Горные породы образуются в результате различных геологических процессов и представляют собой минеральные агрегаты более или менее постоянного состава. По условиям образования выделяются три крупные группы пород: магматические (или изверженные), осадочные, метаморфические. Большое значение для характеристики горных пород и познания их генезиса имеют структуры и текстуры пород. Структура определяется взаимоотношениями минеральных индивидов, слагающих породу (их формой, размерами, характером сочетаний между собой), текстура - взаимоотношениями минеральных агрегатов, слагающих породу.
Структура определяется размерами, формой и характером срастания минеральных индивидов, составляющих агрегат. Единичными элементами, образующими структуры, являются зёрна или кристаллы минералов, а поскольку их размеры, как правило, невелики, структуру можно считать микроскопической характеристикой. Структуры изучают обычно с помощью микроскопа в петрографических шлифах или в полированных образцах (аншлифах). Для словесной характеристики структур применяют набор специальных терминов, учитывающих форму индивидов (например, «волокнистая», «пластинчатая» и т.д.) и их расположение («сидеронитовая», «венцовая», «графическая» и др.). Характеризуя структуру по размеру минеральных индивидов можно пользоваться следующей шкалой:
скрытозернистая– при размере минеральных индивидов менее 0,01 мм,
микрозернистая - 0,01 – 0,1мм,
мелкозернистая - 0,1 – 2мм,
среднезернистая - 2 – 20мм,
крупнозернистая - 20 – 100мм,
гигантозернистая – более 100мм.
Текстурой называют характеристику строения горной породы или твердого полезного ископаемого, определяемую формой, размерами и способом сочетания минеральных агрегатов, отличающихся по минеральному составу или структуре. Единичными элементами, образующими текстуры, служат минеральные агрегаты, однородные по составу и структуре. Эта характеристика – макроскопическая и может наблюдаться в образцах, естественных и искусственных обнажениях. Словестная характеристика текстуры полезного ископаемого даётся при помощи одного или нескольких специальных терминов, так как даже в одном образце нередко можно наблюдать несколько текстурных мотивов (например, плойчатая текстура в сочетании со сланцеватой, ячеистая – с натёчной и колломорфной и т.д.). Многие текстуры хорошо известны для горных пород, но некоторые типичны лишь для полезных ископаемых. Определение текстур играет огромную роль при решении генетических задач, так как, наряду с текстурами, встречающимися в полезных ископаемых различных генетических типов (например, полосчатой, массивной, линзовидной), наблюдаются текстуры практически однозначно демонстрирующие условия рудообразования (табл.2).
Горные породы. Природные агрегаты минералов определенного состава и строения, обособленные в виде самостоятельных геологических тел, образующих литосферу Земли, слагающие твердые оболочки планет земной группы, Луны, входящие в состав метеоритов и астероидов называют горными породами. Науки, изучающие горные породы – петрография, литология, петрофизика и физика горных пород.
Горные породы могут состоять как из одного, так и из нескольких минералов. В отличие от минералов горные породы внутренне неоднородны. Из общего числа минералов лишь 150 являются породообразующими (петрогенными), причем главными следует считать лишь 10. До 60 минералов слагают 99% горных пород. Самыми распространенными минералами земной коры (~50%) являются полевые шпаты. Минералы, доля которых в горной породе не превышает 15%, называются акцессорными. В природе сочетания минералов определяются физико-химическими процессами породообразования и геохимическими законами распространения литофильных химических элементов.
Состав, строение, свойства, состояние и условия залегания горных пород определяются ходом геологических процессов, приводящих к их образованию и изменению. Различают три генетических класса горных пород: осадочные, магматические (изверженные) и метаморфические. Магматические и метаморфические горные породы слагают соответственно примерно 50 и 40% объема земной коры, осадочные менее 10% (занимая около 75% площади поверхности Земли).
Горные породы различаются не только составом, но и особенностями строения, объединяемыми в понятиях структура и текстура. Структура и текстура наряду с минеральным составом являются важнейшими диагностическими признаками горных пород.
Структура горных пород – свойство, отражающее генезис и преобразования горных пород, выраженные через размер, форму и характер сочетаний минеральных зерен. Для магматических и метаморфических горных пород структуры определяются степенью раскристаллизации (полно- и неполнокристаллическая, скрытокристаллическая или стекловатая структура), размерами и формой зерен, способом сочетания их между собой и с заполнителем. Структуры осадочных горных пород зависят от состава первичного осадка, динамики среды осадконакопления, величины и формы минеральных частиц и агрегатов, их взаимного расположения и соотношения, особенностей физических связей между ними. Пример наименований структур осадочных горных пород: тонко-, мелко-, средне- и крупнозернистые, рыхлые и сцементированные.
Текстура горных пород – характеристика распространения и взаимного расположения совокупностей составных частей (минеральных агрегатов) породы в пространстве. Примеры названий текстур горных пород: массивная, слоистая (полосчатая).
Горные породы при кондиционном (промышленно значимом) содержании полезных компонентов или непосредственно (без выделения отдельных составляющих) могут быть использованы в качестве полезного ископаемого. Горные породы следует рассматривать как объекты разработок и как конструктивные элементы горных выработок.
Как физические тела горные породы характеризуются прочностными, плотностными, упругими, тепловыми, магнитными, электрическими, радиационными и др. свойствами, обусловленными их составом и строением, а также термобарическими условиями формирования и нахождения. Такие свойства горных пород, как теплоемкость, коэффициент теплового расширения, модуль объемного сжатия и пр. зависят от минерального состава пород, а прочность, упругость, тепло и электропроводность – от строения и минерального состава. Механические свойства обусловлены силами связей между минеральными частицами, а тепловые и электрические – ориентировкой минеральных зерен и наличием непрерывных проводящих каналов в горных породах. Свойства горных пород зависят также от механического, теплового, электрического, магнитного, радиационного воздействия и насыщения пород жидкостями, газами и т.д. Изменение одного из свойств горной породы приводит к изменению ряд других, так увеличение пористости приводит к снижению плотности, прочностных и упругих свойств, теплопроводности, диэлектрической проницаемости, а также к увеличению влагоемкости и водопроницаемости горных пород.
Совокупность химических, физико-механических, водных и горно-технологических свойств горных пород определяют технологию горных работ и бурения скважин, обогащения и переработки (использования), меры по управлению состоянием массива горных пород, особенности конструкций оснований и фундаментов сооружений при строительстве. Закономерности изменения физико-технических параметров горных пород от внешнего воздействия используются для создания новых методов ведения горных работ, добычи и переработки полезных ископаемых.
Магматические (изверженные) горные породы естественные ассоциации минералов, а также вулканического стекла1 в различных пропорциях, образовавшиеся как считается из магмы2 (ортопороды) и метасоматоза3 (парапороды).
Главные породообразующие минералы магматических горных пород - силикаты и алюмосиликаты (полевые шпаты, кварц, слюды и др.). По содержанию кремнезема по массе магматические горные породы делят на группы: кислые (SiO2 более 64%), средние (53-64%), основные (около 44-53%), и ультраосновные (менее 44% SiO2). При содержании кремнезема более 53% в магматической горной породе выделяется свободный кварц. В кислых породах содержание кварца превышает 5% по объему. В каждой группе выделяют магматические горные породы нормального и щелочного ряда, с высоким содержанием щелочных металлов (K2О+Na2О>7%). Породы, различающиеся по содержанию главных элементов, отличаются и по содержанию элементов примесей. С кислыми магматическими горными породами связаны руды олова, вольфрама, золота; с основными породами руды титаномагнетита и меди; с ультраосновными породами руды хрома, никеля, платина и т.д.; с щелочными породами руды титана, циркония, редких земель, апатиты и т. д. Магматические горные породы могут использоваться как строительные материалы; сырьё для извлечения ценных компонентов (например, алюминия из нефелиновых сиенитов) и как скальные основания зданий и сооружений.
При застывании магмы в верхней мантии и глубоких зонах земной коры (глубже 3 км) образуются полнокристаллические крупно- и среднезернистые массивные интрузивные горные породы, слагающие чаще всего секущие (дайки) и послойные (силлы) магматические тела. Из магмы, застывшей на глубине менее 1 км или излившейся на земную поверхность, образуются эффузивные горные породы, залегающие в виде потоков и покровов. Эффузивные горные породы стекловаты или скрытозернисты, частично или полностью состоят из вулканического стекла, могут иметь текстуру со следами течения. В термодинамических условиях земной коры на глубинах 1-3 км из магмы возникают гипабиссальные горные породы, по строению занимающие промежуточное положение между интрузивными и эффузивными горными породами. Систематика магматических горных пород основана на их минеральном составе и структуре. Наиболее распространенные магматические породы приведены в табл. 6.
Осадочные горные породы образуются в результате процессов разрушения более древних горных пород любого генезиса, а также в процессе осаждения вещества из воды и воздуха, жизнедеятельности организмов или совокупности этих процессов. Отложение исходного вещества осадочных горных пород происходит под действием силы тяжести горизонтальными слоями. Смена обстановки осадконакопления приводит к стратификации (формированию отдельных слоев) осадочной толщи.
По способу образования осадочные горные породы делятся на хемогенные (гидрогенные), сложенные минералами, сформировавшимися химическим путем в водной среде, органогенные (биогенные, биохемогенные), сложенные твердыми частями организмов и продуктами их преобразования и обломочные, состоящие из обломков горных пород (У. Твенгофел, 1926; М.С. Швецов, 1934). Породы, имеющие один и тот же состав или структуру могут принадлежать к разным генетическим классам (например, известняки могут быть, как хемогенными, так и органогенными, а пелиты и хемогенными и обломочными).
Существуют и другие классификации осадочных пород. В 1998 г. В.Н. Шванов и др. предложили классификацию осадочных горных пород по вещественно-структурному принципу на разряды кварцево-силикатных (силикалитов), несиликатных (оксидных, фосфатных, соляных и др.) и некарбонатно-углеродистых (органических) пород.
Наиболее характерными текстурами осадочных пород являются слоистая, землистая, оолитовая (с преобладанием в объеме породы шарообразных выделении), массивная; структуры – зернистая, скрытокристаллическая, обломочная, органогенная.
Между основными группами осадочных пород наблюдаются взаимные переходы, возникающие в результате смешения материала разного генезиса. В связи с этим хемогенные и органогенные породы классифицируют по химическому составу (табл. 7).
Диагностика хемогенных пород производится, прежде всего, по их минеральному составу, а органогенных пород по составу преобразованных органических остатков.
Хемогенные глинистые породы — дисперсные продукты глубокого химического преобразования силикатных и алюмосиликатных минералов исходных пород, перешедших в новые минеральные виды.
Органогенные горные породы группа осадочных пород, в образовании которых решающую роль играют остатки животных и растений. Например, кремнеземные панцири диатомей слагают диатомит; мел образован кальцитовыми остатками морских водорослей. К этой группе относятся и органические горные породы.
Таблица 6
Характерные признаки широко распространенных магматических горных пород
1. Типичная текстура магматических горных пород – массивная или флюидальная, миндалекаменная, пористая.
2. Породообразующие и второстепенные минералы магматических горных пород – силикаты и алюмосиликаты.
Породообразующие минералы-индикаторы (в порядке значимости) |
Кварц, полевые шпаты |
Полевые шпаты, кварц |
Полевые шпаты
|
Оливин. Пироксены |
Нефелин, полевые шпаты
|
||||||
Второстепенные минералы (в порядке встречаемости) |
Слюды, амфиболы, пироксены |
Пироксены, оливин, амфиболы |
Амфиболы |
Амфиболы, пироксены, биотит |
|||||||
Окраска породы
|
Светлая (коричневая / серая), пятнистая |
Темная, пятнистая |
Черная, темно-зеленая, однотонная |
Пестрая (зеленоватая, серая) |
|||||||
Объем темных минералов в породе |
0-15% |
15-50% |
50-65% |
65-100% |
15-50% |
||||||
Структура породы |
Группы пород* |
Кислые (SiO2>64%) |
Средние (SiO2 53÷64%) |
Основные (SiO2 44÷53%) |
Ультраосновные (SiO2<44%) |
Щелочные (K2О+Na2О>7%), SiO2<56% |
|||||
Крупно- и среднезернистая, порфировидная**, пегматитовая |
Интру-зивные |
Гранит Гранодиорит |
Сиенит Диорит |
Габбро
|
Перидотит Дунит Пироксенит |
Нефелиновый сиенит |
|||||
Средне- и мелкозернистая, порфировидная |
Гипабис- сальные |
Диабаз |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Скрытозернистая, стекловатая, порфировая и пористая |
Эффузив-ные** |
Кварцевый порфир Риолит. Пемза. Обсидиан*** |
Порфир Трахит Андезит |
Базальт |
Пикрит
Кимберлит**** |
Фонолит |
* В каждой группе выделяют магматические горные породы нормального и щелочного ряда. В таблице 6 для примера приведены лишь нефелин содержащие щелочные горные породы.
** Порфировая структура - строение горных пород, при котором отдельные крупные, минеральные зерна погружены в основную относительно равномернозернистую массу породы. Пегматитовая структура характеризуется массовостью весьма крупных минеральных индивидов в объеме породы.
*** Минеральный состав основой массы эффузивных горных пород макроскопически не различим.
**** Обсидиан (вулканическое стекло) обычно окрашен в темные тона.
***** Кимберлит – брекчиевидная горная порода, состоящая из обломков ультраосновных и основных горных пород, иногда гранитов, кристаллических сланцев, песчаников и др., включенных в мелкозернистую массу серпентин-карбонатного состава. Возможность существования исходной кимберлитовой магмы не доказана. Отнесение кимберлитов к магматическим породам условно.
Таблица 7