Всего на сайте:
236 тыс. 713 статей

Главная | География

Распространение и происхождение магматических пород  Просмотрен 84

 

Вопрос о причинах разнообразия и особенностях распределения магматических пород достаточно прояснился лишь в 60-х годах прошлого века. А среди самых ранних геологов назовем монаха Кирхера (начало XVII в.), который говорил о существовании в недрах планеты многочисленных и разрозненных магматических очагов, предопределявших разнообразие магмы. Напротив, из гипотезы Канта - Лапласа (начало XVIII в.) о «первоначально расплавленной Земле» выходило, что магма должна быть единообразной. К концу прошлого века стало ясно, что классов магматических пород даже больше, чем возможных исходных магм. Это обусловлено магматической дифференциацией: удалением летучих компонентов или выделением кристаллов, всплыванием легких (например, санидина) или опусканием тяжелых (например магнетит), а также разделением - ликвацией в расплавленном состоянии.

Кроме того, внедряясь в застывшие магматические или осадочные горные породы магма обменивается с ними веществом. Системы с одним объяснением не получалось. Ключом к дальнейшему рассуждению послужила неравномерность распределения магматических пород. Широкое распространение гранитов и базальтов привело Ф.Ю. Левинсон-Лессинга в 1910 г. к предположению о существовании двух исходных магм, которые так и были названы - гранитная и базальтовая. Графически это соотношение продемонстрировали в 1922 г. два английских геолога - преподаватель и его студент - У.А. Ричардсон и Ж.Снисби. Оказалось, что наиболее распространены магматические породы с содержанием SiО2 52,5% - основные, базальты и 73% - кислые, граниты (рис.2.1).

 

Рис. 2.1. Распространенность горных пород разного состава: а - по данным Ричардсона (Richardson, Sneesby, 1922); б - по данным П.Н.Кропоткина (1941); распространенность горных пород по отношению к общей площади, занятой соответственно эффузивными или интрузивными породами. 1 - эффузивные породы; 2 - интрузивные породы

 

Дальнейшее решение проблемы происхождения теперь уже по крайней мере двух исходных магм было основано на детальных полевых исследованиях, которые проверялись экспериментально при плавлении и кристаллизации силикатных расплавов. Расплавленное жидкое вещество разных составов в недрах Земли образуется и существует на разных глубинах, хотя в целом земная кора твердая. Можно выделить ряд зон в земной коре, где сосуществует, наряду с твердым и вещество в жидкой фазе:

1) пресная вода, находящаяся выше уровня моря - в реках и озерах, наряду со льдом, и в приповерхностных слоях литосферы;

2) вода соленая, заполняющая отрицательные формы рельефа планеты - вода океанов;

3) глубинные рассолы и минеральные воды недр литосферы, пропитывающие горные породы до глубины 2-5 км и образующие единую систему с углеводородами.

4) силикатные растворы с растущей вглубь концентрацией до глубин 5-10 км;

5) гранитные магматические расплавы, существующие на глубинах 12-15 км при давлении 4 кбар, содержащие до 10% Н2О. Далее на глубинах 20-100 км следует область, бедная жидкими составляющими;

6) «Сухие магмы» основного состава. Распространены на глубинах 100 км при давлении 3 кбар, температуре 1300°. Вверху они андезитовые, внизу более основные, вплоть до оливиновых базальтов.

По-видимому, в основании слоя возможного существования базальтовой магмы находится астеносфера - планетарный прерывистый слой субрасплавленного вещества, по которому «проскальзывает» по мантии земная кора. Геофизические данные говорят о твердых свойствах вещества, находящегося еще ниже, под волноводом, областью базальтовой магмы, астеносферы.

Сравнение среднего химического состава осадочных пород и земной коры в целом показывает, что каких-либо кардинальных различий по главным компонентам не отмечается (табл. 11). Вместе с тем, некоторые важные отличия существуют. Из них прежде всего необходимо отметить повышенное содержание в осадочном комплексе кальция (в разы больше, чем в гранито-гнейсовой оболочке), резко повышенное содержание органического углерода, углекислоты, воды, а также летучих - серы, хлора, фтора (в 5-10 раз).

 

2.3. Метаморфические горные породы

Метаморфические (превращенные) породы образуются из магматических, осадочных или других метаморфических пород в результате действия химических и физических (давление и температура) факторов. При метаморфизме породы преобразуются без переплавления в глубине земной коры. Различают следующие разновидности метаморфизма. Региональный метаморфизм, проявляется на огромных площадях, когда толщи пород погружаются в глубокие недра (превращение известняка в мрамор, глин - в глинистые сланцы, затем в кристаллические сланцы и гнейсы). Породы регионального метаморфизма составляют значительную часть разреза земной коры и поверхность многих ее территорий. Они образуются при погружении участков земной коры на глубины в десятки и сотни километров, где породы перекристаллизовываются, в них образуется комплекс новых минералов.


Таблица 11.

Классификация главных магматических пород по составу, структуре и происхождению.

 

Содержание SiO2 % <52 52-65 62-75 52-65 45-52 <45    
  Минеральный состав породы   Условия образования и структура Нефелин, К - полевой шпат, кислый плагиоклаз, щелочные пироксены и роговая обманка биотит К - полевой шпат, роговая обманка, кислый плагиоклаз щелочные пироксены биотит Кварц, К - полевой шпат, кислый плагиоклаз слюды, роговая обманка Кварц, средний плагиоклаз, К- полевой шпат, роговая обманка, биотит, пироксен Средний плагио-клаз, роговая обманка пироксен, биотит, Основной плагио-клаз, пироксен, оливин, биотит, роговая обманка Оливин пироксен рудные минералы   
эффузивные нео-тип-ные порфировые с микрокристалли-ческой, или стекловатой основной массой фонолит трахит липарит (риолит) дацит андезит базальт пикрит
палео-тип-ные ортоклазо-вый порфир кварцевый порфир дацитовый порфирит порфи-рит базаль-товый порфи-рит     
интрузивные Гипабиссальные - полнокристаллические, порфировидные или средне- и мелкокристаллические порфировид-ный нефелиновый сиенит порфиро-видный сиенит порфиро-видный гранит порфиро-видный гранодиорит порфиро-видный диабаз порфировид-ные дунит, пироксенит, перидотит  
Абиссальные - полнокристаллические, крупнокристаллическиеравномернокристалли-ческие нефелиновый сиенит сиенит гранит гранодиорит диорит 1) габбро 2) дунит3 пироксенит перидотит   

1) При наличии более 5% кварца -кварцевый диорит.

2) Типичное габбро состоит из основного плагиоклаза и моноклинного пироксена; лабрадорит - из основного плагиоклаза (лабрадора), норит - из основного плагиоклаза и ромбического пироксена, габбро-норит - из основного плагиоклаза и пироксенов (ромбических и моноклинных)

3) Дунит состоит из оливина, пироксенит из пироксена, а перидотит из оливина и пироксена.


Граница между эпигенезом (об этом см. ниже) и региональным метаморфизмом условно проводится по массовому появлению новых минералов, в первую очередь слюд, роговых обманок и полевых шпатов. По тому, какие преобразования произошли в породе, выделяют фации метаморфизма, называемые по преобладающим новообразованным минералам.

Цеолитовая фация формируется при давлении 2-3 тысячи атмосфер и температуре 200-300°. Будучи переходной от эпигенеза, ее минералы неустойчивы и редко сохраняются.

Фация зеленых сланцев характерна для метаморфизма глинистых пород, которые формируются при температуре более 300 градусов и давлениях 2-4 тыс. атм.

Фация амфиболитов формируется при температурах свыше 700° и давлениях свыше 10 тыс. атм. В этих условиях начинает выплавляться из осадочных пород гранитная магма.

Фация гранулитов характерна для температур свыше 700° град. и давлении до 10 тыс. атм. Происходит частичное расплавление и перекристаллизация пород.

- Эклогитовая фация формируется на глубинах около 40 км при температурах, превышающих 700 градусов и давлениях более 10 тыс. атм.

- Динамометаморфизмпроисходит под действием одностороннего давления без значительного повышения температуры. В результате часто породы раздробляются вплоть до истирания в пыль, преобразуются в глины. Обычно они связаны с разломами и для нефтяников важны тем, что к ним приурочены узкие зоны трещинных коллекторов, обладающих высокой проницаемостью. Поэтому с зонами разломов связаны не только высокие дебиты, но и выбросы, фонтаны, случающиеся при бурении.

- Контактовый метаморфизм- возникает при температурном воздействии на горные породы внедряющихся горячих интрузий. В результате часто получаются горные породы, похожие на кость, или рог. Их так и называют - роговики. Простейший пример – контактового метаморфизма – обжиг осадочной породы на контакте с расплавленной магмой. Однако здесь происходят и значительные химические реакции, приводящие к образованию новых минералов и горных пород. Классическим примером пород контактового метаморфизма являются скарны, образующиеся при внедрении магмы в карбонаты. Здесь образуются новые минералы и месторождения полезных ископаемых.

- Автометаморфизм происходит в тех случаях, когда в очаге застывающей магмы остаются раскаленные флюиды, которые перерабатывают затвердевшую часть интрузии, внедряясь в нее. С некоторой долей условности сюда можно отнести гидротермальный метаморфизм, когда горячие воды, насыщенные активными анионами, вымывают из вмещающих пород катионы металлов, а потом осаждают их, образуя рудные месторождения. Область этого метаморфизма также достаточно ограниченна.

- Регрессивный метаморфизм возникает, когда горные породы, образовавшиеся при высоких температурах и давлениях, попадают в условия умеренных и малых давлений и температур (например, ультраосновные породы превращаются в метаморфическую породу серпентинит, которая затем может превратиться в асбест). Конечной стадией регрессивного метаморфизма является выветривание на поверхности Земли, или гипергенез. Здесь породы раздробляются, окисляются, превращаются в глины и почвы – особые биогеологические тела. Поверхности древнего (палео- ) рельефа и слагающие их минералы и горные породы представляют особый интерес для нефтяников.

Естественно, что в метаморфических породах не сохраняются органические соединения. На начальных стадиях метаморфизма углеводороды, будучи разогретыми, возгоняются в низкотемпературные зоны и мигрируют, а углистое вещество переходит в графит. Важно подчеркнуть, что несмотря на высокие температуры, в метаморфических породах крайне затруднена миграция веществ, и в результате процессов регионального метаморфизма химический, элементный состав пород, попавших в эту зону, например, песчаников, глинистых сланцев и так далее, сохраняется при перекристаллизации и полной трансформации при образовании метаморфических пород, т.е. процесс регионального метаморфизма изохимичен.

Как можно понять из сказанного, в зоне метаморфизма породы могут расплавиться, но, как правило, происходит, не полное, а частичное плавление, точнее, выплавление вещества, которое в отдельных случаях может концентрироваться, образуя очаг магмы. Именно по этой схеме и выплавляется из пород осадочных гранитная магма.

Импактный (ударный) метаморфизмвозникает в породах, подвергшихся кратовременному ударному воздействию, которые называются коптогенными. Эти породы возникают в месте соударения космических тел (по отношению к Земле - в месте падения метеоров и астероидов). При этом выделяющееся в первый момент тепло испаряет вещество и метеора и мишени-Земли, которое в виде силикатного «пара» поднимается в атмосферу, где конденсируется и падает на Землю стеклянным дождем силикатных капелек - тектитов. Высокое давление разрушает и трансформирует минералы Земли – мишени. Они растрескиваются, приобретают несвойственную им спайность (кварц), иногда перекристаллизовываются в более плотные кристаллические структуры. Таким образом, в ударных кратерах из углистых сланцев образуются алмазы, из обычного кварца - его высокобарические модификации - коэсит и стишовит. В других кристаллах в результате резкой смены давлений полностью разрушается кристаллическая решетка, их структура становится беспорядочной, подобной аморфной структуре стекла.

Систематическое изучение метеоритных кратеров и образующихся в них минералов связано с изучением поверхности Луны, которая практически вся переработана ударами метеоритов. На Земле импактные породы быстро разрушаются осадочным процессом и относительно редки.

С метеоритными кратерами связаны полезные ископаемые. Так, в кратере Попигай нашли алмазы, в Сотсберри - метеоритный никель, Большка (на Украине) – горючие сланцы. Локальные изолированные зоны трещиноватости, окружающие ударный кратер, могут стать ловушкой для нефти и газа. Скрытый под более молодыми осадками Калужский метеоритный кратер используется как газохранилище - в его пористые породы закачивают газ.


Глава 3

Осадочные горные породы

3.1. Химический и минеральный состав

осадочных пород

 

Сравнение среднего химического состава осадочных пород и гранито-гнейсовой оболочки земной коры в целом показывает, что каких-либо кардинальных различий по главным компонентам не отмечается (табл. 12). Вместе с тем, некоторые важные отличия существуют. Это, прежде всего, повышенное содержание в осадочном комплексе кальция по сравнению с гранито-гнейсовой оболочкой, резко повышенное содержание органического углерода, углекислоты, воды, а также летучих - серы, хлора, фтора (в 5-10раз).

Таблица 12.

Средний минеральный состав магматических

(Заварицкий, 1956) и осадочных (Кузнецов,1998) пород

 

Минералы Магматические породы,% Осадочные породы,%.
Кварц 10-12 20-22
Плагиоклазы 8-10
Ортоклаз 16-18  
Амфиболы, пироксены, биотит 19-20  
Магнетит, апатит   
Глинистые минералы (гидрослюды, монтмориллонит, каолинит, и др.) 40-45  
Кальцит, доломит   20-25
Гипс, ангидрит, галит   1-2
Лимонит   2-3
Опал   2-3
    

 

Если химический состав пород осадочных и магматических близок, то отличия их минерального состава кардинально различны и общее у них лишь то, что и те и другие сложены, в основном, твердым кристаллическим веществом - в просторечии - и те, и другие - камни. Кроме того, и в тех и в других породах есть кварц - наиболее устойчивый в стратисфере породообразующий минерал, в осадочных породах присутствуют и полевые шпаты, и мусковит. Все остальне магматические минералы на поверхности Земли неустойчивы и разрушаются. Самые распространенные в магматических породах – полевые шпаты (до 65%) становятся источником самых распространенных в стратисфере глинистых минералов (40-45%). Отсутствуют в магматических породах карбонаты - хемогенные и, в основном, биогенные минералы - по сути дела умершие и окаменевшие живые существа.


3.2. Общее представление об осадочном процессе.

 

Осадочные горные породы - это геологические тела, закономерные ассоциации (парагенезы) минералов, возникшие на поверхности литосферы и существующие в термодинамических условиях поверхностной части земной коры. Общий объем осадочных (А.Б.Ронов, 1993) отложений неогея (верхний докембрий – фанерозой) достигает 1130 ּ 106км3. Это составляет всего 11 % объема земной коры и 0,1 % общего объема всей Земли, или 9 % массы коры и лишь 0,5% массы Земли. Несмотря на столь небольшое, казалось бы, относительное количество, они покрывают почти 80% суши (119 млн. из 149 млн. км2), и примерно столько же - 76 % площади дна современного Мирового Океана. Вместе с тем, распределение мощностей и массы осадочных пород весьма неравномерны. Максимальные мощности, видимо, превышают 20-30 км в горноскладчатых областях, некоторых впадинах платформ и в прогибах окраин континентов. Практически отсутствует осадочный чехол на щитах платформ и на срединно-океанических хребтах. Средняя мощность осадочного чехла определяется в 2,2 км. Общий объем осадочной оболочки континентов составляет 765х106 км3, и океанов 115х106 км3.

Среди осадочных пород наиболее распространены глинистые - 51,2% - примерно столько же, сколько составляют в магматических породах полевые шпаты, являющиеся главным исходным материалом для глинистых минералов. Вдвое меньше обломочных пород, в основном песчаников и алевролитов; немного меньше карбонатных пород –20,4%, кремнистых пород – 2,3% и лишь 1,2% сульфатов и галоидов.

Практически вся жизнедеятельность человечества связана с осадочными породами, которые покрывают земную поверхность, на которой мы живем. Невозможно переоценить и экономическое значение полезных ископаемых осадочного происхождения: их стоимость составляет 75-80% стоимости всех добываемых полезных ископаемых. В осадочных породах содержатся практически все мировые запасы горючих ископаемых: нефти, газа, угля, горючих сланцев и торфа, все алюминиевые и марганцевые руды и калийные соли, 80-90% железных, магниевых, титановых, кобальтовых и урановых руд, фосфориты и сера, 50-80% медных, никелевых и оловянных руд и львиная доля полезных ископаемых, самых больших по массе и валовой цене - стройматериалов.

Осадочные породы образуются в результате разрушения любых других пород, перемещении их частиц в виде механических взвесей различной крупности, или в виде раствора, и отложении, или осаждении из раствора (седиментации) (табл.13).

Таблица 13

Принципиальная схема подразделения осадочных пород по их составу

 

Тип пород Примеры пород
1. Кварцевые и кварц - силикатные Вулканогенно-осадочные породы
Песчаники Кварцевые Олигомиктовые Полимиктовые
Глины Каолиновые Гидрослюдистые Монтмориллонитовые Полиминеральные
2. Гидроокисные Опаловые Лимонитовые Аллитовые  
Трепела, опоки, диатомиты Бурые железняки Бокситы  
   
3. Карбонатные Кальцитовые Доломитовые Сидеритовые   Известняки Доломиты Сидериты   Гипсы Ангидриты
4. Сульфатные Гипсовые Ангидритовые  
5. Галоидные Галиты Галит-сильвиновые Галит-карналлитовые   Каменная соль Сильвинит Карналлитовая порода
6. Фосфатные Фосфориты
7. Каустобиолиты Каменный уголь Антраксолиты Нефть

 

Обычно, чем крупнее частицы, тем ближе к области разрушения они откладываются. Впрочем, тут имеются многочисленные исключения, и каждый раз необходимо рассматривать конкретную ситуацию – агенты и условия транспортировки и т. д. В процессе транспортировки частицы измельчаются, окатываются, сортируются. Воссоздание палеогеографических условий формирования осадочных горных пород имеет огромное значение при поисках и разведке литологических залежей. Затем происходит уплотнение, отжим воды, цементация, и осадок превращается в горную породу. Например, песок превращается в песчаник, ил – в глину. Этот, во многом загадочный процесс, называется диагенезом - превращением. Раздел петрографии, изучающий осадочные горные породы, называется литологией(литос - камень).

Осадочные породы образуются на земной поверхности всюду. Самой древней из известных горных пород на Земле являются серые гнейсы, имеющие возраст более 4 млрд. лет, которые являются продуктом преобразования осадочных пород, т.е. осадочный процесс происходил в самое отдаленное время, о котором наука располагает конкретными сведениями. Остальное- гипотезы.

Важнейшей характеристикой обломочных горных пород является цемент, которым скреплены эти частицы (рис.3.1).

  
 


Кристаллическая Сферово-сгустковая
Обломочная Органогенная

Рис. 3.1. Основные структуры осадочных горных пород

 

Цемент характеризуют:

- составом (карбонатный, глинистый, силикатныйи т.д.)

- степенью и характером заполнения пор (поровый, базальный и др).

Именно от состава и типа цемента во многом зависит проницаемость, а также - прочность, крепость осадочных горных пород, их сопротивляемость выветриванию и бурению.

Обломочная часть терригенных горных пород может состоять из очень твердых минералов, например кварца, а скрепляющий его цемент быть непрочным (например, глинистым). В результате порода в целом будет достаточно рыхлая, хорошо буримая, однако с сильным абразивным воздействием на буровой инструмент.

Обломочные – важнейшие породы, в которых находятся основные месторождения нефти и газа.

Глины – это породы, которые на 50 и более процентов состоят из тонкодисперсного (менее 0,01 мм) материала и особых групп глинистых минералов – в основном, каолина, монтмориллонита и гидрослюд. Важная особенность глин - их способность размокать в воде и делаться пластичными, что связано с размером частиц и со строением кристаллической решетки глинистых минералов. Они либо включают воду в кристаллическую решетку, либо притягивают молекулы воды к своей поверхности и «разбухают». Форма их минералов чешуйчатая, что делает глинистые агрегаты анизотропным, имеющими различные свойства вдоль и поперек слоистости.

Глины имеют огромное значение для нефтегазовой геологии как нефтематеринские породы, как породы-флюидоупоры и как материал для приготовления бурового раствора.

Хемогенные породы образуются в результате выпадения солей в осадок. К ним относятся хемогенные известняки, доломиты, каменная соль, гипс и ряд других.Каменную соль, гипс и другие породы, которые выпадают с осадок при испарении водоемов, называют также эвапоритами. В настоящее время условия образования эвапоритов возникают, например, в Аральском море, в заливе Кара-Богаз-Гол. Каменная соль состоит из минерала галита, поэтому толщи каменной слои иногда называют галитовыми.

Органогенные породы образуются в результате деятельности растений и животных. Например, – известняки – ракушечник, коралловый, писчий мел, угли, горючие сланцы. В группе органогенных пород выделяется отдельное семейство – каустобиолиты, к которым относятся и нефть с газом. Подробнее о них будет рассказано ниже. Обычно, наряду с минеральной составляющей, в органогенных породах встречаются многочисленные остатки животных организмов и растений, называемые окаменелостями. Часто органогенные породы (например, коралловый риф) разрушаются под воздействием волн, и их обломки откладываются тут же рядом, образую терригенную известковую породу. Такая порода называется детритусовым известняком.

К породам смешанного состава относятся, например, суглинки, супеси, опоки, мергели – сильно известковистые глины, песчаные и глинистые известняки и т.д.

Сущность осадочного процесса состоит в разрушении пород на возвышенностях, на суше, сносу продуктов их разрушения во впадины, их отложению и уплотнению.

Главным действующим фактором осадочного процесса является вода. Существование на Земле Н2О в жидкой, твердой и газообразной фазах и постоянный обмен между ними приводят к тому, что Н2О образует единое динамическое целое – гидросферу, а испаряясь, пронизывает атмосферу. Н2О, переходя из одной фазы в другую, является главным фактором перераспределения и энергии и вещества. Где берется энергия, обеспечивающая процесс? Практически все процессы на Земле обеспечены солнечной энергией, которой противостоит косная энергия притяжения: если бы не было солнечной энергии, то все движение на Земле прекратилось бы, а если бы не было притяжения, все вещество Земли, получив энергетический импульс, разлетелась бы в космосе. Чтобы шел осадочный процесс, расходуется солнечная энергия. Она идет на разрушение и перенос материала и на образование новых веществ, практически содержащих в себе окаменевшую или сжиженную солнечную энергию – таковы уголь и нефть. Важнейшая тенденция осадочного процесса - разделение, дифференциация вещества и образование гигантских объемов химических веществ, чистых и однородных - например, кварцевого песка, извести, каменной соли и того же каменного угля, состоящего почти целиком из углерода.

 

 

3.3. Образование осадочных горных пород

Предыдущая статья:Минеральный состав магматических горных пород Следующая статья:Выветривание
page speed (0.0137 sec, direct)