Основная информация о формировании магматических, метаморфических и осадочных пород

Все горные породы в соответствии с условиями их образования делятся на четыре генетических класса: магматические, метаморфические, осадочные и коптогенные. Магматические (или изверженные) породы образуются в результате кристаллизации или застывания силикатного (преимущественно) расплава, который называется магмой. Осадочные горные породы – продукты преобразования осадков, накопившихся на земной поверхности в результате разложения других, ранее существовавших пород и жизнедеятельности организмов. Метаморфические горные породы – продукты перекристаллизации магматических и осадочных пород без расплавления. Коптогенные горные породы – продукты ударного метаморфизма, образующиеся при кратковременном воздействии огромных давлений и температур.

Магматические породы разделяются, прежде всего, по фациальным условиям образования на три класса: плутонические, вулканические и гипабиссальные. Плутонические породы кристаллизуются в абиссальных условиях, образуясь путем интрузии (внедрения расплава), поэтому их называют интрузивными. Вулканические породы застывают на земной поверхности, образуясь путем эффузии (излияния), поэтому называются эффузивными или излившимися. Гипабиссальные породы кристаллизуются (или застывают) в полуглубинных условиях и, по сути, являются частично излившимися, т. к. застывают близ поверхности и могут частично изливаться на поверхность, поэтому их еще называют субвулканическими.

Магматические породы характеризуются определенным химическим и минеральным составом. Химический состав показывает количественное соотношение элементов, входящих в состав породы. Минеральный состав отражает характер соединений, в которых находятся эти элементы в породе. Минеральный и химический состав взаимосвязаны, хотя и не всегда визуально можно определить эту связь. Породы, имеющие один и тот же химический состав, могут иметь разный минеральный состав, т. к. последний зависит не только от состава исходного расплава, но и от условий его кристаллизации. Также это касается вулканических пород, где вместо минералов часто присутствует вулканическое стекло, а также измененных пород, где первичные магматические минералы замещаются вторичными.

По степени кремнекислотности магматические породы разделяются на кислые (SiO₂ 65–75 мас. %), средние (SiO₂ 54–65 мас. %), основные (SiO₂ 45–54 мас. %) и ультраосновные (SiO₂ менее 45 мас. %).

По соотношению других главных окислов Na₂O, K₂O, СаО, и Al₂O₃ породы делятся на три ряда: нормальный, или известково-щелочной. Для него характерно следующее соотношение главных окислов: СаО + Na₂O + + K₂O > Al₂O₃ > Na₂O + K₂O; пересыщенный щелочами, или агпаитовый, со следующим соотношением окислов: Na₂O + K₂O > Al₂O₃; пересыщенный алюминием, или плюмазитовый: Al₂O₃ > Na₂O + K₂O + СаО.

Пересыщенные породы (кислые и часть средних) содержат в своем составе свободный кремнезем в виде кварца. Насыщенные породы (средние и часть основных) не содержат в своем составе свободный кремнезем, а также минералы, недосыщенные кремнеземом (оливин и фельдшпатоиды).

Минералы магматических пород различаются по количественному составу и по генезису. По своему происхождению минералы магматических пород могут быть первичнымии вторичными. Первичные минералы образуются непосредственно при кристаллизации магматического расплава. Вторичные – при изменении первичных минералов, после кристаллизации расплава – в постмагматическую стадию.

По количественному соотношению все первичные минералы разделяются на главные, второстепенные иакцессорные. Главныепородообразующие минералы составляют основную часть пород, количество каждого из них должно составлять не менее 5 %. Присутствие главных минералов определяет тип горной породы. Если главные минералы входят в состав породы в небольшом количестве (менее 5 %), то они описываются каквторостепенные составные части. Главные и второстепенные минералы представлены силикатами и алюмосиликатами, которые различаются особенностями химического состава и окраской. В связи с этим выделяют темноцветные, или мафические[1] (фемические), содержащие много железа и магния, и светлоцветные, или салические[2], содержащие много кремния и алюминия. К фемическим минералам относятся оливин, пироксены, амфиболы, слюды (биотит, флогопит и др.), мелилит; к салическим – плагиоклазы, калиево-натриевые полевые шпаты, кварц, фельдшпатоиды.

Акцессорные минералы в породе обычно содержатся в количестве не более 5 % – это редкие минералы. Акцессорные минералы подразделяются на характерные, присутствующие только в определенных породах (хромит, шпинель, перовскит, монацит, эвдиалит, ортит, шорломит и др.), и нехарактерные, встречающиеся в породах разного состава (например, апатит, циркон, сфен, магнетит).

Вторичные минералы могут образовываться в разное время после кристаллизации магмы. Иногда они возникают непосредственно из газов и растворов, выделившихся из магмы при ее кристаллизации, но чаще при взаимодействии этих компонентов с первичными минералами. Вторичные минералы, образовавшиеся сразу после кристаллизации магмы, называются эпимагматическими (или постмагматическими). Образовавшиеся при процессах выветривания называются экзогенными. К вторичным минералам магматических пород относятся серпентин, хлорит, тальк, серицит, каолинит, мусковит, карбонаты, цеолит, тремолит, актинолит и др.

Кроме первичных и вторичных минералов в магматических породах иногда присутствуют ксеногенные (чуждые), или случайные, минералы. Они попадают в горные породы извне, и не связаны с процессом кристаллизации первичного магматического расплава.

В магматических породах выделяют цветное число отражает кремнекислотность магматических пород: ультраосновные породы имеют индекс М (в %) 90–100, основные – около 50, средние – около 30 и кислые – 10. Это находит отражение в окраске пород. Неизмененные ультраосновные породы имеют черный цвет, основные – темно-серый, средние – серый, кислые – светло-серый, светло-розовый, белый. Однако в природе нередки отклонения от средних содержаний. Так порода может содержать заметно меньше или больше темноцветных минералов, чем типичная разность той же кислотности. В таких случаях более темная порода называется меланократовой, а более светлая – лейкократовой. Горную породу с типичным цветным числом называют мезократовой.

Метаморфические породы имеют особые полнокристаллические структуры, возникающие в результате перекристаллизации вещества в твердом состоянии.

Степень метаморфизма, как его виды, различна. Существуют постепенные переходы разности соответствующих осадочных и магматических пород в метаморфические. Преобразование пород может происходить: на контакте интрузии с боковыми породами (контактовый метаморфизм); при воздействии горячих вод на породы, слагающие стенки трещин, по которым воды перемещаются (гидротермальный метаморфизм); в результате огромных давлений, возникающих на глубине (динамометаморфизм), и при участии всех этих факторов на огромных пространствах, в складчатых областях- регионах (региональный метаморфизм).

Растворение первичных минералов часто приводит к развитию метасоматоза (замещение одних минералов другими). Изучение таких структур дает возможность выяснить последовательность развития одних минералов за счет других и тем самым восстановить историю постепенного преобразования породы с самого начала. Этому способствует медленность процесса неполнота метасоматического замещения отдельных минералов с сохранением последовательных стадий развития отдельных кристаллических фаз. В таких породах будут встречаться остатки прежних минералов и первичных остаточных структур. Без более детального подразделения среды структур метаморфических пород выделяют: кристаллобластические, катакластические и реликтовые.

Кристаллобластические структуры образуются в результате перекристаллизации и роста кристаллов в твердом состоянии под влиянием их кристаллизационной силы. В таких структурах степень оформленности зерен является лишь выражением их кристаллизационной силы и не связана с последовательностью их выделения из расплава. Сам процесс перекристаллизации называется кристаллобластезом. Катакластические структуры возникают под влиянием сильного одностороннего давления, вызывающего деформации и дробление. Реликтовые (остаточные) - сохраняют следы структуры первичной породы. Так, например, в гнейсах наблюдаются остатки структуры гранитов.

Типичными текстурами метаморфических пород является: сланцеватая, полосчатая (ленточная, гнейсовая) и массивная, рассмотренные ранее, а также очковая, волокнистая и плойчатая. Минералогический состав метаморфических пород на высоких стадиях метаморфизации довольно близок к породам магматическим.

Контактовый метаморфизм и метасоматоз наиболее глубоко изменяют осадочные горные породы. Отмечается обогащение пород кварцем (окварцовывание), образование хлоритов путем метасоматического замещения первоначальных минералов (хлоритизации), обогащение серицитом за счет полевых шпатов и глинистых минералов (серитизация), карбонатизация и другие изменения.

Действие процесса динамометаморфизма вызывается главным образом тектоническими движением земной коры. Так как плоскости сланцеватости располагаются нормаль к действию сил, то по расположению этих плоскостей можно судить о направлениях, в которых происходили подвижки.

Метаморфизм, охватывающий громадные площади и объемы называют региональным. Он связан с подвижными зонами земной коры - геосинклиналями. В геосинклиналях мощные толщи пород оказывались под влиянием совместного действия высоких температур и давлений. Различают три степени изменения горных пород при региональном метаморфизме.

1.Первая степень соответствует относительно слабому изменению пород. Такие изменения происходят при температурах порядка 500°С и давлениях не выше 500Мпа (5000ат); при этом механически процессы преобладают над химическими и в метаморфизованных породах могут еще сохраняться водные минералы. Эту стадию называют стадией низкой степени метаморфизма, или эпиметаморфизма (соответствует самой верхней части зоны метаморфических изменений). На этой стадии глины преобразуются в филлиты, песчаники - кварциты, известняки - в мрамор; характерны различные сланцы, образующиеся при метаморфизме глинистых и вулканогенных пород.

2. Вторая стадия (средняя степень) метаморфизма, или мезаметаморфизм, характеризуется температурами от 500 до 1000°С и давлением от 500 до 10ООМпа (от 5000 до 10000ат). Этой стадии соответствует потеря водными минералами химически связанной воды во всех ее видах (цеолитной, кристаллизационной и конституционной). Наряду со сланцевой этой стадии метаморфизма свойственна гнейсовая (полосчатая) текстура. Образуются гранатослюдистые и роговообманковые сланцы, кварцполевошпатные гнейсы и др. Глинистые и кварцевые породы преобразуются в слюдяные сланцы и гнейсы, кислые породы — в гнейсы, а основные - в амфиболиты.

3. Температура более 1000°С и давления более 1000Мпа (10000ат) соответствуют стадии высокой степени метаморфизма, или катаметаморфизму. При этом гидростатическое давление преобладает над боковым, а химическое воздействие на горные породы - над механическими. Кристаллизация минералов полная. Кристаллические породы приобретают гнейсовую и массивнокристаллическую текстуру. Структура становится кристаллобластической или бластокристаллической, т.е. соответствующей полной или неполной перекристаллизации первоначальных минералов. Стадии катаметаморфизма свойственно образование высокотемпературных минералов: плагиоклазов, оливина, граната, кварца, корунда и др.

Особенности химизма метаморфических пород (исключая метасоматиты) обусловлены исходным материалом, из которого они образуются – магматическим или осадочным.

Для метаморфических пород, образованных за счет преобразования магматического материала используют термин «орто» (ортогнейсф, ортоамфиболиты), при исходном осадочном составе употребляют приставку «пара» (парагнейсы и т.п.)

Существуют типоморфные минералы в метаморфических породах:

Группа А минералы, богатые глиноземом, включая магнезиально-глиноземистые и железо-глиноземистые, образуются при контактном и региональном метаморфизме глин и глинистых пород, содержащие магний и железо. К этим минералам относят андалузит, силлиманит, дистен, ставролит, диаспор, парофиллит, кордиерит, хлориты и хлоритоиды, турмалин.

Группа Б минералы, богатые магнием и кальцием –тальк, серпентин, брусит, флогопит, периклаз, антофиллит, форстерит, хондродит, волластонит, тремолит, диопсид, везувиан, гранаты, скаполит, группа эпидота и др.