, самый мощный вулканический взрыв, который помнят люди, произошел в 1815 г. на острове Сумбава в Индонезии. Тогда при взрыве вулкана Тамбора объем извергнутого пепла достиг 80 км3.
4.2 Типы извержений и примеры вулканической деятельности
Вулканологи выделяют шесть основных типов извержений вулканов [6], которые характеризуются своеобразным течением процесса извержения (рис. 4.3). Катмайский тип (по названию трещинного вулкана Катмаи на Аляске) - мощный взрыв с разрушением вулканической постройки и образованием большого количества спекшегося пирокластического материала (игнимбритов).
Рис. 4.3. Типы извержений вулканов
1 - катмайский; 2 - пелейский; 3 - плинианский; 4 - гавайский; 5 - стромболианский; 6 - вулканский
Пелейский тип (по названию вулкана Мон-Пеле на о. Мартиника в архипелаге Малых Антильских островов) - извержение, во время которого очень вязкая лава выдавливается из жерла, не растекаясь, или закупоривает его так, что скопившиеся газы разрывают вершину вулкана. Образуются палящие тучи, и смесь из газов и подвижного материала потоками с большой скоростью стекает вниз по склонам. Извержение плинианского типа (в 79 г. н.э. описано итальянским историком Плинием младшим при извержении Везувия) - извержение с выбросами огромного количества пирокластического материала и газов.
Гавайский тип (характерен для вулканов Гавайских островов) - извержение с жидкой быстротекущей лавой без больших взрывов. Стромболианский тип - (по названию вулкана Стромболи на одном из Липарских островов) - извержение с подвижными потоками лавы, сопровождающееся мощными взрывами, выбросами пирокластического материала и грушевидных, часто скрученных бомб. Извержение вулканского типа - (по названию вулкана Вулькано на одном из Липарских островов) - извержение с очень вязкой лавой, склонной образовывать купола; газы во время такого извержения производят оглушительные взрывы с выбросом в атмосферу большого количества пирокластического материала и бомб типа «хлебной корки». Приведем примеры извержений некоторых вулканов.
Вулкан Парикутин, Мексика, 1943 - 1952 г. Он возник однажды утром посреди маисового поля и за сутки вырос до конуса высотой 10 м. Через неделю высота вулкана достигла 110 м. За первый год он вырос до высоты 325 м. Вулканологи организовали наблюдение за извержением и зафиксировали историю вулкана от рождения до угасания. В конце извержения площадь эллиптического конуса составила 600 х 900 м, высота 420 м и диаметр кратера 270 м. Окружающая территория на большом пространстве была покрыта вулканическим пеплом. Суммарный объем продуктов извержения составил 0,8 км3.
Вулкан Мауна-Лоа на Гавайских островах поднимается со дна океана с глубины около 5300 м и возвышается на 4500 м над уровнем океана; таким образом, общая высота вулкана достигает около 10000 м. Его объем превышает 21000 км3, т.е. больше объема любого из всех остальных вулканов на земном шаре. Мауна-Лоа имеет широкую куполообразную вершину и пологие склоны, сложенные тонкими потоками базальтовой лавы. На вершине имеется кальдера длиной 6 и шириной до 3 км; ее стенки местами поднимаются на 200 м. Дно кальдеры рассечено в длину несколькими субпараллельными трещинами, по которым временами лава поднимается до бортов кальдеры и переливается через ее край. Вулкан регулярно действует в течение двух веков.
Вулкан Мон-Пеле, остров Мартиника в Карибском море, 1902 г. До этого, в 1792 и 1851 гг., здесь отмечались средние по силе извержения. Весной 1902 г. чрезвычайно вязкая лава поднялась в кратере; при этом образовалась куполовидная массивная корка, закупорившая отверстие подводящего канала. Перегретый водяной пар, сдерживаемый этой пробкой, периодически вырывался из-под нее, увлекая вместе с собой горячие, насыщенные пеплом палящие тучи, которые обладают большой плотностью и скатываются вниз по склону. 8 мая произошел особенно мощный взрыв, и палящая туча температурой 600 оС пронеслась над городом Сен-Пьер, погубив за одну минуту 28000 жителей. Уцелел только один узник в подземной тюрьме. Все корабли, которые стояли в гавани, были опрокинуты и сожжены. В октябре 1902 г. пробка была вытолкнута и распалась на куски, но из трещины к вершинной части горы стала подниматься мощная очень вязкая «игла» - скальный монолит, который к весне 1903 г. достиг высоты более 300 м. Затем в течение года игла распалась.
Вулкан Кракатау, Индонезия, 1883 г. Самое известное эксплозивное извержение произошло на острове Кракатау, расположенном у западной оконечности о. Ява. За шесть лет до извержения в районе начались землетрясения, частота которых постепенно возрастала до мая 1883 г., когда Кракатау начал выбрасывать вулканический пепел. Сила извержения росла и достигла максимума в августе 1883 г. Серией гигантских взрывов, продолжавшихся три дня, была снесена часть острова и выброшена огромная масса пемзы. Облака, наполненные удушающей вулканической пылью, затмили днем небо над Джакартой, удаленной на 160 км; затем при конденсации пара выпал грязевый дождь. Тонкая вулканическая пыль взвилась на десятки километров вверх, в стратосферу. За две недели пыль разнесло по всему земному шару. Судя по 65-метровой толщине пемзы в окрестностях вулкана, общее количество изверженного материала составило около 20 км2. Пемза выпала на площади радиусом 15 км. Взаимодействие горячей лавы с морской водой, проникшей в кальдеру, вызвало взрыв, который слышали в Австралии на расстоянии 5000 км. Вызванные землетрясением цунами достигли высоты 40 м. После того как подземный резервуар с насыщенной газами лавой был в результате взрывов опорожнен, поверхность быстро просела, и образовался бассейн шириной около 6 км и глубиной 230 м. В 1923, 1933, 1972 гг. отмечались новые извержения, но значительно меньшей мощности.